آموزش فيزيک( آموزش جامع فیزیک دبیرستان و

«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 انرژيِ 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 براي انجام فعاليت هاي داخلي و همچنين انجام فعاليت هاي روزانه، انرژي شيميايي حاصل از ماده هاي غذايي را مصرف مي كند. مقدار انرژي كه بدن مصرف مي كند به مدت زمان انجام فعاليت ها بستگي دارد. هر چه مدت زمان انجام يك فعاليت بيش تر باشد، انرژي بيش تري در آن فعاليت به مصرف  مي رسد براي بيان مقدار انرژي مصرف شده از كميتي به نام  آهنگ مصرف انرژي  استفاده مي شود، طبق تعريف، مقدار انرژي كه در يك مدت زمان معين به عنوان مثال يك دقيقه در جدول زير مصرف مي شود،  آهنگ مصرف انرژي  مي گويند. آهنگ مصرف انرژي را توان مصرفي مي نامند و يكاي آن   است . به عنوان مثال وقتي مي گوييم آهنگ مصرف انرژي درورزش تنيس   است ، يعني در هر دقيقه ،  انرژي براي انجام اين فعاليت در بدن ما مصرف مي شود. جدول زيرآهنگ مصرف انرژي برخي از فعاليت هاي روزانه ی ما را نشان می دهد

انرژي جنبشي             انرژي اي كه هر جسم، صرفاٌ به علت حركتش دارد را انرژي جنبشي آن جسم مي نامند               انرژي جنبشي جسمي به جرم  كه با سرعت  حركت ميكند، از حاصل ضرب نصف جرم آن جسم در مجذور سرعتش به دست مي آيد در اين رابطه، جرم  بر حسب كيلوگرم  ، سرعت  ، بر حسب متر بر ثانيه     و انرژي جنبشي  بر حسب ژول است. مطابق اين رابطه هر چه جرم جسم و يا سرعت آن بيش تر باشد، انرژي جنبشي آن بيش تر است                   انرژي دروني     هنگامي كه دست هاي خود را به هم بماليم، دست ها گرم تر مي شوند. در اين حالت انرژي جنبشي دست ها به انرژي دروني آن ها تبديل مي شود و انرژي دروني دست هاي ما افزايش مي يابد، همچنين وقتي ظرف آبي را روي شعله قرار مي دهيم، پس از مدتي آب گرم تر مي شود، در اين جا نيز انرژي شيميايي سوخت باعث افزايش انرژي دروني ظرف آب مي شود. معمولاٌ گرم تر شدن جسم افزايش انرژي دروني آن را نشان مي دهد           مجموع انرژي هاي ذره هاي تشكيل دهنده ي هر جسم را انرژي دروني آن جسم مي نامند.هنگامي كه توپي را روي سطح زمين به حركت در مي آوريم و آن را رها مي كنيم، بر اثر وجود نيرو اصطكاك، پس از مدت زمان معيني توپ متوقف مي شود. در اين مورد نيز انرژي جنبشي توپ باعث افزايش انرژي دروني توپ و زمين مي شود                           قانون پايستگي انرژي         انرژي ممكن است از صورتي به صورت هاي ديگر تبديل شود. در لامپ، انرژي الكتريكي به انرژي نوراني و گرما تبديل  مي شود. وقتي غذا مي خوريم، انرژي موجود در غذا به صورت انرژي شيميايي در بدن ما ذخيره مي شود. در پياده روي، ا نرژي شيميايي ذخيره شده در بدن به انرژي جنبشي تبديل مي شود. هنگامي كه فنري را مي فشاريم، انرژي شيميايي ذخيره شده در بدن به صورت انرژي پتانسيل در فنر ذخيره مي شود،       زماني كه يك ورزش كار توپي را مي زند، انرژي شيميايي موجود در بدن وي به انرژي جنبشي تبديل مي شود و پس از توقف توپ، انرژي جنبشي آن به انرژي دروني توپ و زمين تبديل مي شود               هرگاه يك توپ به توپ ديگري برخورد كند، انرژي جنبشي توپ اول (با صرف نظر از اصطكاك بين توپ ها و زمين)، به انرژي جنبشي توپ دوم تبديل مي شود                 هنگام حركت يك اتومبيل، انرژي شيميايي موجود در سوخت اتومبيل به انرژي جنبشي و گرما تبديل مي شود                   همه ي اين مثال ها نشان مي دهند كه انرژي، خودبه خود به وجود نمي آيد و هيچ گاه از بين نمي رود. بنابراين انرژي يك جسم هيچ گاه از بين نمي رود و خودبه خود نيز به وجود نمي آيد و همواره پايسته (ثابت) مي ماند، مگر اين كه مقداري از آن را به جسم ديگري بدهد و يا اينكه از يك جسم ديگر انرژي دريافت كند اين مطلب، بيان قانون پايستگي انرژي است. در كاربرد قانون پايستگي انرژي بايد به اين نكته توجه كنيم كه مقدار انرژي همواره پايسته (ثابت) مي ماند اما ممكن است از يك نوع به نوع ديگر تبديل شود         انرژي پتانسيل گرانشي       انرژي كه يك جسم صرفاٌ به علت ارتفاعش از سطح زمين دارد، انرژي پتانسيل گرانشي ناميده مي شود. هنگامي كه توپي بر اثر ضربه اي از تپّه بالا مي رود سرعت آن به تدريج كاهش مي يابد تا در نهايت متوقف شود و پس از لحظه اي توقف به طرف پايين بر مي گردد               در ابتدا كه توپ از نقطه ي   شروع به حركت مي كند داراي انرژي جنبشي است. با صرف نظر از اصطكاك وقتي توپ به نقطه ي   مي رسد، اين انرژي جنبشي به انرژي پتانسيل گرانشي تدبيل مي شود و هنگام بازگشت،انرژي پتانسيل گرانشي به انرژي جنبشي توپ تبديل مي شود. اگر اصطكاك نيز در نظر گرفته شود، بخشي از انرژي در اثر اصطكاك به انرژي دروني توپ و سطح زمين تبديل مي شود                   انرژي پتانسيل گرانشي  جسمي به جرم  كه در ارتفاع  از سطح زمين قرار دارد، از رابطه زير به دست مي آيد   در اين رابطه،  شتاب گرانشي زمين  ناميده مي شود و مقدار آن برابر   است كه براي راحتي در محاسبه، مي توان مقدار آن را به طور تقريبي   در نظر گرفت. يكاي انرژي پتانسيل گرانشي در ، ژول  است                           انرژي پتانسيل كشساني     جسم هايي مانند فنر، كش و لاستيك، هنگامي كه كشيده يا فشرده مي شوند، مقداري انرژي در خود ذخيره مي كنند كه از نوع انرژي پتانسيل است. به انرژي ذخيره شده در اين گونه جسم ها انرژي پتانسيل كشساني مي گويند به عنوان مثال وقتي گلوله اي روي سطح افق به يك فنر افقي برخورد مي كند، آن را فشرده مي كند. با فشرده شدن فنر، سرعت گلوله كاهش مي يابد تا اين كه در نقطه اي براي لحظه اي مي ايستد. در اين لحظه كل انرژي جنبشي گلوله به صورت انرژي پتانسيل كشساني در فنر ذخيره مي شود. سپس گلوله برمي گردد و از فشردگي فنر كاسته مي شود. در واقع انرژي پتانسيل كشساني فنر به انرژي جنبشي گلوله تبديل مي شود                       منابع انرژي     منابع انرژي را مي توان به دو دسته ي تجديد پذير و تجديد نا پذير تقسيم بندي كرد   منابع انرژي تجديدناپذير اين نوع از انرژي ها فقط يك بار قابليت مصرف دارند و منابع آن ها محدود است. دو نمونه از اين سوخت ها را شرح مي دهيم   الف – سوخت هاي فسيلي   وقتي تنه هاي پوسيدهِ درختان و باقيمانده ي جانوران در زير گل و لاي، تحت فشار و دماي مناسب قرار مي گيرند به اين نوع از سوخت ها تبديل مي شوند كه به آن ها سوخت هاي فسيلي مي گويند. از مجموعه ي اين ماده ها مي توان زغال سنگ، نفت سفيد، بنزين، نفت گاز، روغن موتور، رنگ و . . . را نام برد. اين سوخت ها با توليد گازهايي مانند    باعث آلودگي محيط زيست و گرم شدن زمين مي شوند         ب – سوخت هاي هسته اي   بر اثر واكنش نوترون با هسته ي برخي از اتم هاي سنگين مانند اورانيوم و توريم اين هسته به دو يا چند هسته ي سبك ترشكافته مي شود كه بر اثر آن گرماي بسيار زيادي توليد مي شود. به عنوان مثال انرژي حاصل از شكافت كامل  1   اورانيوم معادل با انرژي حاصل از سوختن حدود     زغال سنگ است             در يك راكتور هسته اي، ماده ي شكافت پذير در كوره اي بر اثر واكنش با نوترون شكافته مي شود. با گرماي حاصل مي توان آب را  تبديل كرد و توسط  بخار برق توليد كرد. از جمله مشكل هايي كه استفاده از اين سوخت ايجاد مي كنند مي توان به محدود بودن اين سوخت ها، شكل آماده سازي اين عنصرها براي فرآيند شكافت، پرتوزا بودن آن ها و پس مانده ي آن ها اشاره كرد                   منابع انرژي تجديد پذير اين منبع هاي انرژي تمام نمي شوند و معمولاً آلودگي به وجود نمي آورند. اينك به بررسي برخي از اين منبع هاي انرژي مي پردازيم         الف – انرژي خورشيدي يكي از منبع هاي انرژي پايان ناپذير خورشيد است. انرژي اي كه زمين از خورشيد دريافت مي كند بسيار زياد است درهر ثانيه، هر متر مربع زمين حدود   انرژي از خورشيد دريافت مي كند. بخشي از انرژي خورشيد صرف گرم كردن زمين و جسم هاي روي آن مي شود. بخش ديگري براي فوتوسنتز در گياهان استفاده مي شود       يكي از راههاي بهره گيري از اين انرژي، آب گرم كن هاي با دماي كم است كه مي توان از آن ها در منزل استفاده كرد                 روش ديگر بهره گيري از انرژي خورشيدي به كار بردن سلول هاي خورشيدي است كه نور را مستقيماً به الكتريسيته تبديل مي كند       با استفاده از آينه هاي مقعر بزرگ (كوره ي خورشيدي) براي متمركز كردن پرتوهاي خورشيد در يك ناحيه ي كوچك مي توان دماهايي تا حدود    توليد كرد                 ب – انرژي باد از انرژي باد مي توان براي توليد الكتريسيته، آسياب كردن آرد در آسياهاي بادي، بيرون آوردن از چاه و . . . استفاده كرد. در هر نيروگاه بادي كه براي توليد الكتريسيته ايجاد شده است، حدود 40 تا 100 توربين بادي وجود دارد. از جمله مشكل هاي اين توربين ها مي توان ايجاد سروصداي زياد و خراب كردن منظره ها نام برد                         پ – انرژي امواج دريا از افت و خيز موج هاي دريا مي توان توسط نوعي مبدل، انرژي الكتريكي به دست آورد                   .             ت – انرژي هيدروالكتريك  يا   برق آبي با ايجاد سد آب در منطقه هاي پرآب در مسير رودخانه ها و منطقه هايي كه ميزان بارندگي زياد است و نصب توربين مي توان از انرژي پتانسيل گرانشي آب پشت سد براي توليد برق استفاده كرد                     ث – انرژي زمين گرمايي هر چه از سطح زمين به پوسته هاي داخلي آن مي رويم دما افزايش مي يابد. در ناحيه هاي مركزي زمين، دما آن قدر زياد است كه ماده به صورت مذاب وجود دارد  انرژي گرمايي كه در پوسته ي جامد كره ي زمين ذخيره شده است را انرژي زمين گرمايي مي نامند. منشأ اين انرژي، گدازه ها و واكنش هاي هسته اي در ناحيه هاي عميق زمين است. وقتي از سطح زمين به طرف مركز آن حركت كنيم، دما به طور متوسط به ازاي هر   100 در حدود      افزايش مي يابد                             ج – سوخت هاي گياهي يا  بيومَس محصول هاي زراعي مانند تفاله هاي دانه هاي روغني، بقاياي اين محصول ها مانند كاه، چوب، فضله هاي حيوان ها وفاضلاب هاي انساني مي توانند به عنوان يك منبع انرژي مورد استفاده قرار بگيرند. سوزاندن چوب و ساقه ها و برگ هاي گياهان از زمان قديم مرسوم است. همچنين بر اثر تخمير برخي سوخت هاي گياهي توسط آنزيم ها و يا تجزيه ي آن ها به وسيله ي باكتري ها در فضايي كه هوا نباشد، مي توان ماده هايي مانند الكل يا اتانول و گاز متان به دست آورد. زيست گاز مخلوطي از متان و دي اكسيد كربن است كه مي تواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گيرد               بهينه سازي مصرف انرژي   هرگونه مصرف انرژي، در نهايت باعث گرم تر شدن محيط و افزايش انرژي دروني محيط مي شود. با مصرف اين انرژي، عملاٌ ديگر دستيابي به آنها امكان پذير نيست و بشر دائماً انرژي را به صورتي تبديل مي كند كه برايش غيرقابل استفاده است. لذا بايد هنگام استفاده نهايت دقت را به كار برد تا از تلف شدن انرژي جلوگيري شود. به عنوان مثال يكي از راه هاي جلوگيري از تلف شدن انرژي، عايق بندي ديوارها و سقف ساختمان ها و دو لايه كردن شيشه ها است در ضمن با مصرف انرژي، محيط زيست آلوده مي شود. براي جلوگيري از آلودگي محيط زيست نيز بايد تا حد امكان از فنآوري هاي جديد صنعتي استفاده كرد. به عنوان مثال استفاده از اين فنآوري ها در اتومبيل مي تواند درصد زيادي از آلودگي را از بين ببرد