Enerji
Enerji, Bir cisim ya da sistemin bir iş yapmak, bir sıcaklığı yükseltmek, vb. yeteneğini belirten büyüklük. Adı Yunanca iş yapmak anlamında enecgia sözcüğünden türetilmiş olan enerji çok çeşitli biçimlerdedir.
İlk insanlar, hayvanlar gibi, yalnızca kas enerjilerini kullanmaktayken, günümüzde, çağlayanların enerjisinden güneş ve atom enerjisine kadar çeşitli biçimlerde enerji üretilmekte, biri öbürüne dönüştürülmekte ve bir yerden başka bir yere taşınabilmektedir.
MEKANİK ENERJİ
Bazı cisimler, yalnız hızlarına bağlı olan bir enerji taşır: Silah mermisinde hızı yükseldiği adı verilen belli bir enerji vardır ve merminin hızı yükseldiği ölçüde büyür. Kinetik enerji, elle atılan taşın, yayla fırlatılan okun da gösterdiği gibi, en genel enerji biçimidir.
Potansiyel enerji, bircisinin uzamdaki konumu yüzünden taşıdığı enerji türüdür. Geçtiği yerleri silip süpüren bir çığın enerjisi buna örnek gösterilebilir. Potansiyel enerji, büyük bir yükseklikten ilk hız verilmeden serbest bırakılan her cisimde görülür. Uçaktan bırakılan madeni para, yere ulaştığında, toprağa yaklaşık 10 cm
saplanmasına yol açacak bir potansiyel enerji taşır. Yükseklerden inen bir sel ya da ırmak suyunun potansiyel enerjisi daha ilgi çekicidir: Yüzlerce metre yükseklikten özel bir boru ya da kanal içinde akıtılırsa, potansiyel enerji, suyun döküldüğü yerde, yani boru ya da kanalın alt kesiminde, elektrik akımı üreten bir türbin miline bağlı çarkı döndürebilir.
Yere vurunca sıçrayan ve biçim değiştirmediği varsayılan bir top, yerden bir metre yükseklikten bırakıldığında, potansiyel enerjisi vardır ve hızı sıfırdır. Yere ulaştığı andaysa, potansiyel enerjisi sıfır olur; yani konumuna
bağlı olarak iş üretemez. Buna karşılık, hızı artık sıfır değildir; dolayısıyla kinetik enerji taşır. Topun sertliğini (bükülmezliğini) kesinlikle koruduğu ve biçim değiştirmediği varsayılırsa, yeniden bir metrelik yüksekliğe sıçrayacak ve başlangıçtaki potansiyel enerjisini kazanacaktır. Bu deneyde, düşme sırasında potansiyel enerji kinetik enerjiye, sıçrama sırasında kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşmektedir.
Topun yer ile ilk konumu arasında bulunan ara konumlarında hem kinetik, hem potansiyel enerji vardır ve topun konumu ne olursa olsun, belli bir anda bu iki enerjinin toplamı değişmez. Toplam enerjiye, topun mekanik enerji'si adı verilir.Tam anlamıyla biçim değiştirmediği varsayılan topun hareketi, mekanik enerjinin korunmasını sağlar. Bu sonuç, çok önemli bir fizik yasasının doğmasına yol açmıştır: Hareket halindeki bir sistemin mekanik enerjisi, yalnızca esnek çarpmalara uğramak ve hiçbir sürtünmeyle, karşılaşmamak koşuluyla, değişmez kalır. Bu, mekanik enerjinin korunumu ilkesidir.
ISI ENERJİSİ
Isı enerjisi ya da yalnızca ısı, bilinen en eski enerji biçimlerinden biridir, insanoğlu, ateşi tanıdığından bu yana, yiyeceklerini pişirmede, silahını yapmada ısıdan yararlanmış, öteki enerjilere kolayca dönüştüğünden, ısı enerjisi sürekli kullanılan bir enerji olmuştur. Sıcak gazla şişirip yükselmelerini sağlayarak balonlara potansiyel enerji vermek için, bir pistonu (buhar makinesinde) çalıştırıp makineye belli bir kinetik enerji kazandırmak için ısı enerjisi kullanılır. Söz konusu enerji, elektrik santrallarında bir motorla elektrik enerjisine dönüşür.
Termodinamik, özellikle enerjinin dönüşüm biçimlerini inceleyen önemli bir fizik dalıdır. Bu daldaki iki önemli yasadan birincisi, enerjinin korunumu yasasıdır ve 1842 yılında Mayer tarafından bulunmuştur: Isıyı işe ya da işi ısıya dönüştürmek için kullanılan sistem ne olursa olsun, dönüşüm açısından, iş ve ısı arasında değişmez bir oran vardır.
İkinci yasa ya da Carnot-Clausius ilkesi, ısı enerjisiyle ilgilidir. Isıyı işe dönüştürmek için, değişik sıcaklık verilen iki sistemin bulunması gerekir ve yalnızca daha sıcak sistemin sağladığı ısı miktarının bir bölümü işe dönüştürülebilir.
Görüldüğü gibi, bütün bu dönüşümler nicel olarak eşit değildir; ısı, hiçbir zaman bütünüyle bir başka enerjiye dönüştürülemez; işte bu nedenle, buhar makinelerinde ya da patlamalı otomobil motorlarında verim oldukça düşüktür. Buna karşılık, başka bir enerji nicel olarak ısıya dönüştürülebilir. Sonuç olarak, bir enerji bütünüyle bir başka enerjiye dönüştürülemez; her zaman ısı açığa çıkar. Isı bütünüyle dönüşmediğinden, enerjinin en çok kayıp veren biçimi olduğu söylenir. Bununla birlikte çok sık kullanılır; çünkü birçok yakıt maddesinin içinde vardır.
ELEKTRİK ENERJİSİ
Elektrik akımı iletken bir telden geçerse, telin ısınmasına yol açar (ısı enerjisi); magnetik alan içine yerleştirilmiş bir iletken, akım verildiğinde yer değiştirir (mekanik enerji), vb. Öyleyse, elektrik çok ilgi çekici bir enerji biçimidir. Bu enerji, hem pil ya da akümülatörle toplanabilir, hem de dalgalı (alternatif) akım biçiminde, yüksek gerilim hatlarıyla uzak noktalara çok büyük hızla taşınabilir. Bununla birlikte, üretildiği anda tüketilmesi gerekir. Bu nedenle, kentler arası elektrik hat şebekesi, birbirine bağlı birçok elektrik santralıyla beslenir. Ayrıca, ülkeler arasında elektrik değiş tokuşu yapılır. İki ülkede elektriğin aşırı kullanımı aynı saatlere rastlamadığından, ülkelerden biri, ötekine aşırı kullanım saatlerinde eksiğini kapatacak miktarda akım verir ve birkaç saat sonra aynı olayın tersi yaşanır. Elektrik enerjisinin kullanımı, günümüzde sürekli artmaktadır.
KİMYASAL ENERJİ
Çok sayıda kimyasal madde, gerek tek başına, gerek ikisi bir araya geldiğinde kimyasal tepkime gösterir. Sözgelimi trinitrotolüen (T NT), güçlü bir patlayıcıdır; ya|ın bir çarpma sonucunda bile şiddetle ayrışır ve patlama çok büyük yıkımlara yol açar: Kayaları parçalamak için taş ve maden ocaklarında kullanılır.
Ama çoğunlukla, iki cisim kimyasal tepkimeye girerek enerji açığa çıkarır. Sözgelimi benzin yanar, yani havanın oksijeniyle birleşerek ısı verir. Patlamalı otomobil motorlarında benzin buharı-oksijen karışımının kimyasal enerjisi, ısı ve mekanik enerji doğurur. Patlama, dolaylı yoldan tekerleklere hareket veren pistonu iter.
Oksijen içinde tutuşturulan hidrojen, su buharı ve ısı oluşturur. Füzelerde itme gücü olarak bu karışım kullanılır. Kimyasal enerji, günlük yaşamımıza girmiştir. Propan, bütan, fuel oil ya da kömürle ısıtmada, bu yakıtların kimyasal enerjisinden yararlanılır. Kimyasal enerji biriken, dönüşen ve uzun süre kullanılır durumunu koruyan bir enerji türüdür. Kömür ve petrol yataklarında milyonlarca yıl boyunca birikmiş kimyasal enerji, günümüzde kullanılmaktadır.
IŞIMA ENERJİSİ
Işıma enerjisi, görünüşte çok az kullanılır. Gerçekteyse, en önemli enerjilerden biridir. Güneş'ten gelen ışınlar, her şeyden önce toprağı ısıtarak yaşama olanağı verir, özellikle de bitkilerin büyümesini sağlar. Bitkilerse, kimyasal enerji kaynaklarından birini oluşturur. Böylece, dolaylı ya da dolaysız enerji kaynağı olarak Güneş'in değeri ortaya çıkar: Petrol ve maden kömürü, özünü Güneş'in ışıma enerjisinden alan kimyasal enerji kaynaklarıdır. Günümüzde, Güneş'in ışıma enerjisi, özellikle yapay uydularda kullanılmaktadır. Elden geldiğince çok sayıda bilimsel aygıt yerleştirmek için, uydularda ağırlığın çok düşük olmasına çalışılır. Bu nedenle, aygıtları çalıştıracak enerji sorununu, aydınlatıldıklarında elektrik akımı üretebilecek yarı iletkenlerle (fotopil) çözme yoluna gidilmiştir. Çok sayıda fotopil birbirine bağlanır ve Güneş'ten ışık alarak yeterli elektrik akımı doğuracak enerjiyi toplar.
Genel olarak, fotoelektrik dönüştürücü, ışıma enerjisini doğrudan doğruya elektrik akımına dönüştürür. Bu enerji, otomatik komutalı pek çok devrede kullanılır. Güneş fırınlarında, ışınlar bir cisim üstünde yoğunlaştırılır ve bu cisim ışınları soğurarak ısınır. Bu yöntemle ucuz, ama kesintili bir ısı elde edilir.
NÜKLEER ENERJİ
Enerji biçimlerinden en yenisi olan nükleer enerji, atom ve hidrojen bombalarında görüldüğü gibi, çok kısa sürede olağanüstü miktarlarda enerji açığa çıkarma olanağı verir. Ama bu dev enerji nereden gelmektedir? Einstein, belli miktarda bir madde ile belli miktarda enerji arasında eşdeğerlik bulunduğunu göstermiştir. Daha açık bir deyişle m kütlesi bir madde yok olursa, E=mc² büyüklüğünde bir enerji açığa çıkar. Bu formüldeki c ışık hızı, çok büyük bir sayıdır, dolayısıyla da çok küçük bir madde kütlesinin yok olması, çok büyük miktarda enerjinin açığa çıkmasına yol açar.
Bu konuda en büyük güçlük, maddede bulunan bu dev enerjiyi açığa çıkarma yöntemini bulmak olmuştur. Uranyum 235 ya da plütonyum gibi bazı atomların çekirdekleri, nötron bombardımanına tutulduklarında patlamakta ve bu çekirdeklerden çok daha küçük kütleli, sayılamayacak kadar çok tanecik vererek parçalanmaktadır. Patlama öncesi ve sonrası taneciklerinin kütleleri arasındaki fark, atom çekirdeklerinin parçalanması sırasında yiten yeni enerjiye dönüşen madde miktarıdır. Söz konusu olaya, fisyon (zincirleme tepkime) denir. Olay çok sayıda çekirdekte aynı anda doğarsa, bir bomba elde edilir. Bu enerjiyi kullanılabilir duruma getirmek için, nükleer reaktörlerde tepkime yavaşlatılır. Böylece elde edilen büyük enerjiyle bir sıvı ısıtılarak, elektrik enerjisi üretiminde kullanılır.