انرژی چیست؟ — تعریف و مفاهیم به زبان ساده

پس از پیاده‌روی طولانی یا انجام حرکت‌های ورزشی سنگین، وقتی کاری از ما خواسته می‌شود با اعلام جمله بسیار پرکاربرد «خسته‌ام!»، از دیگران می‌خواهیم برای انجام کار روی ما حساب باز نکنند. در زندگی روزمره بارها از این کلمه استفاده کرده‌ایم. شاید این بیان شبیه یک شوخی باشد ولی خسته‌ام یک معادل علمی هم دارد «انرژی انجام کار را ندارم». این جمله را به خاطر بسپارید و دفعات بعدی که از شما خواسته شد کاری انجام دهید و به شما اعتراضی مبنی بر اینکه «تو هم که همیشه خسته‌ای!» وارد شد، برای تنوع از بیان علمی این کلمه استفاده کنید. اگر می‌خواهید بیشتر در مورد انرژی بدانید، این مطلب از مجله فرادرس به سوال شما در مورد انرژی چیست پاسخ خواهد داد.فهرست مطالب این نوشتهانرژی چیست ؟چرا انرژی مهم است ؟واحد انرژی چیست ؟بر چسب انرژی چیست ؟انواع انرژی چیست ؟انرژی جنبشی چیست ؟کار چیست ؟انرژی پتانسیل چیست ؟شکل های مختلف انرژی چیست ؟قانون پایستگی انرژی چیست ؟انرژی از کجا می‌آید ؟معرفی فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله سوالات متداول پیرامون انرژیجمع‌بندینمایش همه

انرژی چیست ؟

در حالت کلی انرژی به صورت توانایی انجام کار تعریف می‌شود. به بیان دیگر، هنگامی که جسمی کاری را انجام می‌دهد انرژی خواهد داشت. انرژی نقش مهمی در زندگی روزمره و پدیده‌های علمی دارد. بدون شک می‌توانیم صورت‌های مختلف انرژی، مانند انرژی الکتریکی، را نام ببریم. همه ما تعریف کلی از انرژی در ذهن داریم ولی هنگام به زبان آوردن یا نوشتن از تعریف دقیق آن باز می‌مانیم.فیلم آموزش علوم تجربی پایه ششم در فرادرسکلیک کنید

ما برای انجام هر کاری در زندگی نیاز به انرژی داریم. به هنگام انجام کار، انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. در واقع، مقدار انرژی در جهان همیشه ثابت خواهد ماند و تنها از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود.

چرا انرژی مهم است ؟

تاکنون با مفهوم انرژی چیست و کار آشنا شدیم، ولی سوالی که مطرح می‌شود آن است که چرا ما به انرژی نیاز داریم. آیا وجود انرژی در زندگی روزمره لازم است؟ پاسخ به این دو سوال در جمله‌ای کوتاه خلاصه می‌شود:

زندگی بدون انرژی معنایی ندارد.

اما چه چیزی وجود انرژی را در زندگی ما بسیار مهم و ضروری کرده است؟ به اطراف خود نگاه کنید. چیزی را بیابید که از انرژی استفاده نمی‌کند. احتمال یافتن پاسخِ این سوال بسیار اندک است. چای داغ، نوزادِ خوابیده، پرتاب توپ و حتی قلب تپنده انرژی دارند.

نه دلیل مهم بودن انرژی در زندگی عبارتند از:

1. نفس کشیدن
2. ارتباطات
3. هضم
4. رشد
5. درمان
6. گرما
7. نور
8. توان
9. سفر

زندگی بر پایه انرژی جلو می‌رود. هر چه فعال‌تر باشیم، انرژی بیشتری نیاز خواهیم داشت. از آنجایی که انرژی قابل بازیافت و استفاده مجدد نیست در نتیجه روزانه باید از منبع مشخصی (غذا) انرژی دریافت کنیم.

واحد انرژی چیست ؟

واحد انرژی ژول است که به صورت J نشان داده می‌شود.

در مکانیک، یک ژول به صورت زیر تعریف می‌شود:

هنگامی که به جسمی نیرویی برابر یک نیوتن وارد شود و آن را به اندازه یک متر جابجا کند، مقدار یک ژول انرژی مصرف شده است. 

بر چسب انرژی چیست ؟

برچسب انرژی در مورد بازدهی انرژی محصول مورد استفاده اطلاعات لازم را می‌دهد. به طور معمول، این برچسب را بر روی محصولاتی مانند یخچال یا ماشین ظرف‌شویی می‌بینیم. این برچسب از سبز تیره (بیشترین بازدهی) تا قرمز (کمترین بازدهی) طبقه‌بندی شده است. همچنین، با استفاده از این برچسب از مصرف کلی انرژی محصول تا اطلاعات مرتبط دیگر آگاه می‌شویم.

استفده از این اطلاعات برای مقایسه محصولات مختلف و خرید بهترین وسیله بسیار مفید خواهد بود.

انواع انرژی چیست ؟

اکنون می‌توانیم به پرسش انرژی چیست پاسخ دهیم. در ادامه دسته‌بندی کلی انرژی را بیان می‌‌کنیم:

1. انرژی جنبشی
2. انرژی پتانسیل

فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ در فرادرسکلیک کنید

البته باید به این نکته توجه کنیم که شکل‌های انرژی بسیار بیشتر از این دسته‌بندی است.

انرژی جنبشی چیست ؟

انرژی موجود در اجسام یا جرم متحرک را انرژی جنبشی می‌گوییم. برای اینکه جسمی انرژی جنبشی داشته باشد باید بر روی آن کار انجام شود. هواپیمای در حال پرواز یا جسم در حال سقوط، انرژی جنبشی دارند. انرژی جنبشی بر حسب ژول اندازه‌گیری می‌شود. انواع انرژی جنبشی عبارتند از:

• انرژی الکتریکی
• انرژی حرکتی
• انرژی تابشی
• انرژی صوتی
• انرژی گرمایی

در ادامه مطلب در مورد انرژی جنبشی حرکتی صحبت می‌کنیم.

اگر بخواهیم به جسمی شتاب دهیم باید به آن نیرو وارد کنیم. همان‌گونه که در مطالب بالا اشاره شد برای وارد کردن نیرو باید کار انجام دهیم. بعد از انجام کار، انرژی به جسم منتقل می‌شود و جسم با سرعت متفاوت و ثابتی شروع به حرکت می‌کند. انرژی منتقل شده به جسم انرژی جنبشی نامیده می‌شود و به جرم و سرعت بستگی دارد.

انرژی جنبشی بین اجسام مختلف منتقل و به صورت‌های دیگر انرژی تبدیل می‌شود. به عنوان مثال، گوی متحرکی را در نظر بگیرید که در مسیر حرکتش به گوی ساکنی برخورد می‌کند. پس از برخورد، مقداری از انرژی جنبشی اولیه گوی متحرک به گوی ساکن منتقل می‌شود.

نکات جالب در مورد انرژی جنبشی

نکات جالبی در مورد انرژی جنبشی وجود دارد:

• انرژی جنبشی به جرم و سرعت حرکت جسم بستگی دارد. هنگامی که سرعت حرکت جسمی دو برابر شود، انرژی جنبشی آن چهار برابر خواهد شد. به عنوان مثال انرژی جنبشی ماشینی که با سرعت 60 کیلومتر بر ساعت حرکت کند چهار برابر وقتی است که با سرعت 30 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند. بنابراین، احتمال تصادف و خطر مرگ نیز چهار برابر خواهد بود.
• مقدار انرژی جنبشی همیشه مثبت یا صفر خواهد بود. در حالی‌که مقدار سرعت ممکن است منفی یا مثبت باشد.
• انرژی جنبشی بردار نیست. توپ تنیسی را در نظر بگیرید که با سرعت 5 متر بر ثانیه یک بار به سمت راست و بار بعد به سمت چپ پرتاب می‌شود در هر دو حالت انرژی جنبشی توپ یکسان است.

در تعریف انرژی از مفهومی به نام کار استفاده کردیم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که کار چیست.

کار چیست ؟

در هر فعالیتی که نیرویی وارد شود و جابه‌جایی صورت گیرد کار انجام شده است. گاهی ممکن است شما به یک جسم نیرو وارد کنید ولی جسم جابه‌جا نشود، در این حالت کاری صورت نگرفته است.فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله در فرادرسکلیک کنید

در واقع، هنگامی که به جسمی نیروی خارجی F وارد شود و جسم به اندازه d در جهت نیروی وارد شده جابجا شود، کاری به اندازه W بر روی آن انجام شده است:

W=F ×d�=� ×�

اگر نیروی خارجی اعمال شده بر جسم با مسیر حرکت آن زاویه θ� بسازد آن‌گاه W به صورت زیر بیان خواهد شد:

W=Fd cosθ�=�� ����

از آنجایی که نیرو و جابجایی هر دو بردار هستند در نتیجه رابطه بالا به صورت زیر ساده‌تر می‌شود:

W=→F.→d�=�→.�→

واحد کار یا کار مکانیکی برابر با N.m�.� یا kg .m2s2�� .�2�2 است. واحد دیگری که به کار نسبت می‌دهند به افتخار کاشف آن آقای ژول به همین نام یعنی ژول (J) است.

اکنون سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا همیشه کار انجام می‌شود. پاسخ به این سوال خیر است. همان‌گونه که در فرمول کار مشاهده‌ می‌شود اگر مقدار جابجایی برابر صفر باشد، نیروی خارجی، کاری بر روی جسم انجام نخواهد داد. به عنوان مثال، اگر فردی جعبه‌ای سنگین را به مدت طولانی در نقطه‌ای مشخص نگه‌ دارد، کار انجام شده توسط او برابر صفر خواهد بود.

پرسش: به رابطه نوشته شده برای کار دقت کنید. اگر زاویه بین نیروی خارجی اعمال شده و جابجایی برابر ۹۰ درجه باشد چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ آیا کاری انجام خواهد شد؟

پاسخ: در این حالت کار انجام شده برابر صفر است.

نکته: واحد کار و انرژی یکسان و برابر ژول است.

چگونه کار و انرژی را اندازه می‌گیریم ؟

ژول با نماد J واحد استاندارد اندازه‌گیری کار و انرژی در فیزیک است.

کالری واحد دیگر اندازه‌گیری انرژی است. مقدار انرژی موجود در غذا به طور معمول بر حسب کالری در پشت پاکت بسته‌بندی آن نوشته شده است. به عنوان مثال، ۶۰ گرم شکلات تخته‌ای در حدود 280 کیلو کالری انرژی دارد. یک کالری مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای یک گرم آب به اندازه یک درجه سانتی‌گراد است.

این مقدار معادل ۴184 ژول بر کالری است. در نتیجه، این مقدار شکلات تخته‌ای در حدود 1/17 میلیون ژول انرژی ذخیره شده دارد که مقدار بسیار زیادی است. در جدول زیر انرژی بعضی خوراکی‌ها بر حسب کالری آمده است.

خوراکی	انرژی بر حسب کیلو کالری
ماست یخ‌زده کم‌چرب	220
لوبیا سفید (یک فنجان)	249
یک عدد سیب متوسط	81
یک فنجان آب سیب	111
یک عدد موز	105
یک عدد پرتقال	65
یک فنجان آب پرتقال	112
یک فنجان آب هندوانه	50
یک عدد هویج متوسط	31
یک عدد بیسکویت	103
یک فنجان برنج سفید	223
یک عدد گلابی	98
ده عدد خرمای خشک	228

تاکنون با مفهوم انرژی چیست آشنا شدیم، در ادامه چند مثال در مورد کار حل می‌شود.

مثال اول کار در فیزیک

فرض کنید فردی پس از خوردن ۶۰ گرم شکلات تخته‌ای (280 کیلو کالری) دچار عذاب وجدان شدید شده‌ است. برای سوزاندن انرژی دریافتی از خوردن شکلات، چه مقدار کار باید انجام دهد؟

پاسخ:

شخص برای سوزاندن 280 کیلو کالری انرژی اضافی تصمیم می‌گیرد جعبه سنگینی را دور اتاق هل دهد.

فرض کنید فرد جعبه را با نیروی 500 نیوتن هل می‌دهد. همچنین، شخص سرعت حرکت خود را با استفاده از متر و کرونومتر در حدود 0/25 متر بر ثانیه اندازه می‌گیرد. اکنون مقدار کار لازم برای سوزاندن 280 کیلوکالری را محاسبه می‌کنیم.

با استفاده رابطه کار داریم:

W=→F.→d�=�→.�→

در ابتدا انرژی شکلات را به ژول تبدیل می‌کنیم:

E=280 cal×4184 J/cal=1.17MJ�=280 ���×4184 �/���=1.17��

بنابراین، مسافت طی شده برای انجام این مقدار کار عبارت است از:

W=F×d1.17 MJ=(500 N)×dd=1.17×106 J500 Nd=2340 m�=�×�1.17 ��=(500 �)×��=1.17×106 �500 ��=2340 �

به یاد داشته باشید که بدن ما به هنگام تبدیل انرژی ذخیره شده از خوردن غذا به کار در حدود ۲۵ درصد موثر عمل می‌کند. بنابراین، فرد لازم است جعبه را تنها به اندازه مسافت 585 متر هل دهد. از آنجایی که سرعت حرکت او 0/25 متر بر ثانیه است داریم:https://beta.kaprila.com/a//templates_ver2/templates.php?ref=blog.faradars.org&id=string-2&t=related&col=4&title=%D8%A2%D9%85%D9%88%D8%B2%D8%B4%E2%80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8C%20%D9%BE%DB%8C%D8%B4%D9%86%D9%87%D8%A7%D8%AF%DB%8C&w=800&h=265&color=000000&hover=000000&background=ffffff&cid=2995694,2994597,2994569,2994574&wr=special,smart,brother,brother&pid=58

585 m0.25 ms=2340 s585 �0.25 ��=2340 �

مثال دوم کار در فیزیک

با توجه به تصویر نشان داده شده در زیر کار انجام شده توسط فرد بر روی ماشین چمن‌زنی پس از طی مسافت 25/0 متر چه مقدار است؟ فرض کنید شخص نیروی ثابت 75/0 نیوتن با زاویه 35 درجه را بر ماشین چمن زنی وارد می‌کند. مقدار کار انجام شده را از ژول به کیلو کالری تبدیل کنید. مقدار آن را با مقدار انرژی دریافتی از غذا توسط فرد مقایسه کنید (در حدود 2400 کیلو کالری).

پاسخ:

برای حل این مثال مقدارهای داده شده را در رابطه کار قرار می‌دهیم:

W=→F.→dW=(75.0 N)(25.0 m) cos(35.0o)W=1536 J=1.54×103 J�=�→.�→�=(75.0 �)(25.0 �) ���(35.0�)�=1536 �=1.54×103 �

مقدار به دست آمده برای کار را به کیلو کالری تبدیل می‌کنیم. یک کالری مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک گرم آب به اندازه یک درجه سانتی‌گراد است.

1 cal=4.184 J1 ���=4.184 �

در نتیجه داریم:

W=(1536 J)(1 kcal/4184 J)=0.367 kcal�=(1536 �)(1 ����/4184 �)=0.367 ����

نسبت کار انجام شده به مصرف روزانه برابر است با:

W2400 kCal=1.53 × 10−4�2400 ����=1.53 × 10−4

نسبت به دست آمده در بالا بسیار کوچک است. فرد در یک روز در حدود 2400 کیلو کالری انرژی از غذا دریافت می‌کند. اما درصد بسیاری کوچکی از این انرژی دریافتی را صرف انجام کار بر روی ماشین چمن‌زنی کرده است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اگر کل روز را صرف انجام کارهای مختلف کنیم چه درصدی از انرژی دریافتی از غذا را صرف انجام این کارها کرده ایم. پاسخ کمتر از 10 درصد است. در نتیجه بیش از 90 درصدِ انرژی دریافتی از غذا در روز به انرژی گرمایی تبدیل یا به صورت انرژی شیمیایی در بافت‌های چربی ذخیره می‌شود.

مثال سوم کار

فروشنده سوپرمارکتی قوطی کنسروی را با نیروی 5/00 نیوتن به اندازه 0/600 متر جابجا می‌کند. مقدار کار انجام شده را بر حسب ژول و کیلو کالری به دست آورید.

پاسخ:

با توجه به رابطه به دست آمده برای کار داریم:

W=Fd cosθ�=�� ����

نیروی وارد شده و جابجایی در یک راستا هستند. در نتیجه زاویه بین آن‌ها برابر صفر است. بنابراین داریم:

W=(5.00 N)(0.600 m) cos(0o)=3 J�=(5.00 �)(0.600 �) ���(0�)=3 �

مقدار به دست آمده برای کار را به کیلو کالری تبدیل می‌کنیم:

W=(3 J)(1 kcal/4184 J)=0.367 kcal=7.17×10−4 kcal�=(3 �)(1 ����/4184 �)=0.367 ����=7.17×10−4 ����

محاسبه انرژی جنبشی

برای محاسبه انرژی جنبشی به رابطه به دست آمده برای کار مراجعه می‌کنیم:

W=→F.→d�=�→.�→

با توجه به قانون دوم نیوتن داریم:

−−→Fnet=m→a����→=��→

با قرار دادن رابطه بالا در فرمول کار، کار انجام شده به صورت زیر به دست خواهد آمد:

(۱)

W=m→a.→d�=��→.�→

اگر جسمی که نیروی F بر آن وارد می‌شود با شتاب ثابت a بر خط راست حرکت کند، شتاب حرکت آن از رابطه زیر به دست می‌آید:

(۲)

a=v2−v202d�=�2−�022�

با جایگذاری رابطه (۲)‌ در رابطه (۱) داریم:

(۳)

W=m.d.v2f−v2i2d=m.v2f−v2i2=12mv2f−12mv2i�=�.�.��2−��22�=�.��2−��22=12���2−12���2

بنابراین، هنگامی که کار کل W بر روی جسمی انجام شود انرژی جنبشی آن تغییر خواهد کرد. انرژی جنبشی از رابطه 12m212�2 به دست می‌آید. بنابراین مقدار آن به جرم و سرحت حرکت جسم بستگی دارد. به رابطه (۳) قضیه کار و انرژی گفته می‌شود.

مثال اول قضیه کار و انرژی

اتوبوسی با جرم 4600 کیلوگرم با سرعت 26/5 متر بر ثانیه در حال حرکت است. این اتوبوس به هنگام رسیدن به ایستگاه ترمز می‌کند و پس از طی مسافت 46 متر می‌ایستد. نیروی اعمال شده به آن پس از ترمز چقدر است؟

پاسخ:

برای حل این مثال دو راه حل وجود دارد.

راه اول:

از قضیه کار و انرژی استفاده می‌کنیم. بنابراین داریم:

Wnet=△K=12mv2f−12mv2i=12(4600)(0)2−12(4600)(26.5)2=1615175 J����=△�=12���2−12���2=12(4600)(0)2−12(4600)(26.5)2=1615175 �

کل کار انجام شده بر روی اتوبوس 1615175 ژول است. به منظور یافتن نیروی وارد شده بر اتوبوس از تعریف کار استفاده می‌کنیم:

W=FdF=Wd=161517546=35112.5N�=���=��=161517546=35112.5�

راه دوم:

این پرسش را می‌توان با استفاده از رابطه‌های حرکت بر خط راست به دست آورد:

v2−v20=2a△xa=v2−v202△x=(0)2−(26.5)22×(46)=7.633 ms2�2−�02=2�△��=�2−�022△�=(0)2−(26.5)22×(46)=7.633 ��2

بر طبق قانون سوم نیوتن داریم:

F=maF=(4600)×(7.633)=35112.5�=���=(4600)×(7.633)=35112.5

مثال دوم قضیه کار و انرژی

ماشینی با وزن 2200 کیلوگرم از حالت سکون از بالای سطح شیب‌داری با زاویه 20 درجه شروع به حرکت می‌کند. نیروی اصطکاکی به بزرگی 4000 نیوتن از طرف این سطح در خلاف جهت حرکت ماشین به آن وارد می‌شود. اگر سرعت حرکت ماشین در پایین سطح شیب‌دار برابر 4/2 متر بر ثانیه باشد، مسافت طی شده بر روی سطح را به دست آورید.https://beta.kaprila.com/a//templates_ver2/templates.php?ref=blog.faradars.org&id=string-3&t=string&notitle=1&w=760&h=150&theme=base%20none&cid=2995694,2994599,2994585&wr=special,smart,brother&pid=59

پاسخ:

از قضیه کار و انرژی استفاده می‌کنیم. سرعت اولیه ماشین برابر صفر است. بنابراین انرژی جنبشی اولیه آن برابر 0 خواهد بود. در پایان مسیر، سرعت حرکت ماشین برابر 4/2 ثانیه است. در نتیجه انرژی جنبشی آن برابر است با:

Kf=12mv2f=19404 J��=12���2=19404 �

در قضیه کار و انرژی، تغییرات انرژی جنبشی جسم به کار انجام شده توسط تمام نیروهای وارد شده بر آن مربوط می‌شود.

△K=FnetdWnet△�=�����⏟����

در اینجا فرض شده است که تمام نیروهای وارد شده بر جسم در جهت حرکت آن است.

موتور ماشین بالای سطح شیب‌دار خاموش است. بنابراین تنها نیروی موازی سطح شیب‌دار که بر آن وارد می‌شود برابر mgsinα��sin⁡� است (مولفه نیروی وزن موازی سطح شیب‌دار). نمودار جسم آزاد در زیر نشان داده شده است:

نیروهایی که در راستای سطح شیب‌دار بر ماشین وارد می‌شوند عبارتند از:

1. mgsinα��sin⁡�
2. fk��

نیروی کل وارد شده بر جسم از جمع برداری این دو نیرو به دست می‌آید:

Fnet=mgsinα−fk=(2200)(10)(0.34)−4000=3480 N����=��sin⁡�−��=(2200)(10)(0.34)−4000=3480 �

برای محاسبه مسیر طی شده توسط ماشین از قضیه کار و انرژی استفاده می‌کنیم:

△K=Fnet d19404−0=3480 × d⇒d=5.57 m△�=���� �19404−0=3480 × �⇒�=5.57 �

مثال سوم قضیه کار و انرژی

جعبه‌ای به جرم دو کیلوگرم توسط طنابی با نیروی 66 نیوتن از حالت سکون شروع به حرکت می‌کند. جعبه مسافت ده متر را بر روی سطح زبر طی می‌کند. اگر متوسط نیروی اصطکاکی برابر 25 نیوتن بر آن وارد شود، سرعت جعبه در انتهای مسیر ده متر چه مقدار است؟

پاسخ:

پرسش فوق را نیز با استفاده از قضیه کار و انرژی حل می‌کنیم.

در ابتدا نیروهای وارد بر جعبه را رسم می‌کنیم. همان‌گونه که در تصویر بالا دیده می‌شود دو نیرو در راستای حرکت جعبه بر آن وارد می‌شوند.

• مولفه موازی نیروی کشش طناب
• نیروی اصطکاک که در خلاف جهت حرکت جعبه بر آن وارد می‌شود.

با جمع جبری دو نیرو که در خلاف جهت یکدیگر هستند، نیروی کل وارد بر جعبه به دست خواهد آمد.

Ftot=F|| − fk=Fcosα − fk=66×cos32o − 25=31.1 N����=�|| − ��=����� − ��=66×���32� − 25=31.1 �

با استفاده از قضیه کار و انرژی داریم:

△=WnetK2−K1=FtotdK2−0=31.1×10⇒K2=311 J△=�����2−�1=������2−0=31.1×10⇒�2=311 �

انرژی جنبشی در انتهای مسیر محاسبه شد. با استفاده از فرمول انرژی جنبشی (K=12mv2�=12��2) سرعت جعبه در انتهای مسیر به دست خواهد آمد:

v=√2Km=√2×112�=2��=2×112

بنابراین سرعت جعبه در انتهای مسیر برابر 17/6 متر بر ثانیه است.

همان‌گونه که در مطالب بالا گفتیم انرژی به دو دسته کلی انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل تقسیم می‌شود. پس از آشنایی با مفهوم انرژی جنبشی، در ادامه در مورد انرژی پتانسیل توضیح می‌دهیم.

انرژی پتانسیل چیست ؟

هر نوع انرژی که می‌تواند برای استفاده در جسم ذخیره شود را انرژی پتانسیل می‌گوییم. انرژی پتانسیل ذخیره شده در جسم به مکان یا حالت جسم بستگی دارد. ماشین پارک شده بالای تپه یا لامپ خاموش شده از مثال‌های اجسام دارای انرژی پتانسیل هستند. این انرژی به انواع زیر دسته‌بندی می‌شود:

• انرژی پتانسیل گرانشی
• انرژی شیمیایی
• انرژی مکانیکی
• انرژی هسته‌ای قوی
• انرژی هسته‌ای ضعیف

فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ – مرور و حل تست در فرادرسکلیک کنید

انرژی توانایی انجام کار است اما برای انجام آن کار به انرژی نیاز است. انرژی پتانسیل می‌تواند به انرژی جنبشی تبدیل شود و کار انجام دهد (قضیه کار و انرژی). در این مطلب، از میان انرژی‌های پتانسیل مطرح شده، در مورد انرژی پتانسیل گرانشی توضیح می‌دهیم.

انرژی پتانسیل گرانشی چیست ؟

ناخودآگاه می‌دانیم آویزان بودن وزنه سنگین بالای سر فرد خطرناک است. در واقع نگرانی ما از انرژی پتانسیل گرانشی است.

تمام نیروهای پایستار انرژی پتانسیل دارند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که نیروی پایستار چیست. در ادامه ابتدا در مورد نیروی پایستار و سپس در مورد انرژی پتانسیل گرانشی توضیح می‌دهیم.

نیروی پایستار چیست ؟

همان‌گونه که در مطالب بالا بیان شد ‌‌کار انجام شده بر جسم به نیروی اعمال شده بر آن و مسافتی که طی می‌کند بستگی دارد. اگر کار انجام شده توسط نیروی ‌F به مسیر حرکت جسم بستگی نداشته و فقط به نقاط ابتدایی و انتهایی مسیر وابسته باشد، آنگاه ‌نیروی ‌‌F پایستار است.

مثال نیروی پایستار

جسمی به جرم ۶ کیلوگرم را در نظر بگیرید. نیروی گرانشی وارد بر جسم برابر است با:

mg=(5 kg)×(9.8 ms2)=49 N��=(5 ��)×(9.8 ��2)=49 �

اگر جسم به اندازه ۶ متر به سمت پایین حرکت کند، آنگاه کار انجام شده توسط گرانش به صورت زیر به دست خواهد آمد:

W=F d=(49 N)×(6 m)=294 J�=� �=(49 �)×(6 �)=294 �

اکنون حالت ۲ را در نظر بگیرید. فرض کنید جسم ۶ متر به سمت پایین و سپس ۶ متر به سمت بالا حرکت می‌کند. در پایان، بار دیگر جسم به اندازه ۶ متر به سمت پایین حرکت خواهد کرد. هنگامی که برای بار اول جسم به اندازه ۶ متر به سمت پایین حرکت می‌کند کار انجام شده بر روی آن برابر 294+ ژول است.

در حالت دوم، هنگامی که جسم به اندازه ۶ متر به سمت بالا حرکت می‌کند جهت نیروی گرانش در خلاف جهت حرکت خواهد بود. در نتیجه کار انجام شده بر روی جسم برابر 294- ژول است. بار سوم هنگامی که جسم به سمت پایین حرکت می‌کند کار انجام شده برابر 294+ ژول است. در نتیجه کل کار انجام شده توسط نیروی گرانشی برابر است با:

۲۹۴−۲۹۴+۲۹۴=+۲۹۴۲۹۴−۲۹۴+۲۹۴=+۲۹۴

مقدار به دست آمده برای کار در حالت دوم برابر با حالت اول است. بنابراین، کار انجام شده توسط نیروی گرانشی به مسیر طی شده توسط جرم بستگی ندارد. کار انجام شده توسط نیروی گرانشی تنها به نقاط ابتدایی و انتهایی مسیر حرکت بستگی دارد. از این رو نیروی گرانشی یک نیروی پایستار است.

رابطه انرژی پتانسیل گرانشی چیست ؟

همان‌گونه که در مثال بالا فهمیدیم نیروی وزن نیرویی پایستار است. در نتیجه دارای انرژی پتانسیلی به نام انرژی پتانسیل گرانشی است. این انرژی با علامت Ug�� نشان داده می‌شود.

جسمی به جرم‌ m را در نظر بگیرید که تا ارتفاع ‌h از سطح زمین بالا برده شده است.

همان‌گونه که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید نیروهای وارد شده بر جسم نیروی کشش طناب و نیروی وزن هستند. از آنجایی که جسم در ارتفاع ‌h در حال سکون قرار گرفته است، این دو نیرو با یکدیگر برابر و در خلاف جهت یکدیگر هستند. اگر g بزرگی شتاب جاذبه زمین باشد، کار انجام شده توسط نیروی گرانش به صورت زیر به دست می‌آید:https://beta.kaprila.com/a//templates_ver2/templates.php?ref=blog.faradars.org&id=string-4&t=related&col=4&title=%D8%A2%D9%85%D9%88%D8%B2%D8%B4%E2%80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8C%20%D9%BE%DB%8C%D8%B4%D9%86%D9%87%D8%A7%D8%AF%DB%8C&w=800&h=285&hover=000000&background=ffffff&cid=2995694,2994600,2994537,2994910&wr=special,smart,brother,brother&pid=60

Ug=Fg.h=mgh��=��.ℎ=��ℎ

در صورتی که شخص طناب را رها کند، جسم بر روی زمین می‌افتد و انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده در آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

نکته جالب در مورد انرژی پتانسیل گرانشی، انتخاب دلخواه نقطه مبداُ است. به بیان دیگر، در انتخاب مبداُ آزاد هستیم. برای راحتی کار، زمین یا میز آزمایشگاه به عنوان مبداُ انتخاب می‌شود. برخلاف انرژی جنبشی، مقدار انرژی پتانسیل می‌تواند منفی باشد.

تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی

انرژی پتانسیل گرانشی می‌تواند به شکل‌های دیگر انرژی مانند انرژی جنبشی تبدیل شود. اگر جسمی به جرم‌ m را از ارتفاع h رها کنیم، نیروی گرانشی مقدار کاری به اندازه mgh بر روی آن انجام خواهد داد.

اجسام سنگینی که در ارتفاع معینی بالای سطح زمین قرار گرفته‌اند، انرژی پتانسیل زیادی در خود ذخیره کرده‌اند. هنگامی که این اجسام رها می‌شوند، انرژی پتانسیل ذخیره شده به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. طبق قانون مهم پایستگی انرژی،‌ انرژی نابود نمی‌شود. طبق این قانون، در موقعیت ایده‌آلی با بازدهی ۱۰۰٪ انرژی، تمام انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده در جسم به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

شکل های مختلف انرژی چیست ؟

تاکنون با مفهوم انرژی چیست آشنا شدیم و آموختیم که انرژی به دو دسته کلی انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل تقسیم می‌شود. همچنین از میان انواع انرژی جنبشی و پتانسیل، انرژی جنبشی حرکتی و انرژی پتانسیل گرانشی توضیح داده شدند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است مهم‌ترین شکل‌‌های مختلف انرژی کدام است؟ در ادامه ۱۴ شکل مهم انرژی نام برده شده است:

شکل‌های مختلف انرژی
انرژی شیمیایی	انرژی الکتریکی	انرژی الکترومغناطیسی
انرژی گرانشی	انرژی گرمایی	انرژی آبی
انرژی مغناطیسی	انرژی هسته‌ای	انرژی تابشی
انرژی خورشیدی	انرژی صوتی	انرژی بادی و انرژی مکانیکی

تاکنون با مفهوم انرژی چیست آشنا شدیم. در ادامه انواع انرژی نام برده شده به اختصار توضیح داده می‌شوند.

تعریف انرژی شیمیایی

در مواد شیمیایی اتم‌ها با اتم‌ها و مولکول‌ها با مولکول‌های دیگر، توسط پیوند شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند. انرژی شیمیایی در این پیوندها ذخیره شده است. در نتیجه انرژی شیمیایی نوعی انرژی پتانسیل است (انرژی ذخیره شده در جسم). هنگامی که واکنش شیمیایی رخ می‌دهد، انرژی شیمیایی ذخیره شده آزاد می‌شود. به طور معمول گرما یکی از محصولات جانبی واکنش شیمیایی است. به این نوع واکنش شیمیایی واکنش گرمازا می‌گوییم.

تعریف انرژی الکتریکی

همان‌گونه که در توضیحات بالا گفته شد به انرژی ذخیره شده در جسم به دلیل موقعیت آن، انرژی پتانسیل گفته می‌شود. در مورد انرژی الکتریکی، جسم ذره باردار و موقعیت آن، مکان قرار گرفتن این ذره در میدان الکتریکی است. ذره باردار به دلیل نیروی حاصل از میدان الکتریکی حرکت می‌کند یا کار انجام می‌دهد.

تعریف انرژی الکترومغناطیسی

انرژی الکترومغناطیسی انرژی است که توسط امواج الکترومغناطیسی حمل می‌شود. این انرژی به شکل امواج مغناطیسی و الکتریکی از اجسام منتشر می‌شود. امواج رادیویی، فروسرخ، نور مریی، نور فرابنفش و اشعه ایکس مثال‌هایی از انرژی الکترومغناطیسی هستند.

تعریف انرژی گرانشی

انرژی پتانسیل گرانشی در مطالب بالا توضیح داده شده است.

تعریف انرژی گرمایی

انرژی موجود در سیستم که مسئول دما است انرژی گرمایی نامیده می‌شود. به انتقال گرما حرارت گفته می‌شود. شاخه‌ای از فیزیک به نام ترمودینامیک در مورد چگونگی انتقال گرما بین اجسام مختلف و کار انجام شده بحث می‌کند.

تعریف انرژی آب

امواج آب دریا یا رودخانه‌ها دارای انرژی جنبشی هستند.در نتیجه این انرژی را به شکل‌های دیگر انرژی تبدیل و از آن‌ها در زندگی روزمره استفاده می‌کنند.

تعریف انرژی مغناطیسی

هر میدان مغناطیسی دارای انرژی است که به آن انرژی مغناطیسی می‌گوییم. انرژی مغناطیسی شکلی از انرژی است که توسط ذرات باردار متحرک ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، ژنراتورها با استفاده از انرژی مغناطیسی کار می‌کنند.

تعریف انرژی هسته ای

به انرژی ذخیره شده در هسته‌های اتم‌ها انرژی هسته‌ای گفته می‌شود. با استفاده از انرژی هسته‌ای می‌توان الکتریسسته تولید کرد. انرژی هسته‌ای به هنگام جداسازی اتم‌ها در رآکتور آزاد می‌شود.

تعریف انرژی تابشی

انرژی تابشی همان انرژی الکترومغناطیسی است که به وسیله امواج الکترومغناطیسی مانند نور یا اشعه ایکس حمل می‌شود.

تعریف انرژی خورشیدی

از نور و گرمای خورشید برای تولید انرژی پاک یا سبز استفاده می‌شود. بیشترین مقدار انرژی خورشیدی در پنل‌های خورشیدی یا سلول‌های فتوولتائیک ذخیره ‌می‌شود. ذکر این نکته مهم است که انرژی خورشیدی نامتناهی است و جزو دسته انرژی‌های تجدیدپذیر محسوب می‌شود.

تعریف انرژی صوتی

هنگامی که جسمی با اعمال نیرویی به ارتعاش در می‌آید، انرژی صوتی ایجاد می‌شود. انرژی صوتی پس از تولید به صورت موج داخل ماده منتقل می‌شود.

تعریف انرژی بادی

انرژی بادی به انرژی الکتریکی یا الکتریسیته تبدیل می‌شود. برای این کار نیاز به ساختن مزرعه بادی بر روی زمین یا در دریای آزاد است. مزرعه بادی از تعدار زیادی توربین تشکیل شده است.

تعریف انرژی مکانیکی

انرژی مکانیکی انرژی است که به دلیل حرکت یا موقعیت در جسم وجود دارد. به بیان دقیق‌تر انرژی مکانیکی جمع انرژی جنبشی‌ (انرژی ناشی از حرکت) و انرژی پتانسیل (انرژی ذخیره شده در جسم) است. در صورتی که مقاومت هوا یا نیروی اصطکاک بین سطوح را نادیده بگیریم، انرژی مکانیکی جسم همواره ثابت خواهد ماند.

قانون پایستگی انرژی چیست ؟

هنگامی که دو ماشین با یکدیگر برخورد می‌کنند، انرژی از ماشینی به ماشین دیگر منتقل می‌شود. در نتیجه این انتقال انرژی، هر یک از ماشین‌ها پس از برخورد در خلاف جهت حرکت اولیه جابجا می‌شوند. همچنین هنگامی که ماشین در حال حرکتی به ماشین پارک شده‌ای برخورد می‌کند، انرژی منتقل شده از ماشین متحرک به ماشین پارک شده آن را به سمت جلو حرکت می‌دهد.

هنگامی که به توپی ضربه وارد می‌کنیم، انرژی از پای ما به توپ منتثل می‌شود و توپ به حرکت در می‌آید. همچنین، انرژی پتانسیل گاز یا نفت به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. تمام مثال‌های مطرح شده نشان می‌دهد که انرژی در جهان از بین نمی‌رود، به وجود نمی‌آید، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. ولی سوالی که مطرح می‌شود آن است که انرژی را از کجا می‌توان پیدا کرد.

انرژی از کجا می‌آید ؟

در جهان دو منبع اصلی انرژی وجود دارد:

• سوخت‌های فسیلی
• منابع انرژی تجدیدپذیر

سوخت های فسیلی چیست ؟

سوخت‌های فسیلی شامل زغال‌سنگ، نفت، گاز طبیعی و مشتقات نفتی هستند. کربن پایه اصلی تمام سوخت‌های فسیلی است. این منبع‌های عنوان شده در هوا می‌سوزند و تولید گرما می‌کنند. از گرمای تولید شده یا به صورت مستقیم برای مصارف خانگی یا برای تولید بخار برای به راه انداختن ژنراتورها در کارخانه‌ها استفاده می‌شود.

مصرف سوخت‌های فسیلی از آغاز انقلاب صنعتی در انگلستان در نیمه دوم قرن نوزدهم همواره افزایشی بوده است. تا امروز، بیش از 80 درصد انرژی این منابع توسط کشور‌های صنعی و توسعه یافته مصرف شده است. باید به این نکته توجه کرد که منابع سوخت‌های فسیلی رو به اتمام است و جهان با کمبود انرژی در سال‌های پیش رو مواجه خواهد شد. علاوه بر دسترسی محدود به این منابع، آلودگی محیط زیست ناشی از این منابع نیز نباید فراموش شود.https://beta.kaprila.com/a//templates_ver2/templates.php?ref=blog.faradars.org&id=string-5&t=string&notitle=1&w=760&h=150&theme=base%20none&cid=2995790,2995564,2994566&wr=special,smart,brother&pid=61

دی‌اکسیدکربن یکی از مهم‌ترین و اصلی‌ترین محصولات جانبی مصرف سوخت‌های فسیلی است. مصرف روزافزون این سوخت در صنایع، حمل‌ و نقل و ساخت وساز مقدار بسیار زیادی CO2��2 به جو زمین اضافه کرده است. در قرن ۱۸ میلادی غلظت CO2��2 موجود در جو بین 275 و 290 قسمت در میلیون حجم (ppmv) متغیر بود. اما این مقدار در سال ۲۰۱۸ به عدد 412 افزایش یافت (تصویر نشان داده شده در ادامه). CO2��2 به صورت گاز گلخانه‌ای عمل می‌کند. در واقع، این گاز اشعه فروسرخ (کل انرژی گرمایی) تابیده شده از سطح زمین را جذب و دوباره به سطح زمین می‌تاباند. بنابراین، مقدار زیاد CO2��2 در جو زمین یکی از دلیل‌های اصلی گرم شدن کره زمین است.

گاز متان یکی از تشکیل‌دهنده‌های اصلی گاز طبیعی است. غلظت این گاز در جو زمین از مقدار 722 قسمت در میلیارد (ppb) در سال 1750 به 1859 ppb در سال 2018 افزایش یافت. به منظور کاهش میزان تولید گازهای گلخانه‌ای بسیاری از کشورهای جهان در تلاش هستند با جایگزینی راه‌های دیگر، وابستگی خود به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند.

همان‌گونه که در توضیحات بالا گفتیم سوخت‌های فسیلی به عنوان یکی از منابع تامین انرژی بسیار محدود است. همچنین استفاده از این سوخت‌ها منجر به تولید مقادیر زیادی گازهای گلخانه‌ای در جو زمین شده است. علاوه بر این دو مساله، مشکل سومی به نام افزایش جمعیت جهان نیز وجود دارد.

در نتیجه، جهان در آینده‌ای نزدیک با بحرانی به نام بحران انرژی مواجه خواهد شد. استفاده از منابع انٰرژی تجدیدپذیر مانند انرژی بادی و انرژی خورشیدی یکی از این راه‌های جایگزین سوخت‌های فسیلی و کمک به مشکل بحران انرژی در آینده نزدیک است.

منابع انرژی تجدید پذیر

منبع انرژی تجدیدپذیر یا انرژی تمیز، مانند خورشید، به منبعی گفته می‌شود که پایان‌ناپذیر است و تمام شدنی نیست. همچنین آلودگی زیست‌محیطی ناشی از این منابع نسبت به سوخت‌های فسیلی بسیار کمتر است. محبوب‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر عبارتند از:

• انرژی خورشیدی
• انرژی بادی
• انرژی آبی
• انرژی زمین گرمایی
• انرژی جزر و مد
• انرژی زیست‌توده

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا سوخت‌های فسیلی منبع انرژی تجدیدپذیر نیستند. زیر منابع سوخت فسیلی نامحدود نیستند. همچنین، آن‌ها منبع اصلی تولیدکننده گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسیدکربن هستند.

آینده انرژی تجدیدپذیر

با افزایش جمعیت جهان، تقاضا برای انرژی به منظور انجام کارهای روزمره و تامین سوخت صنایع افزایش یافته است. گسترش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر یکی از بهترین‌ و مطمئن‌ترین راه‌های تاُمین انرژی و حفظ زمین از تجمع گازهای گلخانه‌ای است.

امروزه ۲۶ درصد الکتریسیته جهان از منابع انرژی تجدیدپذیر تاُمین می‌شود. اما بر طبق سازمان جهانی انرژی انتظار می‌رود این عدد به 30 درصد تا پایان سال 2024 افزایش یابد.

در آینده، با افزایش روز‌افزون تقاضا برای انرژی تعداد منابع تجدیدپذیر انرژی نیز افزایش خواهد یافت.

تولید انرژی از زباله

همان‌گونه که گفتیم با افزایش جمعیت جهان و دسترسی محدود به انرژی، انسان به فکر راه‌های مناسب مانند تولید انرژی از زباله برای تاُمین انرژی است. در سال‌های اخیر، تولید انرژی گرمایی یا الکتریکی از زباله به منظور استفاده در خانه‌ها و شغل‌های مختلف بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

مراحل تولید الکتریسیته از زباله در ادامه گفته شده است:

1. زباله از داخل سطل زباله به چاله بزرگی ریخته می‌شود.
2. زباله‌ها به محفظه احتراق منتقل می‌شوند.
3. از سوزاندن زباله‌ها گرما تولید می‌شود.
4. گرمای تولید شده موجب تبدیل شدن آب به بخار در دیگ بخار می‌شود.
5. بخار با فشار بالا تیغه‌های توربین را به منظور تولید برق به حرکت درمی‌آورد.
6. سیستم کنترل آلودگی هوا آلاینده‌های حاصل از احتراق را حذف می‌کند.
7. خاکستر تولید شده در دیگ بخار و سیستم کنترل آلودگی جمع می‌شود.

معرفی فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله 

مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله برای دانش‌جویان سال اول علوم پایه و فنی مهندسی کرده که این مجموعه آموزشی از هفت درس تشکیل شده است.

در درس یکم مبحث اندازه‌گیری، دستگاه جهانی و تبدیل یکاها، مفاهمی مانند طول، زمان و جرم، و ارقام معنی‌دار تدریس می‌شود. مباحث مربوط به بردارها، کمیت نرده‌ای، جمع و تفریق برداری به روش نموداری، تجزیه بردارها و ضرب داخلی و خارجی آن‌ها در درس دوم آموزش داده خواهد شد. با حرکت در یک و دوبعد و همچنین مبحث فیزیک دینامیک در درس‌های سوم تا پنجم آشنا می‌شوید.

درس ششم در مورد کار و انرژی است. در این مطلب در مورد انرژی صحبت شد و به پرسش انرژی چیست پاسخ داده شد. همچنین در مورد انواع انرژی‌ها به اختصار توضیح داده شد. پس از دیدن درس ششم با تعریف کار با جرییات بیشتری آشنا خواهید شد و با کار دو نیروی گرانشی و نیروی فنر آشنا خواهید شد. در ادامه تعریف کار را در دو و سه‌بعد فرا خواهید گرفت. در پایان، با انرژی مکانیکی و پایستگی انرژی بیشتر آشنا می‌شوید.

مباحث مربوط به گرما و دما، روابط دما، قانون صفرم ترمودینامیک، قانون اول و دوم ترمودیننامیک، و آنتروپی در درس هفتم آموزش داده می‌شود.

سوالات متداول پیرامون انرژی

تاکنون با مفهوم انرژی چیست و انواع انرژی‌ها آشنا شدیم. در ادامه به بعضی سوالات جالب در زمینه انرژی پاسخ داده می‌شود.

 آیا می‌توان از جاذبه زمین به عنوان منبع نامحدود برای تامین انرژی استفاده کنیم ؟

پاسخ به پرسش بالا خیر است. از جاذبه زمین نمی‌توان به عنوان منبع نامحدود برای تاُمین انرژی استفاده کرد. در حقیقت، جاذبه به تنهایی نمی‌تواند به عنوان منبعی برای انرژی استفاده شود. در اینجا مفهوم نیرو با انرژی اشتباه گرفته شده است. انرژی ویژگی اجسام است در حالی که نیرو به عنوان برهم‌کنش بین اجسام تعریف می‌شود. نیرو راهی برای انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر به هنگام برهم‌کنش است. جاذبه زمین نیرو است، در نتیجه راهی برای انتقال و تبادل انرژی بین اجسام است.

فرض کنید توپی را به بالای تپه می‌برید و آن را به سمت پایین هل می‌دهید. توپ با سرعت به سمت پایین تپه حرکت می‌کند. این‌گونه به نظر می‌رسد که توپ انرژی کسب کرده است. آیا جاذبه زمین به توپ انرژی داده است؟ خیر. هنگامی که توپ به بالای تپه منتقل می‌شود انرژی از ماهیچه به توپ منتقل می‌شود.