فصل اول

«انرژی» همه ی موجودهای زنده و غیرزنده برای حرکت به انرژی نیاز دارند. انسان برای فعالیت های روزانه، اتومبیل برای حرکت، بخاری برای گرم کردن، لامپ برای روشن شدن، تلویزیون، رادیو، کامپیوتر، و . . . به انرژی نیاز دارند. در این فصل می خواهیم در باره ی انرژی، چگونگی مصرف ومنبع های انرژی صحبت کنیم  انرژی و شما بدن هر نوجوان فعال و در حال رشد، روزانه به طور متوسط حدود 12000  کیلوژول انرژیِ نیازدارد    بدن انسان، انرژی مورد نیاز برای انجام فعالیت های روزانه ی خود را از طریق خوردن مواد غذایی به دست می آورد. این مواد غذایی، شبیه سوخت های ماشین ها، دارای انرژی شیمیایی هستند و برای آزاد شدن این انرژی لازم است درآن ها تغییرات شیمیایی صورت پذیرد مواد غذایی که ما مصرف می کنیم و سوخت هایی که ماشین ها مورد استفاده قرار می دهند، دارای انرژی معینی هستند. انرژی موجود در آن ها را با یکای کیلوژول بر گرم و با نماد   بیان می کنند. به عنوان مثال، وقتی  می گوییم انرژی شیمیای پنیر تازه     است، یعنی در هر گرم از این ماده  انرژی وجود دارد. جدول زیر انرژی شیمیایی موجود در برخی غذاها و سوخت های معمولی را نشان می دهد      بدن انسان برای انجام فعالیت های داخلی و همچنین انجام فعالیت های روزانه، انرژی شیمیایی حاصل از ماده های غذایی را مصرف می کند. مقدار انرژی که بدن مصرف می کند به مدت زمان انجام فعالیت ها بستگی دارد. هر چه مدت زمان انجام یک فعالیت بیش تر باشد، انرژی بیش تری در آن فعالیت به مصرف  می رسد برای بیان مقدار انرژی مصرف شده از کمیتی به نام  آهنگ مصرف انرژی  استفاده می شود، طبق تعریف، مقدار انرژی که در یک مدت زمان معین به عنوان مثال یک دقیقه در جدول زیر مصرف می شود،  آهنگ مصرف انرژی  می گویند. آهنگ مصرف انرژی را توان مصرفی می نامند و یکای آن   است . به عنوان مثال وقتی می گوییم آهنگ مصرف انرژی درورزش تنیس   است ، یعنی در هر دقیقه ،  انرژی برای انجام این فعالیت در بدن ما مصرف می شود. جدول زیرآهنگ مصرف انرژی برخی از فعالیت های روزانه ی ما را نشان می دهد

انرژی جنبشی

انرژی ای که هر جسم، صرفاٌ به علت حرکتش دارد را انرژی جنبشی آن جسم می نامند.

 

انرژی جنبشی جسمی به جرم  که با سرعت  حرکت میکند، از حاصل ضرب نصف جرم آن جسم در مجذور سرعتش به دست می آید

در این رابطه، جرم  بر حسب کیلوگرم  ، سرعت  ، بر حسب متر بر ثانیه     و انرژی جنبشی  بر حسب ژول است. مطابق این رابطه هر چه جرم جسم و یا سرعت آن بیش تر باشد، انرژی جنبشی آن بیش تر است

 

 

انرژی درونی

هنگامی که دست های خود را به هم بمالیم، دست ها گرم تر می شوند. در این حالت انرژی جنبشی دست ها به انرژی درونی آن ها تبدیل می شود و انرژی درونی دست های ما افزایش می یابد، همچنین وقتی ظرف آبی را روی شعله قرار می دهیم، پس از مدتی آب گرم تر می شود، در این جا نیز انرژی شیمیایی سوخت باعث افزایش انرژی درونی ظرف آب می شود. معمولاٌ گرم تر شدن جسم افزایش انرژی درونی آن را نشان می دهد

 

 

 

 

مجموع انرژی های ذره های تشکیل دهنده ی هر جسم را انرژی درونی آن جسم می نامند.هنگامی که توپی را روی سطح زمین به حرکت در می آوریم و آن را رها می کنیم، بر اثر وجود نیرو اصطکاک، پس از مدت زمان معینی توپ متوقف می شود. در این مورد نیز انرژی جنبشی توپ باعث افزایش انرژی درونی توپ و زمین می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

 

قانون پایستگی انرژی

انرژی ممکن است از صورتی به صورت های دیگر تبدیل شود. در لامپ، انرژی الکتریکی به انرژی نورانی و گرما تبدیل می شود. وقتی غذا می خوریم، انرژی موجود در غذا به صورت انرژی شیمیایی در بدن ما ذخیره می شود. در پیاده روی،
ا نرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن به انرژی جنبشی تبدیل می شود. هنگامی که فنری را می فشاریم، انرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن به صورت انرژی پتانسیل در فنر ذخیره می شود،

زمانی که یک ورزش کار توپی را می زند، انرژی شیمیایی موجود در بدن وی به انرژی جنبشی تبدیل می شود و پس از توقف توپ، انرژی جنبشی آن به انرژی درونی توپ و زمین تبدیل می شود

 

 

 

 

 

هرگاه یک توپ به توپ دیگری برخورد کند، انرژی جنبشی توپ اول (با صرف نظر از اصطکاک بین توپ ها و زمین)، به انرژی جنبشی توپ دوم تبدیل
می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

هنگام حرکت یک اتومبیل، انرژی شیمیایی موجود در سوخت اتومبیل به انرژی جنبشی و گرما تبدیل می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

 

همه ی این مثال ها نشان می دهند که انرژی، خودبه خود به وجود نمی آید و هیچ گاه از بین نمی رود. بنابراین انرژی یک جسم هیچ گاه از بین نمی رود و خودبه خود نیز به وجود نمی آید و همواره پایسته (ثابت) می ماند، مگر این که مقداری از آن را به جسم دیگری بدهد و یا اینکه از یک جسم دیگر انرژی دریافت کند

این مطلب، بیان قانون پایستگی انرژی است. در کاربرد قانون پایستگی انرژی باید به این نکته توجه کنیم که مقدار انرژی همواره پایسته (ثابت) می ماند اما ممکن است از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود

 

انرژی پتانسیل گرانشی انرژی که یک جسم صرفاٌ به علت ارتفاعش از سطح زمین دارد، انرژی پتانسیل گرانشی نامیده می شود. هنگامی که توپی بر اثر ضربه ای از تپّه بالا می رود سرعت آن به تدریج کاهش می یابد تا در نهایت متوقف شود و پس از لحظه ای توقف به طرف پایین بر می گردد           در ابتدا که توپ از نقطه ی   شروع به حرکت می کند دارای انرژی جنبشی است. با صرف نظر از اصطکاک وقتی توپ به نقطه ی   می رسد، این انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل گرانشی تدبیل می شود و هنگام بازگشت،انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی توپ تبدیل می شود. اگر اصطکاک نیز در نظر گرفته شود، بخشی از انرژی در اثر اصطکاک به انرژی درونی توپ و سطح زمین تبدیل می شود                   انرژی پتانسیل گرانشی  جسمی به جرم  که در ارتفاع  از سطح زمین قرار دارد، از رابطه زیر به دست می آید   در این رابطه،  شتاب گرانشی زمین  نامیده می شود و مقدار آن برابر   است که برای راحتی در محاسبه، می توان مقدار آن را به طور تقریبی   در نظر گرفت. یکای انرژی پتانسیل گرانشی در ، ژول  است

انرژی پتانسیل کشسانی جسم هایی مانند فنر، کش و لاستیک، هنگامی که کشیده یا فشرده می شوند، مقداری انرژی در خود ذخیره می کنند که از نوع انرژی پتانسیل است. به انرژی ذخیره شده در این گونه جسم ها انرژی پتانسیل کشسانی می گویند به عنوان مثال وقتی گلوله ای روی سطح افق به یک فنر افقی برخورد می کند، آن را فشرده می کند. با فشرده شدن فنر، سرعت گلوله کاهش می یابد تا این که در نقطه ای برای لحظه ای می ایستد. در این لحظه کل انرژی جنبشی گلوله به صورت انرژی پتانسیل کشسانی در فنر ذخیره می شود. سپس گلوله برمی گردد و از فشردگی فنر کاسته می شود. در واقع انرژی پتانسیل کشسانی فنر به انرژی جنبشی گلوله تبدیل می شود                 منابع انرژی منابع انرژی را می توان به دو دسته ی تجدید پذیر و تجدید نا پذیر تقسیم بندی کرد منابع انرژی تجدیدناپذیراین نوع از انرژی ها فقط یک بار قابلیت مصرف دارند و منابع آن ها محدود است. دو نمونه از این سوخت ها را شرح می دهیم الف – سوخت های فسیلی وقتی تنه های پوسیدهِ درختان و باقیمانده ی جانوران در زیر گل و لای، تحت فشار و دمای مناسب قرار می گیرند به این نوع از سوخت ها تبدیل می شوند که به آن ها سوخت های فسیلی می گویند. از مجموعه ی این ماده ها می توان زغال سنگ، نفت سفید، بنزین، نفت گاز، روغن موتور، رنگ و . . . را نام برد. این سوخت ها با تولید گازهایی مانند    باعث آلودگی محیط زیست و گرم شدن زمین می شوند       ب – سوخت های هسته ای بر اثر واکنش نوترون با هسته ی برخی از اتم های سنگین مانند اورانیوم و توریم این هسته به دو یا چند هسته ی سبک ترشکافته می شود که بر اثر آن گرمای بسیار زیادی تولید می شود. به عنوان مثال انرژی حاصل از شکافت کامل  1   اورانیوم معادل با انرژی حاصل از سوختن حدود     زغال سنگ است           در یک راکتور هسته ای، ماده ی شکافت پذیر در کوره ای بر اثر واکنش با نوترون شکافته می شود. با گرمای حاصل می توان آب را  تبدیل کرد و توسط  بخار برق تولید کرد. از جمله مشکل هایی که استفاده از این سوخت ایجاد می کنند می توان به محدود بودن این سوخت ها، شکل آماده سازی این عنصرها برای فرآیند شکافت، پرتوزا بودن آن ها و پس مانده ی آن ها اشاره کرد                   منابع انرژی تجدید پذیراین منبع های انرژی تمام نمی شوند و معمولاً آلودگی به وجود نمی آورند. اینک به بررسی برخی از این منبع های انرژی می پردازیم         الف – انرژی خورشیدییکی از منبع های انرژی پایان ناپذیر خورشید است. انرژی ای که زمین از خورشید دریافت می کند بسیار زیاد است درهر ثانیه، هر متر مربع زمین حدود   انرژی از خورشید دریافت می کند. بخشی از انرژی خورشید صرف گرم کردن زمین و جسم های روی آن می شود. بخش دیگری برای فوتوسنتز در گیاهان استفاده می شود       یکی از راههای بهره گیری از این انرژی، آب گرم کن های با دمای کم است که می توان از آن ها در منزل استفاده کرد                 روش دیگر بهره گیری از انرژی خورشیدی به کار بردن سلول های خورشیدی است که نور را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند با استفاده از آینه های مقعر بزرگ (کوره ی خورشیدی) برای متمرکز کردن پرتوهای خورشید در یک ناحیه ی کوچک می توان دماهایی تا حدود    تولید کرد               ب – انرژی باد از انرژی باد می توان برای تولید الکتریسیته، آسیاب کردن آرد در آسیاهای بادی، بیرون آوردن از چاه و . . . استفاده کرد. در هر نیروگاه بادی که برای تولید الکتریسیته ایجاد شده است، حدود 40 تا 100 توربین بادی وجود دارد. از جمله مشکل های این توربین ها می توان ایجاد سروصدای زیاد و خراب کردن منظره ها نام برد                     پ – انرژی امواج دریااز افت و خیز موج های دریا می توان توسط نوعی مبدل، انرژی الکتریکی به دست آورد                   .             ت – انرژی هیدروالکتریک  یا   برق آبی با ایجاد سد آب در منطقه های پرآب در مسیر رودخانه ها و منطقه هایی که میزان بارندگی زیاد است و نصب توربین می توان از انرژی پتانسیل گرانشی آب پشت سد برای تولید برق استفاده کرد                     ث – انرژی زمین گرماییهر چه از سطح زمین به پوسته های داخلی آن می رویم دما افزایش می یابد. در ناحیه های مرکزی زمین، دما آن قدر زیاد است که ماده به صورت مذاب وجود دارد  انرژی گرمایی که در پوسته ی جامد کره ی زمین ذخیره شده است را انرژی زمین گرمایی می نامند. منشأ این انرژی، گدازه ها و واکنش های هسته ای در ناحیه های عمیق زمین است. وقتی از سطح زمین به طرف مرکز آن حرکت کنیم، دما به طور متوسط به ازای هر   100 در حدود      افزایش می یابد                       ج – سوخت های گیاهی یا  بیومَس محصول های زراعی مانند تفاله های دانه های روغنی، بقایای این محصول ها مانند کاه، چوب، فضله های حیوان ها وفاضلاب های انسانی می توانند به عنوان یک منبع انرژی مورد استفاده قرار بگیرند. سوزاندن چوب و ساقه ها و برگ های گیاهان از زمان قدیم مرسوم است. همچنین بر اثر تخمیر برخی سوخت های گیاهی توسط آنزیم ها و یا تجزیه ی آن ها به وسیله ی باکتری ها در فضایی که هوا نباشد، می توان ماده هایی مانند الکل یا اتانول و گاز متان به دست آورد. زیست گاز مخلوطی از متان و دی اکسید کربن است که می تواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد           بهینه سازی مصرف انرژی هرگونه مصرف انرژی، در نهایت باعث گرم تر شدن محیط و افزایش انرژی درونی محیط می شود. با مصرف این انرژی، عملاٌ دیگر دستیابی به آنها امکان پذیر نیست و بشر دائماً انرژی را به صورتی تبدیل می کند که برایش غیرقابل استفاده است. لذا باید هنگام استفاده نهایت دقت را به کار برد تا از تلف شدن انرژی جلوگیری شود. به عنوان مثال یکی از راه های جلوگیری از تلف شدن انرژی، عایق بندی دیوارها و سقف ساختمان ها و دو لایه کردن شیشه ها است در ضمن با مصرف انرژی، محیط زیست آلوده می شود. برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست نیز باید تا حد امکان از فنآوری های جدید صنعتی استفاده کرد. به عنوان مثال استفاده از این فنآوری ها در اتومبیل می تواند درصد زیادی از آلودگی را از بین ببرد