אנרגיה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

בפיזיקה, אנרגיה היא גודל פיזיקלי חסר כיוון, המייצג את הפוטנציאל של מערכת פיזיקלית לבצע עבודה. האנרגיה לובשת צורות שונות שאפשר למדוד בדרכים שונות, וכולן ניתנות (באופן תאורטי) להמרה זו בזו. חוק שימור האנרגיה קובע שכמות העבודה שמערכת מסוגלת לבצע אינה עולה על האנרגיה שלה.

חקר האנרגיה התחיל כאשר האדם זיהה שגם מכונות וגם בעלי חיים זקוקים למשהו על מנת לבצע את הנדרש, כאשר האדם גילה כי למשהו הזה, המהווה את הגורם המניע לכל הדברים בעולם יש מכנה משותף, הגדיר אותו כ"אנרגיה", אחד המדענים שהובילו בהבנת המושג "אנרגיה" הוא ג'יימס פרסקוט ג'אול.

[עריכה] צורות שונות של אנרגיה

האנרגיה מצוייה במספר צורות בסיסיות, על פי כוחות היסוד של הטבע:

אנרגיה קינטית (אנרגיית תנועה) אנרגיה המצויה במערכת עקב תנועה של המערכת (פנימית או תנועת מעתק). את האנרגיה הקינטית ( $E k$ ) של מערכת בעלת מסה $m$ הנעה במהירות $v$ ניתן לתאר באמצעות הנוסחה: $E_k=\frac{1}{2}{mv^2}$ . כאשר אנרגיית התנועה משוייכת לתנועה אקראית פנימית של המערכת, היא מכונה לעתים "אנרגיית חום".

סוגי אנרגיה קינטית:

- אנרגית חום (תרמית) - האנרגיה הקינטית של המולקולות בחומר.
- אנרגיה חשמלית - אנרגיה קינטית הנובעת מתנועת אלקטרונים בחומר.
- אנרגיית קרינה - האנרגיה של הגלים האלקטרו-מגנטיים, כולל אנרגיית האור.
- אנרגיית קול (אנרגיה אקוסטית), זו האנרגיה הקינטית של המולקולות המתנודדות כתוצאה מגל קול הפוגע בהן.
אנרגיה סולארית - אנרגיה שמקורה בשמש.

אנרגיה פוטנציאלית (אנרגיה של מצב) אנרגיה המשוייכת למערכת המצויה במצב מסוים ואשר יכולה לעבור למצב אחר תוך שיחרור אנרגיה קינטית, תרמית או חשמלית.

סוגי אנרגיה פוטנציאלית:

אנרגיה פוטנציאלית כובדית
אנרגיה פוטנציאלית אלסטית (עבור קפיץ מתוח וכו').
"אנרגיית גובה" עבור גוף בשדה כבידה, למשל: אנרגיה שאובה.
אנרגיה כימית - בתהליך של שינוי הקשר הכימי בין האטומים והמולקולות משתחררת או נאגרת אנרגיה מהסביבה.

אנרגיה אלקטרומגנטית - אנרגיה האצורה בחלקיקים בעלי מטען חשמלי והגורמת למשיכתם או דחייתם.
אנרגיה גרעינית - אנרגיה האצורה בגרעיני האטומים, על פי העיקרון של הכוח הגרעיני החזק, שגורם למרכיבי הגרעין להיות קשורים.

מסה - על פי תורת היחסות, האנרגיה והמסה שקולים. מסתו של גוף תלויה באנרגיה שלו. שינויים באנרגיה הפנימית של חלקיק ייתבטאו כהפרש במסתו. תופעה זו משמעותית רק בתהליכים גרעיניים, בהם ניתן לחזות את האנרגיה שתשתחרר על ידי השוואת מאסות הגרעינים המשתתפים בתהליך, ולפי נוסחתו המפורסמת של איינשטיין, E=mc².

[עריכה] חוקי התרמודינמיקה

באנרגיה שולטים חוקי התרמודינמיקה:

החוק הראשון של התרמודינמיקה, הלא הוא עקרון שימור האנרגיה, קובע כי במערכת סגורה, רמת האנרגיה הכללית נשמרת.

החוק השני של התרמודינמיקה טוען כי רמת האנטרופיה במערכת סגורה אינה יכולה לקטון. פרושו המעשי של החוק הוא שלא ניתן לנצל את כל האנרגיה הזמינה - לא ניתן לחמם עצם חם על חשבון החום האגור בעצמים קרים יותר, ללא השקעת אנרגיה.

לחוקים אלו השלכות מרחיקות לכת בדבר זמינות האנרגיה לצרכים מעשיים, ובמהלך ההיסטוריה, אנשים שונים ניסו לבנות מכונות נצח - מכונות המפיקות אנרגיה רבה יותר מזו שהושקעה בהפעלתם. ניסיון זה מעולם לא צלח וקיומן של מכונות אלו עומד בניגוד לעקרונות פיזיקליים בסיסיים.

[עריכה] אנרגיה כיכולת לבצע עבודה

אנרגיה היא רק אחד מהגדלים שמגדירים מצב של מערכת. מדדים נוספים הם למשל מסה, טמפרטורה, נפח או לחץ. כאמור, האנרגיה לובשת צורות שונות שניתנות להמרה זו בזו. החוק הראשון של התרמודינמיקה, חוק שימור האנרגיה, קושר בין האנרגיה הכוללת של המערכת (או הגוף) לבין החום והעבודה שניתן לקבל מאנרגיה זו: $\ \Delta E=Q+W$ . כאשר מעוניינים להסיק את הבית, שואפים ליצירת חום מירבי, ואילו כאשר מעוניינים בהנעת מכונית, למשל, שואפים לעבודה מירבית. מתוך החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה נובע כי רק חלק מן האנרגיה יכול להפוך לעבודה, בהתאם לנצילות הפקתה.

ביצוע עבודה גורם להמרת סוג אחד של אנרגיה לסוגים אחרים. למשל: כאשר מים זורמים ממקום גבוה למקום נמוך הם מבצעים עבודה.

[עריכה] חום

חום הוא תופעה המבטאת אנרגיה לא מסודרת. כאשר אנרגיה מומרת לצורה לא מסודרת, מופק חום. על פי חוקי התרמודינמיקה, בעת ביצוע עבודה מתפתח לעתים חום. לרוב מתייחסים לאנרגיית חום זו כאנרגיה שאבדה, כלומר לא נוצלה כאנרגיה מכנית יעילה. במכניקה מתייחסים לחיכוך כאל הגורם העיקרי ליצירת חום.

אנרגיית החום (אנרגיה תרמית), היא האנרגיה הקינטית של המולקולות הנעות בתוך חומר. ככל שמהירות התנועה הממוצעת של המולקולות גבוהה יותר - הטמפרטורה הנמדדת תהיה גבוהה יותר. לכל גוף הנמצא בטמפרטורה הגבוהה מהאפס המוחלט יש אנרגיה קינטית של המולקולות, והיא פרופורציונית לטמפרטורה.

[עריכה] יחידות מידה לאנרגיה

במערכת היחידות SI, יחידת המידה של אנרגיה היא ג'אול (J), כאשר ג'אול אחד היא האנרגיה הקינטית של מערכת שמסתה קילוגרם אחד והיא נעה במהירות של מטר אחד בשניה. בנוסף, בתיאור תהליכים כימיים נהוג להשתמש ביחידות של אלקטרון וולט (eV). אלקטרון וולט היא האנרגיה הקינטית שמקבל אלקטרון כאשר הוא מואץ בהפרש מתחים של וולט אחד. $1eV \approx 1.6\times10^{-19}J$ . בתיאור תהליכים גרעיניים יחידה שימושית היא מגה אלקטרון וולט. $M e V = 10 6 e V$

יחידות מידה נוספות לאנרגיה הן: קלוריה וארג.

[עריכה] ביזבוז אנרגיה

בכל תהליך בו מעורבת אנרגיה, ובמיוחד בתהליכים בהם מתבצעת המרה של אנרגיה יש "ביזבוז" אנרגיה, כלומר חלק מהאנרגיה אובדת בצורה של חום או תוצר בלתי רצוי אחר.

אמנם "חוק שימור האנרגיה" טוען כי אנרגיה לא אובדת אלא רק משנה את צורתה, אולם ברגע שהאנרגיה שינתה את צורתה לצורה שאליה לא התכוונה המערכת הרי שבפועל בוזבזה אנרגיה.