کار و انرژی

از زمانی که انسان‌های اولیه شروع به استفاده از انرژی کرده‌اند تابه امروز، انرژی به دو دسته‌ی انرژی‌های قدیمی و نو تقسیم‌ بندی می‌شود. انرژی‌های قدیمی شامل: چوب، زغال‌سنگ، انرژی باد، نفت و ... می‌باشند؛ انرژی‌های نو شامل: انرژی خورشید، هیدروژن، جزر و مد دریاها، انرژی هسته‌ای و ... هستند.

انرژی

عالم از ترکیب انرژی و ماده به وجود آمده است، ماده چیزی است که می‌توان دید، بویید، حس کرد، جرم دارد و فضا را اشغال می‌کند؛ اما انرژی چیزی است که می‌تواند در وضعیت ماده تغییراتی به وجود بیاورد، انرژی همانند جسم مادی نیست و غالباً انرژی را نمی‌توان دید، بویید یا حس کرد.

برای آنکه با مفهوم انرژی آشنا شوید به مثال‌های زیر توجه کنید:

ذوب شدن یخ:

هنگامی که یخ از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود وضعیتش تغییر کرده است در واقع انرژی گرمایی باعث تغییر وضیعت یخ شده است.

حرکت توپ:

توپی را در نظر بگیرید که در حال عادی ساکن است هنگامی که به توپ ضربه می‌زنید توپ به حرکت در می‌آید در واقع کار روی آن انجام می‌شود و وضعیتش تغییر می‌کند؛ انرژی باعث تغییر وضعیت توپ شده است.

تبخیر آب:

هنگامی که آب به بخار تبدیل می‌شود وضعیتش تغییر کرده است، در واقع انرژی گرمایی باعث تغییر وضعیت آب شده است.

انرژی در طبیعت در صورت‌های مختلفی وجود دارد. برخی از صورت‌های انرژی عبارتند از: انرژی هسته‌ای، انرژی الکتریکی، انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل گرانشی و ... که در زیر به بعضی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

انرژی مکانیکی

یکی از متداول‌ترین گونه‌های انرژی، انرژی مکانیکی است. انرژی مکانیکی به دو صورت ظاهر می‌شود: انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل.

انرژی جنبشی

هنگامی که جسمی را هل می‌دهید و یا از ارتفاعی رها می‌کنید انرژی جنبشی تولید می‌کنید. در واقع انرژی جنبشی انرژی ایی است که جسم به علت حرکتش دارا می‌باشد. به طور کلی می‌توان گفت که هر جسمی که سرعت دارد دارای انرژی جنبشی است. طبق رابطه‌ی زیر می‌توانید مقدار انرژی جنبشی یک جسم را بدست آورید:

K=1/2.m.v²

انرژی پتانسیل

انرژی پتانسیل انرژی ایی است که جسم به واسطه‌ی مکانش در خود ذخیره می‌کند. اجسام به خاطر ارتفاع خود از سطح زمین (یا هر سطح مرجع دیگری) در خود انرژی پتانسیل ذخیره می‌کنند که آن را با نام انرژی پتانسیل گرانشی می‌شناسیم.

اگر ارتفاع از سطح مرجع h باشد، انرژی پتانسیل نسبت به سطح مرجع از رابطه U = mgh بدست می‌آید که در آن m جرم جسم و g شتاب گرانشی است.

کار

کار نوعی روش انتقال انرژی است که باعث تغییر مکان و جا به ‌جایی اجسام می‌شود. به طور دقیق تر می‌توان گفت که همه‌ی اجسام ساکن هنگامی به حرکت در می‌آیند که کار به آن‌ها وارد شود. از نظر فیزیکی اگر نیرویی موجب جا به ‌جایی جسمی شود، آن نیرو کار انجام داده است. کار نیروی ثابت در یک حرکت یک بعدی از ضرب نیرو در جا به ‌جایی به دست می‌آید.

*در واقع ما می‌توانیم بگوییم کار حاصل‌ضرب نیرو در جا به ‌جایی است زمانی که هر دو در یک جهت باشند.

 

W=F.d

*گاهی ممکن است نیروی واردشده و جا به ‌جایی صورت گرفته در یک راستا نباشند. در این صورت مؤلف‌هایی از نیرو کار انجام می‌دهد که در راستای جا به ‌جایی باشد.

در شكل زیر فرد به وسیله طنابی كه با سطح افق زاویه Θ می‌سازد جسم را روی سطح افقی می‌کشد. در این شکل نیروی F نیروی فرد و Θ زاویه بین نیروی F نسبت به راستای جا به ‌جایی است.

W= F. d. cosΘ

اگر بر جسمی نیرو وارد شود و هیچ جا به ‌جایی ایی صورت نگیرد کار صفر است و هیچ انرژی ایی به جسم منتقل نمی‌شود. اگر جسمی در حال حرکت باشد ولی به آن نیرویی وارد نشود نیز بر روی آن کار صورت نمی‌گیرد. هر چه نیرو یا جا به ‌جایی بزرگ‌تر باشد کار انجام‌شده بیش تر است.

مفهوم انرژی نیز وابسته به کار است وقتی جسمی روی جسم دیگر کار انجام می‌دهد بین آن‌ها انرژی مبادله می‌شود. مثل وقتی شما تاب را هل می‌دهید انرژی شیمیایی بدن شما به تاب منتقل‌شده و به صورت انرژی جنبشی یا پتانسیل گرانشی در می‌آید.

گرما

گرما نیز نوعی روش انتقال انرژی است که به دلیل اختلاف دمای میان اجسام به وجود می‌آید. به طور دقیق تر می‌توان گفت که هنگامی که میان دو جسم اختلاف دما به وجود می‌آید، انرژی از جسمی که دمایش بالاتر است به جسمی که دمایش پایین تر است منتقل می شود که به آن گرما می‌گوییم.

با این تعاریف رابطه‌ی کار، گرما و انرژی در مثال‌های بالا مشخص شده است. در واقع کار و گرما دو راه برای انتقال انرژی هستند.

توان

توان نشان‌دهنده‌ی میزان کار انجام‌شده یا انرژی مصرف‌شده در واحد زمان است. توان در واقع معرف سرعت انجام کار است. P=w/t

P توان بر حسب وات است یک وات توان دستگاهی است که یک ژول کار را در مدت یک ثانیه انجام می‌دهند.