Enerji Nedir? Enerji Çeşitleri - Mekanik Enerji - Elektrik Enerjisi
Termodinamiğe özgü ilkelerin biyolojide, özellikle molekül biyolojisi alanında, hücrelerin yapısının işlevlerinin çözümlenmesi konusunda çok verimli oldukları saptanmıştır; bu ilkelerin ayrıca, genetik ve evrim gibidaha geniş alanlarda kullanılmaları beklenmektedir.
Çeşitli biyolojik dönüşümlerdeki enerji dolaşımı, bir ırmağın dağdan aşağıya akıp, izlediği yol üstünde çevresine yaşam vermesinden sonra denizde yok olması gibi, bir akışkanın kaçınılmaz olarak düşünülebilir.
“Enerji akışının” tek ver sürekli kaynağı güneş enerjisi, bu enerjinin canlı dünyadaki ilk kullanılışı da, yeşil bitkilerin klorofili aracılığıyla, ışıma enerjisinin kimyasal enerjiye fotokimyasal dönüşümüdür. Daha sonraki evreler, çeşitli organizmalar arasındaki ve her organizmanın kendi içindeki en çok sayıda alışverişten oluşmuş ve enerjinin çeşitli dönüşümlere (mekanik enerji, elektrik enerjisi, hatta ışık enerjisi) uğramasıyla ve iş üretimiyle sonuçlanmıştır. Bunlara da, her dönüşümle (söz gelimi ısı, sürtünmeler) birlikte artan yitimler eşlik eder; söz konusu yitimlerse, insan teknolojisinin neden olduğu yapay enerji dönüşümlerindekinden çok daha büyük bir enerji zayıflamasıyla yansır.
Enerji Dönüşümleri – Enerji Nedir? Enerji Çeşitleri
Bütün canlı hücreler, enerjiyi dönüştürmek için, son derece karmaşık sistemlerle donanmışlardır. Moleküllerin boyutunda olan ve her hücrede çok sayıda raslanan söz konusu sistemler, genellikle, enzimlerdir (bir hücre içindeki özgül kimyasal tepkimeleri katalizleyebilecek güçteki proteinler). Bu enzimler, herhangi bir dönüşümün gerçekleştiği organitler içinde kümelenmişlerdir.
Enerji, canlı organizmaların işlemesi için temel nitelikte olan üç gelişmeye göre biçim değiştirir:
Işılbireşim (fotosentez), karbondioksit gazı (CO2) ve sudan başlayarak glüsitlerin ve başka besleyici maddelerin özümlenmesinde kullanılan kimyasal enerjiyi yaratır.
Solunum, başka bir önemli evredir: Glüsitler (karbonhidratlar) ve başka maddeler (lipiter ve protitler), soğurulan atmosfer havası aracılığıyla yükseltgenmeleri sonunda, daha doğrudan kullanılabilecek bir enerji kaynağına dönüşürler.
Besleyici moleküllerin yükseltgenmesiyle geri alınan enerji, hücre tarafından bir işin gerçekleştirilmesinde kullanılır. Bazı organizmalar, son derece özel enerji dönüştürme sistemlerinden yararlanırlar: Bunların arasında ateş böceklerinin (ışın yaymaları kimyasal enerjinin ışıma enerjisine bir enzimsel dönüşümüdür), bazı özkedibalıklarının ve yılanbalıklarının elektrikli organları, ses organları bütünü sayılabilir.
Elektrik Enerjisi ve Magnetik Enerji
Fizikteki anlamıyla enerji bütün kuvvet, hareket, ısı, elektrik ya da magnetik alan belirtileriyle bağlantısı olan soyut bir kavramdır. Enerji kavramı, mekanikte, önce, bir cismin belli miktarda bir iş üretmesi olarak düşünülmüş, daha sonra ısının işe (ve işin ısıya) dönüşmesi, ısının ısı enerjisiyle bir tutulmaası sonucunu vermiş, aynı biçimde elektrik alanlarına ve magnetik alanlara, elektrik enerjisi ile magnetik enerjiden başlayarak iş üretebilen kuvvetlerin denk düştüğü anlaşılmıştır.
Elektriklenmiş iki cismin birbirini çekmesi ya da itmesi, bir elektrik enerjisinin varlığını gösterir. Bu olan, elektrik alanının ve elektrik potansiyelinin tanımlanmasını sağlamıştır. Bir elektrik alanında, aralarında bir U potansiyel farkı olan iki nokta arasında bir q elektrik yükü yer değiştirdiğinde, verilen ya da alınan W enerjisi (hareketin yönüne göre), W=qU olur. Böylece, bir noktadan öbürüne geçen bir elektron, bu noktalar arasında 1 voltluk bir potansiyel farkı uygulandığında, 1 elektron-voltluk (yani 1,6*10^-19 coulomb X 1 volt = 1,6*10^-19 joule) bir enerji kazanır. Bir U potansiyel farklı altındaki C sığalı bir kondansatörün yüklenmesi, iki armatür arasında bir E elektrik alanı yaratmaktan başka bir etki olmaksızın, W=1/2 CU^2’lik bir enerji harcaması gerektirir.
Mıknatısların birbirini çekmesi ya da itmesi bir magnetik enerjinin varlığını gösterir. Akımlarla magnetik alanların üretilmesi ya da magnetik alanların ve akımların karşılıklı etkisi, elektrik enerjisi ve magnetik enerji arasında sıkı bir bağlantı olduğunu ortaya koyar.
Elektromagnetik olaylar, özellikle motorlarda, elektrik enerjisinin kolaylıkla mekanik işe dönüşmesini sağlarlar. Özindükleme katsayısı (indüktans) L olan bir bobik akımının / şiddetinde olması için W=1/2L/^2 enerjisine, yani bir B magnetik alanı doğuracak harcamaya gereksinim vardır. Bu enerji, kondansatörün boşaltılmasıyla ya da bobinden geçen akımın kesilmesiyle geri alınabilir.
Işığın elektromagnetik kuramı, ışınımların, elektromagnetik enerji adı verilen bir enerji (ışıma enerjisi) taşıyarak yayılan elektromagnetik dalgalar olduğunu göstermiştir. Çağdaş kuramlarsa, Einstein’ın yaptığı gibi, ışığın taneciksel ve dalgalı iki görünümü bulunduğunu kabul etmekte ve her bir fotona bir h v enerjisi ya da enerji kuantumu maletmektedirler; burada h Plank değişmezini (h=6,62*10^-34 J.S), v de göz önüne alınan ışımın frekansını gösterir. Yıldızların yayınladığı enerji olağanüstü büyüklüktedir; söz gelimi, Güneş yılda 10^34 joule’lük bir enerji yayınlar; bu, yaklaşık 3*10^27 kWs (saatte 3 milyar kere milyar kere milyar kilowatt) eder; bu da, kütle ile enerji arasındaki eşdeğerliğin gösterdiği gibi, yılda 10^14 tonluk bir kütle yitimine denk düşer. Nitekim, bağıllık kuramı, bir cismin hızını arttırmak için harcanan işin, aynı zamanda cismin kütlesinin de artmasını sağladığını ortaya koymaktadır. Einstein, elektronun hareketlerini göz önüne alarak, eylemsizliğin elektromagnetik kökenli olduğunu göstermiştir: Bir cismin kitenik enerjisindeki dW artışı, kütlesindeki dm artışı ile ışığın Co hızının karsiyle çarpımına eştittir: dW=dm.Co^2
Buradan m kütlesinin W/Co^2 enerjisine eşit olduğu ortaya çıkar; dolayısıyle bir gramlık herhangi bir madde, 25 milyon kWs’a eşdeğerdir.
İnsan ister kendi çıkarına kullanmak için bazı doğal kaynaklardan yararlanmaya çalışmış olsun, ister kendi çalışma zorluklarını azaltmayı aramış olsun, enerji önce, en gözle görünür haliyle, mekanik iş biçiminde ortaya çıkmıştır. Dağlardan vadilere inen su, bir iş üretebilir. Vinç, makara, kaldıraç gibi yalın makineler de daha az emekle, insanın kas gücünü artırabilir. Ama bütün bunlar karşılıksız olmaz ve kuvvette kazanılan, aşılan yolda yitirilir: İş, bir kuvvetle bir yer değişikliğinin çarpımıdır. Dolayısıyle, bütün fiziğin egemen olan enerjinin korunumu yasası, özellikle işin korunumu biçiminde ortaya çıkar.
Yalın makineler iş üretmezler; bu iş, onları çalıştıran işçi, ya da motor tarafından sağlanır. Söz konusu makineler yalnızca, işi bütüneyle koruyarak görevi kolaylaştırırlar. Bu korunma ancak, sistem değişmez hızla çalışıyorsa açıkça gözlenir; sözgelimi, bir vincin çalışmaya başlamasıyla bazen iş ortadan kalkar, ama yok olmaz: Vincin durmasıyla iş yeniden ortaya çıkar. Olay, makinenin hızlanmasının başlangıç evresinden yararlanmak yoluyla işi depolaması ve yavaşlama anında onu yeniden geri vermesi biçiminde gelişir. Böylece enerji kavramı, somut bir sistem içinde depolanan işi biçiminde ortaya çıkar. Durumu daha yakından inceleyen fizikçiler, gerçekte işin aşağı yukarı her zaman kesin olarak yok olduğunu anlamışlardır. İşin korunumu tam anlamıyla doğrulanmamıştır; yalnız, iş ortadan kalktığında ısı ortaya çıkmaktadır. Yitirilen işin sonucu olarak bu ısının ortaya çıktığını görmek ve yitirilen aynı bir iş için her zaman aynı miktarda enerjinin ortaya çıkıp çıkmayacağını aramak çekici gelmiş, kalorinin mekanik eşdeğerinin, işin ısıya, ısının da işe dönüşmesinin incelenmesiyle, XIX. yy’ın başında, Joule ve Carnot’nun temellerini atmış oldukları termodinamik doğmuştur.
Enerjinin korunumu yasasının tam anlamıyla doğrulanması için, ayrıca, iç enerji kavramından yararlanmak gerekir. Sudan buhara geçişte olduğu gibi, bazı dönüşümlerde iş, görünür hiçbir değiş-tokuş olmaksızın yiter; ama burada da gerçek bir yok olmaz söz konusu değildir. İş, değişmekte olan sistemin kendi içinde depo edilir; depolanan bu iş, iç enerji denilen enerjidir. Enerjinin uygulamalı kullanımı için makroskopik sistemler arasındaki alışverişle göz önüne alınırsa, bu sistemlerin mikroskopik bir iç yapılaru bulunur: Molekül yapısı. Bir sistemin iç enerjisi, söz konusu mikroskopik yapıya ilişkin enerjidir: Taneciklerin kinetik enerjisi ve tanecikler arasındaki etkileşmeye bağlı olan potansiyel enerji.
XX. yy’ın başına kadar fizikçiler enerjinin korunumu yasasından geniş ölçüde yararlanırlarken, kimyacılar da bir “korunum yasasından” (Lavoisier’nin “hiçbir şey yok olmaz, hiçbir şey yaratılmaz” sözüyle dile getirdiği yasa) kütlenin korunumu yasasından yararlanmaktaydılar. Bununla birlikte, ağır bir atom çekirdeğinin fisyonu, büyük bir hızla ve bunun sonucu olarak yüksek bir kinetik enerji taşıyarak kaçan hafif çekirdeklerin doğuşuna yol açar. Oysa, fırlatılan kütlelerin toplamı, başlangıçtaki ağır çekirdeğin hareketsiz kütlesinden küçüktür. Einstein, kütle ve enerjinin eşdeğerliğini kabul ederek, yiten kütleyi açıklamakla kalmamış, ayrıca iki büyük korunum yasasının olağanüstü bireşimini de gerçekleştirmiştir. Yalıtılmış bir sistem için, kütle ile enerjini toplamı değişmezdir. Kütle ile enerji arasındaki eşdeğerlik Einstein’ın şu bağıntısıyla verilir: E=mc^2; burada m, göz önüne alınan hızla hareket eden taneciğin kütlesi, c de ışık hızıdır.
Dolayısıyle, madde, kendi içinde akıl almaz derecede büyük miktarda enerji bulundurmaktadır. Ayrıca, bu enerjiyi serbest bırakabilmek, sonra da debisini denetleyebilmek gerekir. Hidrojenin kaynaşma tepkimesi için bu gerçekleşmemiştir; çünkü hidrojen için enerji bir kez serbest bırakılınca, henüz ancak H bombasının yıkıcı gücü olarak kullanılabilir. Uranyum atomunun nötronlarla bombardımanıyla gerçekleştirilen uranyumun fisyonuysa, denetlenebilmekte ve nükleer santrallarda kullanılan atom pillerinin temel mekanizması oluşturmaktadır.
Yer de bir gezegen olarak, çok büyük bir enerji kaynağıdır: Dönüşünün neden olduğu kinetik enerji. Burada da zorluk, söz konusu enerjiyi kullanma olanağından kaynaklanır; çünkü insanlar Yer’in dönüşüyle birlikte sürüklenmektedir. Buna karşılık, Ay’ın ve fiziksel bir olay olan yerçekiminin varlığı söz konusudur. Gelgitler ve gelgit hareketlerindeki güce dayalı santrallar da bundan kaynaklanmaktadır.
Sonsuz küçük ve sonsuz büyüğün sunduğu bu enerjilerden geniş çapta yararlanmayı beklerken, yük hayvanlarından petrola kadar uzanan “geleneksel” enerji kaynaklarına yönelmeyi de sürdürmek gerekir. Dünyanın karşı karşıya kaldığı temel sorun, kuşkusuz, taşıma ve kullanım sorunlarının bağlı olduğu enerji kaynakları sorunudur. Gerçekten, enerji kaynakları bütünüyle, bulundukları yerde ya da doğrudan doğruya, kullanılabilir halde değildir; bu da enerjilerin biçim değiştirme sorunu ortaya çıkartmaktadır. Sözgelimi, bir kaynaktan enerji taşınırken, kaynağın sağlayabileceğinden çok enerji harcamak kuşkusuz anlamsız olmaktadır.
Enerji kaynaklarının çoğu, taşınması özellikle kolay olan elektriğe dönüştürülür. Barajlarda toplanan suyun potansiyel enerjisi buna örnek gösterilebilir. Söz konusu potansiyel enerji, önce baraj vanalarının açılmasıyla kinetik enerjiye çevrilmekte, sonra düşüşteki kinetik enerji, türbinler yardımıyla, dönme kinetik enerjisine dönüştürülmekte, bu da elektrik üreteçlerini (jenaratör) çalıştırmaktadır. Yüksek gerilimli bir elektrik şebekesi, üretilen elektriği taşıyarak, sözgelimi, görünür dalga boyu bölgesinde elektromagnetik enerji haline getirilip aydınlatmada kullanılmasını sağlar.
Yanma olaylarında, kimyasal enerji kullanılmakta ve mekanik enerjiye, ısın enerjiye ya da başka bir enerji biçimine dönüştürülmektedir. Isı verici güç, yani tepkime ısısı, yanıcı maddenin birim kütlesine orantılı olarak kullanılır. Patlayıcı tepkimelerde, enerjinin büyük bir bölümü mekanik iş halinde ya da ışıma enerjisi olarak açığa çıkar. Pillerde ve akümülatörlerde, kimyasal enerji doğrudan elektrik enerjisi üretir; buna karşılık, bir elektroliz tepkimesi, böyle bir elektrik enerjisini harcar. Havadaki karbondioksit gazının klorofile dönüşmesi, ışık enerjisinin soğurulması olmadan gerçekleşmezken, fosforlu maddeler, kimyasal değişmelere uğrayarak ışık yayarlar. Dolayısıyle kimyasal enerjetik, her biri belli bir enerji biçiminin alışverişini konu edinen, çok sayıda dal içerir.
Bir kimyasal tepkime sırasında açığa çıkan (ısıverici tepkime) ya da soğurulan (ısıalıcı tepkime) ısı miktarını ölçmek için, olay değişmez hacimde incelenmek isteniyorsa, bir kalorimetre bombası, tepkime değişmez basınçta incelenecekse klasik karıştırma yöntemi kullanılır. Isılar, kalori cinsinden belirtilir. Bu ölçüm, kalorimetre (kaloriölçer) yardımıyla yapılır; bununla birlikte ısıların, uluslararası sistemin yasal birimi olan jouse cinsinden belirtilmeleri daha yerindedir. Birçok durumda, bu tepkime ısılarını ölçmek zor, hatta olanaksızdır. Ama, termokimya, bunların ölçülmesine yardımcı olur.
Söz konusu tepkime ısıları nereden gelmektedir? Bu soruyu yanıtlamak için, kimyasal tepkimenin, bir molekülü oluşturan atomların yeniden düzenlenmesi olduğunu anımsamak gerekir. Oysa, atomlar, bir billur ya da bir molekül içinde, birbirlerine “enerji açısından zengin” bağlarla bağlanırlar. Demek ki tepkime ısısı, moleküllerin bu tepkime sırasında, bir T sıcaklığında parçalanmalarının ya da oluşmalarının enerji dengesidir. Sodyum klorür (NaCl) billuru örneğini inceleyelim: Altı tane Na+ iyonu, Cl- iyonunu ve altı tane Cl- iyonu, Na+ iyonunu çevreler (merkez yüzlü kübik yapı). Elektriklenmiş atomlar, birbirlerini çekerler ve bu billur parçalanmak istenirse, ısıtmak, yani enerji vermek yeterlidir (ağ enerjisi, billurun oluşması ya da parçalanması için gereken enerjidir): NaCl > Na+ + CL-. Ama, bu billur, suda da çmzündürülebilir.
Burada, başka bir olay ortaya çıkar: İyonların solvatlanması, yani, çözücü moleküllerinin (burada su) Na+ ve Cl- iyonlarını sarması. Söz konusu tepkime, ısı verici bir tepkimedir. Solvatlamayla sağlanan enerji, billuru, en azından dağıtmaya yeterse çözünme gerçekleşebilir. Çözünme enerjisi bir kalorimetrede ölçülebilir. Miktarı, önceki iki tanenin toplamına eşittir. Negatif (ısıverici çözünme: Suyun sıcaklığı artar) ya da pozitif (ısıalıcı çözünme: Suyun sıcaklığı azalır, ayrıca, bir de biz ısıtırsak, çözünme kolaylaşır) olabilir. Bu, sodyum klorür için çok duyarlı bir değişme değildir. Ama, amonyum nitratın çözünmesi, suda 20 derecelik bir sıcaklık düşmesine neden olur: Bu çözünme, soğutucu karışımların hazırlanmasında kullanılır.
Bir sistemin mekanik enerjisi, sağlayabildiği işe dayanarak ölçülür. Bu kavram, insan işi kavramına, yani, bir kütlenin, bir güç harcanarak, yerinin değiştirilmesine denk düşer. Dinamik bilimi, bir F değişmez kuvvetinin, başlangıçta hareketsiz halde bulunan bir m kütleli cisme uygulandığında, ona, ivmesi, genellikle y’yle gösterilen bir hareket ilettiğini gösterir. Bu kuvvetin, güç etkisinin çizgisi doğrultusunda, L uzunluğundaki bir yer değiştirme sırasında ürettiği iş, tanım olarak W=FL’ye eşittir. Bu cisim, ideal kuşullarda (hiçbir sürtünme yoksa), alınan işi geri verebilir. Gerçekten, eylemsizlik sayesinde koruyacağı bir v hızıyla kendi haline bırakılmış olan bu cisim, bir çarka bağlanmış bir palete çarparsa, bu çarkı döndürecektir; dolayısıyle bir enerjisi vardır. Hareketin yol açtığı bu enerji, kinetik enerji diye adlandırılır ve Ec=1/2mv^2 bağıntısıyla hesaplanır. Bu bağıntıda, m cismin kütlesi, v de hızıdır. Zemin üstüne bırakılmış ağır bir bilye, serbest düşüş nedeniyle ya da ağırlığından dolayı, eğik bir düzlem boyunca yuvarlanarak, bir hız kazanabilir. Yer’e göre olan konumu yüzünden, bilye, potansiyel enerji adı verilen bir enerji birikimi taşır ve bu enerjinin, statik bir özelliği vardır. Sistem tarafından depolandığında, onun biçimiyle birlikte değişir: Yer-bilye uzaklığı azaldığında, potansiyel enerji de, aynı biçimde azalır. Buna, sistemin iki bölümü arasındaki etkileşme neden olur. Böylece, iki elektrik yükü, iki mıknatıs, iki gezegen arasında, elektrik, magnetik ya da çekim potansiyel enerjilerinin tanımlanmasını sağlayan kuvvetler etki ederler. Gerilmiş bir yayda da, onu oluşturan moleküller arasındaki “esnek” etkileşmelerin neden olduğu bir potansiyel enerji vardır. Bu son örnek, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye, kinetik enerjinin de potansiyel enerjiye kolayca dönüştürülebileceğini gösterir. Bir sistemin mekanik enerjisi, kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına eşittir. Yalıtılmış bir sistem söz konusu olduğunda, bu toplam değişmezdir; yalıtılmış sistemlerde mekanik enerjisinin korunması, fiziğin temellerinden birini oluşturur. Bu cisimlerin hareketini ve dalgaların yayılmasının incelenmesini sağlar. Böylece, sesin, gaz içinde iletilmesi, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüşmesine denk düşen art arta sıkışmalar genleşmelerden kaynaklanır.
Isı, çok sayıda fizik olayında ortaya çıkar. Joule’nin, kalorinin mekanik eşdeğerini ölçtüğü 1845 yılından bu yana, ısının, potansiyel enerji ya da kinetik enerjiyle aynı nitelikteki bir enerji biçiminden başka şey olmadığı bilinmektedir. Demek ki, bir sistemin toplam mekanik enerjisini hesaplamak için, ısı enerjisini de göz önünde bulundurmak gerekir. Akışkanlardaki enerji alışverişlerini ve itici kuvvete dönüşümü inceleyen termodinamik, sistemler bütünün hareketleriyle ilgilenmez. Bu durumda, kinetik enerji sınıfdır ve bir akışkanın Δ U iç enerji değişikliği, akışkana sağlanan iş ile bu akışkana verilen ısının toplamı olarak tanımlanır. Termodinamiğin birinci ilkesi, bu anlatım, Δ U = W + Q bağıntısıyla açıklar. Burada, W dış ortam ile değiş tokuş edilen işi, Q ise ısı alışverişlerini sergilemektedir. Isı vererek iş elde etmek için, Carnot, iki ısı kaynağının gerektiğini göstermiştir: Akışkan, sıcak denilen kaynaktan ısı alır ve soğuk denilen kaynağa ısı verir. Demek ki, ısının tümü işe dönüştürülmez. Gerçekten, ısı, moleküllerin çalkantısına, yani, kinetik enerjilerine denk düşer. Bu ısıl çalkantı, tam anlamıyla düzensiz olduğundan, kinetik enerkinin yalnızca, iki kaynak arasında sıcaklık değişikliğinden dolayı düzeni olan bölümü kullanılabilmektedir. Dolayısıyle buharlı makineler türündeki ısıl motorlar, bir sıcak kaynak (yani kazan) ile baca ve üretilen enerjinin bir bölümünü alan atmosferin oluşturduğu bir soğuk kaynaktan oluşmuşlardır. Bu çift ısılı sistem bulunmazsa, enerjinin tümü, moleküllerin kitenik enerjilerini aynı biçime sokmak için, ısıya dönüşür. Enerji yitimine yol açan da, insan açısından pek kullanışlı olmayan bu enerji dönüşümüdür.