Enerji,Enerjinin Korunumu Prensibi Ödevi

ENERJİ NEDİR?

 

     Enerji; iktisatçılar için yakıt anlamına gelen, fen adamları için ise varoluşun temel şekillerinden biri olup madde ile eşdeğer olan ve maddeye dönüştürülebilen bir kavramdır. Kütle-enerji denkliği Einstein denkleminde E=mc2 olarak ifade edilmiştir. Burada;m kütleyi, E bunun enerji eşdeğerini göstermekte, c ise elektromanyetik sabit (ışık hızı)’i simgelemektedir. Bu sabit çok büyük bir sayı olduğundan çok küçük bir kütle parçası bile, çok büyük miktarda enerjiye eşdeğer olmaktadır. Ancak bu yalnızca nükleer reaksiyonlarda gerçekleşen bir enerjidir ve kütlenin enerjiye dönüşümü yıldızlar için önemli bir enerji kaynağı oluştursa bile;bu olay yeryüzündeki fiziksel olaylarda bu denli önemli rol oynamamaktadır(nükleer güç istasyonları dışında.). Kütle-enerji korunmasıyla ilgili kanun evrendeki ya da evrenin bir bölümünü oluşturan soyutlanmış (izole) bir sistemdeki toplam kütle-enerji miktarının değişmez olduğunu belirtmektedir. Hiçbir nükleer reaksiyonun olmadığı izole bir sistemde bu; hem enerjinin hem de kütlenin toplam miktarlarının değişmez olduğu anlamına gelir. Bu nedenle enerji, genelde korunmuş durumdadır.

     Enerji, birbirine eşdeğer birçok şekillerde ortaya çıkabilir. Bunlardan en sık olarak rastlananı ısıdır, yani madde moleküllerinin hareketidir. Öteki tüm enerji çeşitleri, eninde sonunda ısı hareketlerine dönüşme eğilimi taşırlar. Bir diğer enerji şekli de, elektronların hareketi olan elektriktir. Elektronların hareketi elektromanyetik alan yaratır ve böylece elektromanyetik enerji oluşur. Makroskobik cisimler hareket ettiklerinde, bu hareketleri nedeni ile bir enerji taşırlar. Bu enerji, onların KİNETİK ENERJİleridir ve ½ mV2 formülüyle hesaplanır. Burada; m kütleyi, V ise hareket hızını gösterir. Hareketli bir cismin hızını değiştirmek ya da duran bir cismi harekete geçirmek için ona bir kuvvet uygulanmalı ve bir iş yapılmalıdır. Bu iş, cismin kinetik enerjisindeki değişikliğe eşittir. Fizikçilerin ilk enerji tanımlamalarından biri bu özellikten kaynaklanır. Bu tanımlamaya göre iş: ‘İş yapabilme yeteneği’dir. İş karşı koyan bir kuvvete karşı yapılırsa sistemde POTANSİYEL ENERJİ birikir ve bu her zaman serbest kalmaya hazırdır. Bu engelleyici kuvvet elektromanyetik, elektrostatik nitelik taşıyabilir ya da burucu veya gerici bir kuvvet olabilir. Yeryüzünde m kütlesine sahip bir cisim h yüksekliğine kaldırılacak olursa, bunun yerçekim potansiyel enerjisi mgh formülüyle hesaplanır. Burada; g yerçekimine bağlı ivmedir. Eğer cisim bu yükseklikteyken bırakılırsa düşer ve V hızıyla yere çarpar. Burada az önce sahip olduğu potansiyel enerji, ½ mV2 ile hesaplanan kinetik enerjiye dönüşmüştür. Ses enerjisi, havanın titreşimi şeklindeki bir kinetik enerjidir. Kimyasal enerji, bir reaksiyonun yürüyüşü sırasında kimyasal bir sistemden açığa çıkan enerjidir. Tüm enerji şekilleri eşdeğer olmakla birlikte, dönüşüm olaylarında daima % 100 verim elde edilemez (Ortaya çıkan enerji kaçağı, her zaman ısı olarak görülür.). SI sisteminde enerji birimi, joule’dür.

 

ENERJİNİN KORUNUMU PRENSİBİ

 

     Enerji kendi kendine var olamaz, var olan enerji ise kendi kendine yok olamaz. Fakat bir tür enerjiden başka bir tür enerjiye dönüşebilir. Örneğin; barajlarda toplanan su önce potansiyel enerji kazanır, sonra kinetik enerjiye, daha sonra elektrik enerjisine, oradan da mekanik, ısı ve ışık enerjisine dönüşebilir.

     Toplam enerji daima sabittir. Toplam enerjinin sabit olması demek, bir tür enerji azalırken başka bir tür enerji ya da enerjilerin aynı miktarda artması demektir.

Sürtünmelerin ihmal edildiği mekanik sistemlerde kinetik ve potansiyel enerjinin toplamı sabittir. Yani mekanik enerji korunur.

 

                                                     EToplam = EK + EP = sabit

 

  Sürtünme olmadığı zaman, enerji dönüşümü yalnız kinetik ve potansiyel enerji  arasındadır.                                           

Sürtünmeli sistemlerde mekanik enerji ( Ek + Ep ) sabit değildir. Toplam enerjinin bir kısmı sürtünmeden dolayı ısıya dönüşmektedir. Isıya dönüşen enerji sürtünme kuvvetinin yaptığı işe eşittir.

 

                                         EToplam  = EK + EP + E Isı

 

ELEKTRİK ENERJİSİ VE MANYETİK ENERJİ

    

     Fizikteki anlamıyla enerji, bütün kuvvet, hareket, ısı, elektrik ya da manyetik alan belirtileriyle bağlantısı olan soyut bir kavramdır. Enerji kavramı, mekanikte, önce, bir cismin belli miktarda bir iş üretmesi olarak düşünülmüş, daha sonra ısının işe (ve işin ısıya) dönüşmesi, ısının ısı enerjisiyle bir tutulması sonucunu vermiş, aynı biçimde elektrik alanlarına ve manyetik alanlara, elektrik enerjisi ile manyetik enerjiden başlayarak iş üretebilen kuvvetlerin denk düştüğü anlaşılmıştır.

 

ELEKTRİK ENERJİSİ

    

     Elektriklenmiş iki cismin birbirini çekmesi ya da itmesi, bir elektrik enerjisinin varlığını gösterir. Bu olay, elektrik alanının ve elektrik potansiyelinin tanımlanmasını sağlamıştır. Bir elektrik alanında, aralarında bir V potansiyel farkı olan iki nokta arasında bir q elektrik yükü yer değiştirdiğinde, verilen ya da alınan W enerjisi (hareketin yönüne göre), W=qV  olur. Böylece bir noktadan öbürüne geçen bir elektron, bu noktalar arasında 1 voltluk bir potansiyel fark uygulandığında, 1 elektron-voltluk (yani 1,6*10-19 coulomb*1volt = 1,6*10-19 joule) bir enerji kazanır. Bir V potansiyel farkı altındaki c sığalı bir kondansatörün yüklenmesi, iki armatür arasında bir E elektrik alanı yaratmaktan başka bir etki olmaksızın, W=1/2cV2 ‘lik bir enerji harcaması gerektirir.

                                          

MANYETİK ENERJİ

 

    Mıknatısların birbirini çekmesi ya da itmesi bir manyetik enerjinin varlığını gösterir. Akımlarla manyetik alanların üretilmesi ya da manyetik alanların ve akımların karşılıklı etkisi, elektrik enerjisi ve manyetik enerji arasında sıkı bir bağlantı olduğunu ortaya koyar.

    Elektromanyetik olaylar, özellikle motorlarda, elektrik enerjisinin kolaylıkla mekanik işe dönüşmesini sağlarlar. Özindükleme katsayısı (indüktans) L olan bir bobin akımının I şiddetinde olması için W=1/2LI2  enerjisine, yani bir B manyetik alanı doğuracak harcamaya gereksinim vardır. Bu enerji, kondansatörün boşaltılmasıyla ya da bobinden geçen akımın kesilmesiyle geri alınabilir.

 

    Işığın elektromanyetik kuramı, ışınımların, elektromanyetik enerji adı verilen bir enerji (ışıma enerjisi) taşıyarak yayılan elektromanyetik dalgalar olduğunu göstermiştir. Çağdaş kuramlarsa, Einstein’ın yaptığı gibi, ışığın taneciksel ve dalgalı iki görünümü bulunduğunu kabul etmekte ve her bir fotona bir hv enerjisi ya da enerji kuvantumu maletmektedirler; burada, h Planck değişmezini (h = 6,62*10-34 j.s), v de göz önüne alınan ışınımın frekansını gösterir. Yıldızların yaydığı enerji olağanüstü büyüklüktedir; sözgelimi, Güneş yılda 1034 joulelük bir enerji yayar; bu, yaklaşık 3.1027 kWs (saatte 3 milyar kere milyar kere milyar kilowatt ) eder; bu da kütle ile enerji arasındaki eşdeğerliliğin gösterdiği gibi, yılda 1014 tonluk bir kütle yitimine denk düşer. Nitekim, bağıllık kuramı, bir cismin hızını arttırmak için harcanan işin,aynı zamanda cismin kütlesinin de artmasını sağladığını ortaya koymaktadır. Einstein, elektronun hareketlerini göz önüne alarak, eylemsizliğin elektromanyetik kökenli olduğunu göstermiştir: Bir cismin kinetik enerjisindeki dW artışı, kütlesindeki dm artışı ile ışığın co hızının karesi ile çarpımına eşittir; dW= dm.co2 . Buradan, m kütlesinin W/co2 enerjisine eşit olduğu çıkar; dolayısıyla bir gramlık herhangi bir madde, 25 milyon kWs’e eşdeğerdir.

 

FİZİKSEL ENERJİ

 

     İş üretebilen sistemlerde enerji var demektir. Bu enerji kavramı fiziğin bütün dallarında, çeşitli biçimlerde ortaya çıkmış, ama açıklığa kavuşması yavaş yavaş olmuştur.

     İnsan ister kendi çıkarına kullanmak için bazı doğal kaynaklardan yararlan-maya çalışmış olsun, ister kendi çalışma zorluklarını azaltmayı aramış olsun, enerji önce, en gözle görünür haliyle, mekanik iş biçiminde ortaya çıkmıştır. Dağlardan vadilere inen su, bir iş üretebilir. Vinç, makara, kaldıraç gibi yalın makineler de daha az emekle, insanın kas gücünü arttırabilir. Ama bütün bunlar karşılıksız olmaz ve kuvvette kazanılan, aşılan yolda yitirilir: İş bir kuvvetle bir yer değişikliğinin çarpımıdır. Dolayısıyla, bütün fiziğe egemen olan enerjinin korunumu yasası, özellikle işin korunumu biçiminde ortaya çıkar.

 

ENERJİNİN KORUNUMU

 

     Yalın makineler iş üretemezler; bu iş, onları çalıştıran işçi ya da motor tarafından sağlanır. Söz konusu makineler yalnızca, işi bütünüyle koruyarak görevi kolaylaştırırlar. Bu koruma ancak, sistem değişmez hızla çalışıyorsa açıkça gözlenir; sözgelimi, bir vincin çalışmaya başlamasıyla bazen iş ortadan kalkar ama yok olmaz: Vincin durmasıyla iş yeniden ortaya çıkar. Olay, makinenin hızlanmasının başlangıç evresinden yararlanmak yoluyla işi depolaması ve yavaşlama anında onu yeniden geri vermesi biçiminde gelişir. Böylece, enerji kavramı, somut bir sistem içinde depolanan iş biçiminde ortaya çıkar. Durumu daha yakından inceleyen fizikçiler, gerçekte işin aşağı yukarı her zaman kesin olarak yok olduğunu anlamışlardır. İşin korunumu tam anlamıyla doğrulanmamıştır; yalnız,iş ortadan kalktığında ısı ortaya çıkmaktadır. Yitirilen işin sonucu olarak bu ısının ortaya çıktığını görmek ve yitirilen aynı bir iş için her zaman aynı miktarda enerjinin ortaya çıkıp çıkmayacağını aramak çekici gelmiş, kalorinin mekanik eşdeğerinin, işin ısıya, ısının da işe dönüşmesinin incelenmesiyle, XIX. yüzyılın başında, Joule ve Carnot’nun temellerini atmış oldukları termodinamik doğmuştur.

 

İÇ ENERJİ

 

     Enerjinin korunumu yasasının tam anlamıyla doğrulanması için, ayrıca, iç enerji kavramından yararlanmak gerekir. Sudan buhara geçişte olduğu gibi, bazı dönüşümlerde iş, görünür hiçbir değiş-tokuş olmaksızın yiter; ama burada da gerçek bir yok olma söz konusu değildir. İş, değişmekte olan sistemin kendi içinde depo edilir; depolana bu iş, iç enerji denilen enerjidir. Enerjinin uygulamalı kullanımı için makroskobik sistemler arasındaki alışverişler göz önüne alınırsa, bu sistemlerin mikroskobik bir iç yapıları bulunur: Molekül yapısı. Bir sistemin iç enerjisi, söz konusu mikroskobik yapıya ilişkin enerjidir: Taneciklerin kinetik enerjisi ve tanecikler arasındaki etkileşmeye bağlı olan potansiyel enerji.

     XX. yüzyılın başına kadar fizikçiler enerjinin korunumu yasasından geniş ölçüde yararlanırken, kimyacılar da bir ‘korunum yasası’ndan (Lavoisier’in ‘Hiçbir şey yok olmaz, hiçbir şey yaratılmaz.’ sözüyle dile getirdiği yasa) kütlenin korunumu yasasından yararlanmaktaydılar. Bununla birlikte, ağır bir atom çekirdeğinin fisyonu, büyük bir hızla ve bunun sonucu olarak yüksek bir kinetik enerji taşıyarak kaçan hafif çekirdeklerin doğuşuna yol açar. Oysa, fırlatılan kütlelerin toplamı, başlangıçtaki ağır çekirdeğin hareketsiz kütlesinden küçüktür. Einstein, kütle ve enerjinin eşdeğerliliğini kabul ederek, yiten kütleyi açıklamakla kalmamış, ayrıca iki büyük korunum yasasının olağanüstü bireşimini de gerçekleştirmiştir. Yalıtılmış bir sistem için, kütle ile enerjinin toplamı değişmezdir. Kütle ile enerji arasındaki eşdeğerlik Einstein’ın şu bağıntısıyla verilir: E = mc2 ; burada, m göz önüne alınan hızla hareket eden taneciğin kütlesi, c de ışık hızıdır. Dolayısıyla, madde, kendi içinde akıl almaz derecede büyük miktarda enerji bulundurmaktadır. Ayrıca, bu enerjiyi serbest bırakabilmek, sonra da debisini denetleyebilmek gerekir. Hidrojenin kaynaşma tepkimesi için bu gerçekleşememiştir; çünkü hidrojen için enerji bir kez serbest bırakılınca, henüz ancak hidrojen bombasının yıkıcı gücü olarak kullanılabilir. Uranyum atomunun nötronlarla bombardımanıyla gerçekleştirilen uranyumun fisyonuysa, denetlenebilmekte ve nükleer santrallerde kullanılan atom pillerinin temel mekanizmasını oluşturmaktadır.

 

  Yer de bir gezegen olarak, çok büyük bir enerji kaynağıdır; dönüşünün neden olduğu kinetik enerji. Burada da zorluk, söz konusu enerjiyi kullanma olanağından kaynaklanır; çünkü insanlar Yer’in dönüşüyle birlikte sürüklenmektedirler. Buna karşılık, Ay’ın ve fiziksel bir olay olan yerçekiminin varlığı söz konusudur. Gelgitler ve gelgit hareketlerindeki güce dayalı santraller de bundan kaynaklanmaktadır.

 

KİMYASAL ENERJİ

 

     Tepkimeye yatkın bir ortam, mekanik, ısı, elektrik, ışık, vb. biçimindeki enerjiyi soğurabilir ya da üretebilir.

 

Yanma olaylarında, kimyasal enerji kullanılmakta ve mekanik enerjiye, ısıl enerjiye ya da başka bir enerji biçimine dönüştürülmektedir. Isı verici güç, yani tepkime ısısı, yanıcı maddenin birim kütlesine orantılı olarak kullanılır. Patlayıcı tepkimelerde, enerjinin büyük bir bölümü mekanik iş halinde, geri kalanıysa ısı halinde ya da ışıma enerjisi olarak açığa çıkar. Pillerde ve akümülatörlerde, kimyasal enerji doğrudan elektrik enerjisi üretir; buna karşılık, bir elektroliz tepkimesi, böyle bir elektrik enerjisini harcar. Havadaki karbon dioksit gazının klorofile dönüşmesi, ışık enerjisinin soğurulması olmadan gerçekleşmezken, fosforlu maddeler, kimyasal değişmelere uğrayarak ışık yayarlar. Dolayısıyla, kimyasal enerjetik, her biri belli bir enerji biçiminin alışverişini konu edinen, çok sayıda dal içerir.

 

MEKANİK ENERJİ VE ISI ENERJİSİ

 

     Dış ortama iş sağlayabilen bir sistemin enerjisi vardır.  Böyle bir sistemde, bütünün hareketleri ya da cismin çeşitli bölümleri arasındaki etkileşmeler mekanik enerji kaynağı oluştururlar. Isı enerjisiyse, sistemi oluşturan taneciklerin, öz hareketlerinden kaynaklanır.

 

MEKANİK ENERJİ

 

     Bir sistemin mekanik enerjisi, sağlayabildiği işe dayanarak ölçülür. Bu kavram, insan işi kavramına, yani bir kütlenin, bir güç harcanarak, yerinin değiştirilmesine denk düşer. Dinamik bilimi, bir F değişmez kuvvetinin, başlangıçta hareketsiz halde bulunan bir m kütleli cisme uygulandığında, ona, ivmesi, genellikle g ile gösterilen bir hareket ilettiğini gösterir. Bu kuvvetin, güç etkisinin çizgisi doğrultusunda, x uzunluğundaki bir yer değiştirme sırasında ürettiği iş, tanım olarak W = Fx ‘e eşittir. Bu cisim, ideal koşullarda (hiçbir sürtünme yoksa), alınan işi geri verebilir. Gerçekten, eylemsizlik sayesinde koruyacağı bir V hızıyla kendi haline bırakılmış olan bu cisim, bir çarkla bağlanmış bir palete çarparsa, bu çarkı döndürecektir; dolayısıyla bir enerjisi vardır. Hareketin yol açtığı bu enerji, kinetik enerji diye adlandırılır ve E=mV2 bağıntısıyla hesaplanır. Bu bağıntıda m cismin kütlesi, V de hızıdır.

     Zemin üstüne bırakılmış ağır bir bilye, serbest düşüş nedeniyle ya da ağırlığından dolayı, eğik bir düzlem boyunca yuvarlanarak, bir hız kazanabilir. Yer’e göre olan konumu yüzünden, bilye, potansiyel enerji adı verilen bir enerji birikimi taşır ve bu enerjinin, statik bir özelliği vardır. Sistem tarafından depolandığında, onun biçimiyle birlikte değişir: Yer-bilye uzaklığı azaldığında, potansiyel enerji de, aynı biçimde azalır. Buna, sistemin iki bölümü arasındaki etkileşme neden olur. Böylece, iki elektrik yükü, iki mıknatıs, iki gezegen arasında, elektrik, manyetik ya da çekim potansiyel enerjilerinin tanımlanmasını sağlayan kuvvetler etki eder. Gerilmiş bir yayda da, onu oluşturan moleküller arasındaki ‘esnek’ etkileşmelerin neden olduğu bir potansiyel enerji vardır. Bu son örnek, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye, kinetik enerjinin de potansiyel enerjiye kolayca dönüştürülebileceğini gösterir. Bir sistemin mekanik enerjisi, kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına eşittir. Yalıtılmış bir sistem söz konusu olduğunda, bu toplam değişmezdir; yalıtılmış sistemlerde mekanik enerjinin korunması, fiziğin temellerinden birini oluşturur. Bu, cisimlerin hareketini ve dalgaların yayılmasının incelenmesini sağlar. Böylece, sesin, gaz içinde iletilmesi, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüşmesine denk düşen art arda sıkışmalar ve genleşmelerden kaynaklanır.

 

ISI ENERJİSİ

 

     Isı, çok sayıda fizik olayında ortaya çıkar. Joule’ün, kalorinin mekanik eşdeğerini ölçtüğü 1845 yılından bu yana, ısının, potansiyel enerji ya da kinetik enerjiyle aynı nitelikteki bir enerji biçiminden başka şey olmadığı bilinmektedir. Demek ki, bir sistemin toplam mekanik enerjisini hesaplamak için, ısı enerjisini de göz önünde bulundurmak gerekir. Akışkanlardaki enerji alışverişlerini ve itici kuvvete dönüşümü inceleyen termodinamik, sistemler bütününün hareketleriyle ilgilenmez. Bu durumda kinetik enerji sıfırdır ve bir akışkanın DU iç enerji değişikliği, akışkana sağlanan iş ile bu akışkana verilen ısının toplamı olarak tanımlanır. Termodinamiğin birinci ilkesi, bu anlatımı, DU = W+Q bağıntısıyla açıklar. Burada, W dış ortam ile değiş tokuş edilen işi, Q ise ısı alışverişlerini simgelemektedir. Isı vererek iş elde etmek için, Carnot, iki ısı kaynağının gerektiğini göstermiştir: Akışkan, sıcak denilen kaynaktan ısı alır ve soğuk denilen kaynağa ısı verir. Demek ki, ısının tümü işe dönüştürülemez.

     Gerçekten, ısı, moleküllerin çalkantısına, yani, kinetik enerjilerine denk düşer. Bu ısıl çalkantı, tam anlamıyla düzensiz olduğundan, kinetik enerjinin yalnızca, iki kaynak arasındaki sıcaklık değişikliğinden dolayı düzenli olan bölümü kullanılabilmektedir. Dolayısıyla buharlı makineler türündeki ısıl motorlar, bir sıcak kaynak (yani kazan) ile baca ve üretilen enerjinin bir bölümünü alan atmosferin oluşturduğu bir soğuk kaynaktan oluşmuşlardır. Bu çift ısılı sistem bulunmazsa, enerjinin tümü, moleküllerinin kinetik enerjilerini aynı biçime sokmak için, ısıya dönüşür. Enerji yitimine yol açan da, insan açısından pek kullanışlı olmayan bu enerji dönüşümüdür.

 

NÜKLEER ENERJİ

 

     Çekirdeklerin fisyonu ya da kaynaşması sırasında açığa çıkan enerjiye nükleer enerji denir. Çekirdeklerin kohezyonunu (cisimlerin moleküllerini kendi aralarında bağlayan kuvvet) sağlayan kuvvetler, son derece güçlüdür. Nükleonlardan (protonlar ve nötronlar) hareket ederek çekirdeğin oluşması sırasında, bu bileşenlerin kütlelerinin bir bölümü, söz konusu bağı, bağ enerjisi biçiminde sağlarlar. Demek ki, bir atom çekirdeğinin kütlesi, onu oluşturan protonların ve nötronların kütlelerinin toplamından her zaman daha düşüktür. Bu, m kütle yitimini betimleyen E bağ enerjisi Einstein’ın E = mc2 bağıntısı sayesinde hesaplanabilmektedir. Bu bağıntıda, c ışık hızıdır. Söz konusu enerjilerin belirlenmesi büyük önem taşır: Böylece, çekirdeklerin farklı kararlılıkları anlaşılabilir. Bir çekirdekteki nükleonlar arasındaki bağ enerjisi arttığı oranda, çekirdek kararlılık kazanır. Kütle yitiminin, orta bir değerdeki atom kütlesi olduğu ve demir gibi elementlerde, uranyum, plütonyum gibi ağır elementlerinkinden ya da hidrojen gibi hafif elementlerinkinden daha büyük olduğu saptanmıştır. En kararlı çekirdekler, yaklaşık 8 MeV’luk  (1 megaelekronvolt = 1 000 000 elektronvolt) bir bağ enerjisi gösteren geçiş metallerinin çekirdekleridir. Bir uyarılma sonunda, ağır bir çekirdek bölünerek (fisyon) iki kararlı çekirdek verir. Kazanılan enerji, fisyon için gerekli olandan çok daha büyüktür. İki hafif çekirdeğin nükleer kaynaşma yoluyla birleşmesi sonunda da, önemli bir enerji elde edilir. Bu tanecikler arasındaki elektriksel iteleme, birçok zorluğa neden olduğundan, şimdilik, hidrojenin izotoplarının nükleer kaynaşmasıyla yetinilmektedir.

Yorum Yaz
Arkadaşların Burada !
Arkadaşların Burada !