Enerji; kısaca herhangi bir fiziksel varlığın çevreye uygulanan kuvvetlere karşı çalışma yeteneği olarak tanımlanabilmektedir. Kelime olarak eski Yunanca operation (belirgin energeia) kelimesinden türetilmiştir, yani aktivite/işlem demektir. Bu terim muhtemelen mevcut ve keşfedilen geçmiş kayıtlara göre, MÖ 4. yüzyılda Aristoteles tarafından icat edilmiştir. Evrenin işleyişini tam olarak kavramak için, insanın çeşitli enerji türleriyle karşılaşması ve tanımlaması gerekmektedir ve bu evrende meydana gelen her bir olay, belirli bir türün enerji dönüşümüdür. Enerjinin korunumu yasası iki şey oluşturur: univers evrendeki toplam enerjinin toplamı sabittir ve enerji kendisini bu formlar içinde dönüşüme uğrayabilecek çeşitli şekillerde göstermektedir.
Hemen hemen her fiziksel miktar, sadece farklı şekillerde kendini gösterdiği için dolaylı olarak gözlemlenebilen ve ölçülebilen enerji hariç tam olarak tanımlanabilmektedir. Bu nedenle, iş ve enerji birbiri ile çok yakından ilişkilidir ve aynı birime sahiptir. Enerji skaler fiziksel bir miktardır, yani büyüklük belirtilerek tamamen tanımlanabilmektedir. Ayrıca, enerji ile ilgili çalışmaların perspektifi makroskopikten, mikroskopik ve tam tersine değiştiğinde formun da değişebileceği belirtilmelidir. Örneğin, makroskopik görünümdeki sürtünme gibi mekanik enerji sadece mikroskopik ölçekte termal enerji olabilmektedir. Birim, Uluslararası Birimler Sistemine (SI) göre joule’dur. Kendini ısı şeklinde gösterirse, kalori veya kilokalori birimi kullanılarak ölçülmektedir.
Farklı Enerji Şekilleri
Enerji, gözlemlenen özellikleri ile daha da karakterize edilebilmektedir. Tüm türler geniş bir şekilde potansiyel ve kinetik Enerji iki türe ayrılmaktadır. Bir parçacığın bu iki enerjisinin toplamı, üzerinde sürtünme kuvveti olmadığında daima sabit kalmaktadır. Temel olarak, dış kuvvetlerden etkilenen bir vücudun potansiyel ve kinetik enerjilerinin toplamı olarak tanımlanmaktadır. Vücut herhangi bir dış kuvvetten etkilenmezse, o zaman mekanik enerji Me sabit kalmaktadır, yani vücut herhangi bir dış kuvvetten izole edilmektedir. Bu varsayımsal bir senaryodur ve gerçekte, sürtünme gibi kuvvetler tüm bedenlere etki etmektedir, ancak değerleri çok daha azdır. Böylece, bu enerji basitçe şu şekilde temsil edilebilmektedir: Me = Ep + K, burada Ep toplam potansiyel enerjidir ve K kinetik enerjidir.
Çok sayıda modern cihaz, diğer formları termik santraller (Bana ısı), elektrik jeneratörleri (Me’den elektriğe), türbin (Kinetik enerji Bana) vb. gibi mekanik enerjiye dönüştürmektedir. Mekanik enerjinin korunumu ayrıca iki cismin elastik veya elastik olmayan bir çarpışma yaşayıp yaşamadığına bağlıdır. Eski tipte, orijinal şekil ve form geri kazanıldığında enerji korunurken, ikinci tipte, cisimlerin deformasyonu kalıcıdır ve ondan ısı gibi farklı bir enerji biçimi ortaya çıkmaktadır. Bu durumda, enerji korunmayabilmektedir, ancak çarpışmanın niteliğine ve deformasyonun derecesine bağlı olarak artabilmekte veya azalabilmektedir. Herhangi bir fiziksel sistemde depolanan doğal ve hareketsiz varlık, bir ortamdaki konumu ve yapısı nedeniyle, uygulanan kuvvetler ile potansiyel enerji olarak adlandırılmaktadır. Bir cismin kütle değeri, ona karar vermede önemli bir rol oynamaktadır, örneğin, yaylı bir ok hayal edildiğinde ve bir ok onu fırlatmaya hazırdır. Ok fırlatma için hazır hale getirildiğinde ve gergin kiriş geri çekildiğinde, bu konumda, ipin içinde depolanan elastik potansiyel enerjisi bulunmaktadır. Bu konumda, dize oku başlatmak için işi gerçekleştirme potansiyeli vardır.
Yerçekimi potansiyel enerjisi, kimyasal potansiyel enerji, elektrik potansiyel enerjisi, manyetik potansiyel enerji ve nükleer potansiyel enerji gibi ilgili kuvvet türlerine bağlı olarak çeşitli potansiyel enerji türleri bulunmaktadır. Bir vücuda kuvvet uygulandığında, iş belirli bir yönde yapılmaktadır. Bu çalışma, negatif bir işaretle gösterilen o vücudun potansiyel enerjisini dikkate alarak temsil edilmektedir, çünkü enerji, işin sırasıyla kuvvet yönüne karşı veya kuvvet yönünde yapılmasına bağlı olarak artabilmekte veya azalabilmektedir. Bunun formülü W = Ep dir, burada W iş yapılır ve Ep vücutta bulunan potansiyel enerjidir. Esas olarak hareketi nedeniyle bir parçacık veya vücut tarafından ele geçirilmektedir. Öncelikle dönme kinetik enerjisine ve titreşim kinetik enerjisine bölünmektedir. Yukarıdaki örnekte, okçu kirişi serbest bıraktığında, depolanan elastik potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüştürüldüğünde ok başlatılmaktadır. Hareket halindeki kiriş kinetik enerjiye sahiptir, böylece, hareket halindeki herhangi bir parçacığın bu tür enerjisi vardır. Rotasyona girmeyen bir vücudun kinetik enerjisi formülle verilmektedir, bu formül K = (M × V2) ÷ 2 —– denklem 3 tür. Burada, K toplam kinetik enerjidir, M vücudun kütlesidir ve V hareket ettiği hızdır. Dönen bir vücut için kinetik enerjisi K = (I × W2) ÷ 2 dir, burada, ben ve w, atalet momenti ve vücudun açısal hızıdır.
Kinetik enerji ataletle birlikte bir gözlemcinin referans çerçevesine göre değişmektedir. Örneğin, bir araba hareketsiz olan bir gözlemciyi geçerse, her iki nesnenin hızı birbirine görecelidir ve dolayısıyla araba pozitif bir değere sahip kinetik enerjiye sahiptir. Ancak, hem gözlemci hem de araba aynı hızda hareket ediyorsa, bu enerji sıfıra eşittir. Söz konusu vücut veya maddenin sıcaklığı ölçülerek incelenebilmekte veya tahmin edilebilmektedir. Atomun ve moleküllerinin potansiyel enerjisiyle birlikte vücudun titreşimsel, dönme ve öteleme hareketinden dolayı var olmaktadır. Bir nesnenin iç termodinamiğinin bir parçasıdır ve temel olarak atomik çarpışmalar sırasında oluşan kinetik enerji kaybından kaynaklanmaktadır. Bu enerji, nesnenin hem kinetik hem de potansiyel enerjilerinin bir kombinasyonudur atomların, moleküllerin ve diğer alt atomik partiküllerin ısı emme özelliği ile karakterize edilmektedir. Aynı elementin atomlarından oluşan bir gaz durumunda, termal enerji o gazın tüm kinetik enerjisine eşdeğerdir. Termal enerji, mono-atomik bir gazı bir denklem şeklinde kolayca temsil edilmektedir, bu denklem K = (M × V2) ÷ 2 —– denklem 3’tendir. Böylece, bir gazın N molekülleri varsa, termal enerjisi olarak temsil edilmektedir.
U = (N × M × V2) ÷ 2 = (N × kT) ÷ 2 burada, k Boltzmann sabitidir ve T ölçülen sıcaklık veya vücudun sıcaklığıdır. Bu formülden, bu enerjinin, sistemin bir bölümünden diğerine aktarımı sırasında, ısının emilmesi veya yayılması işlemleriyle çalıştığı açıktır. Bir elektrik akımı şeklinde verilen yükler arasında bulunan elektriksel potansiyel enerjiden türetilmektedir. Bir pilin terminallerini bir ampule bağlandığında, elektrik enerjisi iki terminal arasında elektrik akımı şeklinde akmaktadır. Bu işlem, elektronların telden, terminaller arasında aktarılması nedeniyle gerçekleşmektedir ve bu enerji türü, belirtilen diğer temel enerjilerle birlikte de mevcut olmaktadır. Bu enerji türleri aşağıdaki gibidir:
Elektromanyetik enerji: Adından da anlaşılacağı gibi, frekans ve genlik bakımından değişen elektromanyetik dalgalar şeklinde bulunmaktadır. Hem elektrikli hem de manyetik bileşenler birbirine ve ayrıca enerji yayılma yönüne diktir.
Elektrokimyasal enerji: Kimyasal reaksiyonların yardımıyla elektrik üretimi elektrokimyasal enerjiyi içermektedir. Şaşırtıcı bir örnek, farklı bileşenlerin bir karışımını içeren bir cihazın içinde tetiklenen reaksiyonlar nedeniyle elektrik üretilebilen yakıt hücresidir.
Elektrostatik enerji: En az kullanılan gruptur ve iki cisim sürtünme etkileşimi veya çarpışmaya maruz kaldığında bulunmaktadır ve bu da küçük elektrik yükleri oluşmaktadır. Örneğin, bir tarağı yünlü bir malzemeye sürtüldüğünde ve küçük kağıt parçaları üzerinde tutulduğunda her iki nesnenin de ovulmasıyla oluşan statik elektrik nedeniyle kağıtlar kaldırılmaktadırlar.
Bir cisim veya cisim kutup hareketi, yani tam tersi özelliklere sahip iki kutbun varlığı ile karakterize edildiğinde, ilgili tüm süreçleri kontrol eden varlık manyetik enerji olarak adlandırılmaktadır. Uygulanan kuvvet manyetik bir alan şeklindedir, bu alanın Kuzey ve Güney kutupları birbirine tam olarak zıttır. Popüler bir örnek, dev bir mıknatıs gibi davranan gezegenin Dünya’sıdır. Manyetik enerji, manyetik alan oluşturarak Kuzeyden Güney kutbuna uzanan manyetik hatlar şeklinde seyahat etmektedir. Elektrik ve manyetizma dalgalar şeklinde birleşik formda mevcut olabileceğinden, genellikle elektromanyetik enerji veya elektromanyetizma terimleri kullanılmaktadır. Bu tip bir durumda, alanın gücü manyetik dipol momenti, üretilen akımın gücü, mevcut manyetik malzeme miktarı, vb. gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu enerjinin kullanımını içeren yaygın bir örnek, elektromıknatısınkidir. Bu cihaz günlük yaşamda kullanılmaktadır ve esas olarak metalik bir malzemenin etrafına sarılmış bir telden oluşmaktadır. Telden bir elektrik akımı geçtiğinde, gücüne ve ilişkili manyetik kuvvetlere bağlı olarak farklı amaçlar için kullanılabilen bir manyetik alan oluşmaktadır.
Hem organik hem de inorganik bileşikler ve maddeleri içeren veya içeren reaksiyonları kontrol eden aynı zamanda yaşamla ilgili süreçleri kontrol eden temel fiziksel varlıktır. Kimyasal enerji, farklı kaynaklardan ısı, ışık, elektrik vb. diğer şekillerde ortaya çıkmaktadır. Bir reaksiyondan sonra enerji azaldığında, daha sonra çevredeki ortama veya ortama aktarılmaktadır ve bu nedenle işleme ekzotermik denmektedir. Benzer şekilde, vücut enerjiyi emerse, enerji değeri artmaktadır ve böylece endotermik bir süreç haline gelmektedir. İnsan vücuduna güç veren itici güç, atomlar arası moleküler bağların oluşumunu ve parçalanmasını içeren solunum işlemi ile elde edilen kimyasal enerji tarafından sağlanmaktadır. Biyolojik dünya, enerji oluşumu, moleküler yeniden düzenlemeler ile birlikte bileşik oluşumu ve yıkımı ile elde edilmektedir. Örneğin, fotosentez işleminden glikoz oluşumu, bir bitki hücresinde enerji üretimi için yararlıdır. Bu tür enerji genellikle Rydberg sabiti şeklinde temsil edilmektedir, formülü R = (Me ?? × E4) ÷ 8e02H3C= 1,097 × 107 × m-1 dir. ‘Ben sıfır hareket halindeki kütledir, E yüktür, eo boşluk geçirgenliğidir, H Planck sabitidir ve C ışık hızıdır.
Havada bir ortam olarak üretilen kompresyonlar ve nadir görülen fonksiyonlar sonucunda ses duyulmaktadır. Böylece, ses enerjisi hava moleküllerinin salınım hareketinden elde edilmektedir. Dalgalar bu besiyerinden geçerken üretilen titreşimler buna göre emilerek yorumlanmaktadır. Bu titreşimler birbirine paraleldir ve dalga yayılımı ile aynı yöndedir. İnsanlar ve diğer canlılar, özel kulak bileşenlerinin yardımıyla ses dalgalarını duymanın olağanüstü özelliğine sahiptir. Kulak ses enerjisini yakaladığında, dalgalar çoğalmaktadır ve işitme sinirlerinin yardımıyla ilerlemektedir. Beyin daha sonra sinyalleri yorumlamaktadır, böylece bize işitme hissi vermektedir, böyle bir ortamda sıkıştırma ve seyrekleşme mümkün olmadığından ses vakumda, yani dış boşlukta ilerlememektedir. Ses enerjisi bir nesneden serbest bırakıldığında, dalgalar her yöne yayılmaktadır ve vücudun hem potansiyel hem de kinetik enerji yoğunluklarının bir kombinasyonudur. Örneğin, bir araba bir gözlemciyi geçerse, kişinin deneyimlediği ilk enerji türü ses dalgalarından oluşmaktadır, güçleri dalga frekansı ve genliği, gözlemci ve araç arasındaki mesafe, toplam çevrenin alanı, vb. gibi çeşitli parametrelere bağlıdır.
Uzayda elektromanyetik dalgalar tarafından yayılmaktadır örneğin, Güneş’ten alınan ışık radyan enerjinin bir örneğidir. Elektromanyetik radyasyon spektrumu radyo dalgalarından yüksek frekanslı gama ışınlarına kadar büyüktür. Bu kaynaktan elde edilen enerji, dalgaların frekansı ile doğru orantılıdır. İnsanlar sadece elektromanyetik radyasyonun görünür ışık spektrumunu tespit edebilmektedir ve diğer tüm dalga boyları görünmezdir. Gezegenimiz tarafından alınan ışık enerjisinin çoğunluğu Güneş ışınları şeklindedir. Işık enerjisi veya gücü esas olarak radyan akısı adı verilen bir birim tarafından ölçülmektedir. Işık dalgalarının boşluk dahil herhangi bir ortamdan yayılmasını açıklamaya çalışan çeşitli teoriler bulunmaktadır. En ünlüsü, kuantum teorisidir, ışığın kuanta adı verilen küçük parçacıklar paketleri şeklinde seyahat ettiğini ve her kuantumun çift kişilik gösterdiğini, yani bir parçacık kadar dalga gibi davranabileceğini ifade etmektedir. Işık enerjisine genellikle ısı, ses, kimyasal ve manyetik gibi diğer türler eşlik etmektedir. Bu enerjinin ikincil bir form olduğu ve sadece birkaç işlemden dolayı başka bir tür dönüşüm geçirdiğinde var olduğu söylenebilmektedir. Bunlar kimyasal reaksiyonları, nükleer fisyon ve füzyon süreçlerini, emilim, yansıma, kırılma vb.
Önemli kütle değerlerine sahip iki cisim arasında var olan çekim kuvvetine yerçekimi kuvveti denmektedir ve bu fenomen yerçekimi enerjisi olarak adlandırılan varlık tarafından kontrol edilmektedir. Newton’un yerçekimi yasasına göre, kütleleri olan her iki cisim, her ikisini de çekme eğiliminde olacak şekilde birbirlerine bir kuvvet uygulayacaktır. Bu kuvvet, kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafe karesiyle ters orantılıdır. Bu kuvvet G = (g × M1 × M2) ÷ R2 olarak temsil edilmektedir. Burada, G yerçekimi çekimidir, g yerçekimi sabiti, R iki nesne arasındaki mesafedir ve M1 ve M2 her iki cismin kütlesidir. Yerçekimi enerjisi, Evrendeki en zayıf enerjidir, ancak bunun neden olduğu kuvvet, kara delikler gibi bazı gök cisimlerinde çok güçlü olabilmektedir, burada yerçekimi kuvvetleri, ışığın bile ondan kaçamayacağı kadar güçlü olacağı teoridir. Gezegende, bu enerji bizi istikrarlı ve dengeli tutmaya yardımcı olmaktadır. Vücut kütle açısından ne kadar ağır olursa, çekimsel çekim gücü de o kadar yüksek olmaktadır. Bu nedenle, Güneş güneş sisteminin maksimum kütlesine katkıda bulunduğu için, yüksek yerçekimi etrafındaki her gezegenin devrimini mümkün kılmaktadır.
Bir tür potansiyel enerjidir, esas olarak nükleer fisyon ve nükleer füzyonu içeren süreçlerden elde edilmektedir. Birincisinde, radyoaktif element atomu bölünmekte veya ayrılmaktadır, ayrıca kızı elementlere yol açmaktadır ve muazzam miktarda enerji salmaktadır, bu ilke, nükleer reaktör ve diğer ilgili teknolojik uygulamalar için kullanılmaktadır. İkinci tipte, bir elementin iki atomu birbirleriyle ve sigortalarla birleşmektedir. Bu süreç aynı zamanda yüksek miktarda enerjinin açığa çıkmasına yol açmaktadır ve bu sürecin gerçekleştiği söylenen en önemli örnek Güneş’tir; bu yıldızda çekirdek kısımlarında nükleer füzyonun gerçekleştiği teoridir. Nükleer enerjinin modern dünyada çeşitli uygulamaları bulunmaktadır, onlarca yıldan beri bu enerji elektrik ve ısı kaynakları üretmek için kullanılmaktadır. Tüm gemiler ve denizaltılar nükleer bir kaynak temelinde çalıştırılabilmektedir ve ayrıca bazı ülkeler de bu enerji formunu nükleer silah yapmak için kullanmaktadırlar. Elektrik üretimi bir nükleer reaktör ve radyoaktif malzeme yardımı ile yapılmaktadır. Atom çekirdeği elektronlarla bombardımana tutulmaktadır, bu da onların ayrılmalarına ve kızı elementler oluşturmasına neden olmaktadır. Bununla birlikte açığa çıkan enerji, elektrik enerjisi üreten güç jeneratörleri için de kullanılmaktadır.
Bir lastik bandı gerildiğinde ve serbest bırakıldığında, atomlar arası kuvvetler onu orijinal durumuna geri döndürmektedir. Depolanan elastik potansiyel enerji, elastik bandı orijinal konumuna getiren tersinir hareketi oluşturmak için kinetik enerjiye dönüştürülmektedir. Böylece, elastik enerji az ya da çok bir cisme gerilim ve sıkıştırma kuvvetleri uygulamaktadır ve yapılan iş bu kuvvetlerin büyüklüğüne bağlıdır. Örneğin, bir yay uzatıldığında, depolanan potansiyel enerji, malzemenin gerilmesini mümkün kılmaktadır ve genişleme kuvvetleri çıkarıldığında, orijinal konumuna geri dönmektedir. Başka bir örnek, bu makalede daha önce anlatılan örnek yay ve ok açıklamasıdır. Bu durumda, yay ipi belirli bir noktaya kadar gerilerek ok serbest bırakıldıktan sonra, gerilmesi sırasında mevcut olan elastik enerji nedeniyle orijinal konumuna geri dönmektedir. Belirli bir noktadan sonra, esneklik plastisiteye dönüştürülebilmektedir, burada nesne kalıcı olarak deforme olmaktadır. Bu, her malzemenin kendi esneklik sınırına sahip olması ve bu sınırın ötesinde elastik kuvvetlerin çalışmayı durdurması nedeniyle olmaktadır. Bu Young modül deneyi ile kolayca gözlemlenebilmektedir.
Bir nesnenin yüzeyinde gerilim kuvvetlerinin varlığı nedeniyle mevcut olan enerji olarak tanımlanmaktadır. Bu tür kuvvetler tipik olarak durgun su, yapışkan sıvılar, gerilmiş kauçuk malzeme vb. üzerinde bulunmaktadır. İki malzeme birbiriyle temas ettiğinde çoğunlukla sıvılar ve herhangi bir karışım oluşturmadığında, bunun tarafından yönetilen yüzey gerilimleri oluşmaktadır. Örneğin, bitki dokularındaki kılcal hareket, su üzerindeki oluşum kabarcıkları ve sabun filmleri, yağ ve su arasındaki karışmazlık, vb. enerji türü yüzey enerjisinin tüm örnekleridir. Bu tip, belirli bir dış kuvvetler sınırı altında bulunmaktadır ve bu kuvvetler belirli bir sınırın üzerine çıktığında, enerji serbest bırakılmaktadır. Yüzey gerilimi kuvvetleri dW = × dSa olarak temsil edilmektedir, burada dW yapılan iştir ve vücudun toplam yüzey enerjisini temsil etmektedir, yüzey gerilimidir ve Sa vücudun yüzey alanıdır. Katı nesnelerde, yüzey enerjisi genellikle elastik enerji ile birlikte bulunmaktadır ve bir katı gerildiğinde bu enerji çoğunlukla ısı şeklinde ölçülmektedir. Deforme olmuş gövdenin hacmi, orijinal nesneye kıyasla aşağı yukarı aynı kalmaktadır ve bu tür enerjiyi belirlemek için temas açıları da ölçülmektedir.
Yukarıda açıklanan bölümlerde görüldüğü gibi, enerji adı verilen fiziksel varlık sayısız form, çeşitte çalışabilir ve çeşitli tiplerle kombinasyon halinde de var olabilmektedir. Bu varlık, Newton’un 3. hareket yasası olarak da bilinen tek bir doktrin tarafından yönetilmektedir. Enerjinin ne yaratılacağını ne de yok edilebileceğini ve sadece bir formdan diğerine değiştirilebileceğini belirtmektedir. Bu yasa, en azından insanlık tarafından keşfedilene kadar tüm Evren için geçerlidir.
Kaynakça:
https://www.researchgate.net/figure/Different-forms-of-energy-The-13-Types-of-Energy-and-Their-Varied-Applications-and_fig9_341069880
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu