ישנן צורות רבות של אנרגיה ביקום. במבט ראשון, סוגי האנרגיה שדנו בהם נראים שונים מאוד. מה יכול לקשר בין אנרגיה בקפיץ דחוס לאנרגיה במיכל דלק? מה בין האנרגיה של פחם לבין האנרגיה של מטאור נופל? ראשית, כל סוגי האנרגיה הללו ניתנים לכימות וניתנים למדידה. שנית, מדענים הראו כי כל הצורות השונות של האנרגיה ניתנות להמרה זו בזו. שינויים באנרגיה נוצרים כל הזמן.
הרעיון של המרת אנרגיה הוא דוגמה בסיסית לאופן שבו המדע פועל. אחת המטרות העיקריות של המדע היא לספק הסבר פשוט למגוון תופעות בעולם הטבעי. מדענים יכולים להראות כי אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית כבידתית אינם שונים מהותית. לשניהם יש את היכולת לגרום לשינוי. שניהם ניתן למדוד ביחידות של ג'אול. אפשר להמירן מאחת לשנייה. ההמרה של האנרגיה היא מהעקרונות החשובים בכל המדע. בניסוי המפורסם של גא'ול, הוא הוסיף והגדיל את המשקל במנגנון הניסוי, ובכך הגדיל את האנרגיה הפוטנציאלית.הכובדית. המשקל הנופל גרם למנגנון המשוטים להסתובב. אנרגיית הכבידה הפכה לאנרגיה הקינטית. המשוטים הניעו את מולקולות המים, והוסיפו לכל אחת מהן קצת יותר אנרגיה קינטית. כך הומרה האנרגיה הקינטית של המשוטים לאנרגיית חום שהעלתה את טמפרטורת המים.
באדיבות וויקיפדיה
האנרגיה הופכת לצורות רבות שחלקן יכולות להישאר אגורות במערכת. לדוגמה, אנרגיה מכנית עשויה להיות מאוחסנת בקפיץ של מכונית צעצוע או שעון, ולאחר מכן להשתחרר בצורה של תנועה: להזיז את המכונית או את המחוגים של השעון. סוללה מאחסנת אנרגיה חשמלית שניתן לשחרר אותה כדי להזיז את צמצם המצלמה. ראש גפרור מאחסן אנרגיה כימית שניתן לשחררה כחום. אנרגיה יכולה לשנות צורות ללא הרף. ילד על הנדנדה משתנה כל הזמן האנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית ובחזרה. בחלק העליון של מסלול הנדנדה, התנועה עוצרת לרגע וכל האנרגיה מופיעה כאנרגיה פוטנציאלית. בנקודה הנמוכה ביותר במסלול התנועה כל האנרגיה הפוטנציאלית הומרה לאנרגיה קינטית. במסלול אליפטי של פלנטה קיימת תופעה דומה. החוק השני של קפלר מתייחס למהירות המסלולית של כוכב לכת ולמרחקו מן השמש. לפלנטה יש אנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית גדולה ביותר ואנרגיה קינטית מועטה כשהיא רחוקה מהשמש. ולהיפך, לפלנטה אנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית מועטה ביותר ואנרגיה הקינטית רבה ביותר כאשר היא הקרובה לשמש. המסלול הוא המרה מתמדת של שני סוגי אנרגיה אלה.
באדיבות pixabay
נניח שאסטרואיד מגיע מהחלל במהירות של 10 ק"מ לשנייה ומתרסק על פני כדור הארץ. לפני שהאסטרואיד פוגע בכדור הארץ, יש לו כמות מסוימת של אנרגיה קינטית. כמו כן יש כמות משמעותית אבל הרבה יותר קטנה של אנרגיה פוטנציאלית בשל מיקומו מעל הארץ. כאשר הוא נופל לכיוון הארץ ומאיץ, הוא מקבל אנרגיה קינטית נוספת. לאחר שהוא פוגע בכדור הארץ, הוא מגיע למנוחה ולכן אין לו אנרגיה קינטית או אנרגית כבידה ביחס לפני כדור הארץ. האם נעלמת האנרגיה שהייתה לו? זה אינו שינוי פשוט. האנרגיה הקינטית של האסטרואיד מחממת את אתר הפגיעה, נוצר פיצוץ, חלקים מהאסטרואיד מועפים לכל עבר, חלק מהם נופלים בחזרה על הארץ. (אם האסטרואיד גדול מספיק, קיימת מספיק אנרגיה בזמן הפגיעה כדי להפוך את האדמה והסלעים בהם פגע לאדים וחומר נוזלי) זמן קצר לאחר הפגיעה, תהיה במערכת כולה (אסטרואיד וכדור הארץ) כמות זהה של אנרגיה שהייתה לאסטרואיד טרם הפגיעה. אבל, האנרגיה הראשונית של האסטרואיד הפכה כעת לחום בחומר המרכיב את כדור הארץ.
מקורה של מרבית האנרגיה בכדור הארץ בשמש. אנרגיית האור מהשמש מגיעה לכדור הארץ, חלק ממנה מאוחסן כאנרגיה כימית בתאי הצמחים. חלק מאנרגיה זו נשמרת כדלקים מאובנים, אשר לאחר מכן ניתן לשחררה במנוע המכוניות או בחימום הבתים שלנו. אנחנו צורכים אנרגיה כימית כשאנחנו אוכלים. הגוף שלנו מצליח לפרק את הכימיקלים ולאחסן את האנרגיה בתאים שלנו. חלק מהאנרגיה כימית משוחרר בסופו של כחום כדי לשמור על הטמפרטורה של הגוף שלנו על כ- 37 מעלות צלזיוס. בדרך זו אנו יכולים למצוא בכדור הארץ שרשרת מורכבת של המרת אנרגיה שמובילה חזרה אל השמש. בחינת פעילויות בעולם הטבע מלמדת על השינויים הרבים שעוברים על האנרגיה שמקורה בשמש.
מדענים עברו מהרעיון של המרת אנרגיה לחוק פיזיקלי חשוב. בכל מערכת סגורה, כמות האנרגיה הכוללת היא קבועה. זהו חוק שימור האנרגיה. מה פירוש "מערכת סגורה"? אנחנו מתכוונים שאם אתה מצייר קופסה ענקית סביב הגופים שאליהם אתה מתייחס, האנרגיה בתוך הקופסה לא תשתנה. אנרגיה יכולה להשתנות בכל אחת מהדרכים שתיארנו, אך כמות האנרגיה הכוללת נשמרת. שימור האנרגיה הוא אחד העקרונות החשובים ביותר במדע.
חוק זה פועל גם במסלולים של גופים אסטרונומיים. האנרגיה הכוללת במסלול סגור היא קבועה. במסלול אליפטי יש חילוף מתמיד בין האנרגיה הקינטית לאנרגיה הפוטנציאלית אבל הסכום אינו משתנה. במסלול מעגלי, אין שינוי באנרגיה קינטית ולא בפוטנציאלית. במקרה של האסטרואיד פוגע בכדור הארץ, האנרגיה של הקינטית מומרת לכמות שווה של חום, אשר לאחר מכן הופך לאנרגיה תרמית, המוקרנת לאט לתוך החלל. אנרגיה נוצרת או נעלמת באופן שרירותי. מערכות רבות נוטות לאבד אנרגיה, אבל אם אתה בוחן את שינויי האנרגיה בזהירות תגלה כי האנרגיה האבודה הפכה לצורה אחרת. כדור מתגלגל או מטוטלת מתנדנדת נבלמים בסופו של דבר. בכל מקרה החיכוך הופך אנרגיה קינטית לחום. זה ברור יותר בדוגמה הרווחת של המרת אנרגיה בבלמי המכונית. כאשר אתה לוחץ על הבלמים, האנרגיה הקינטית של המכונית מומרת לחום בבלמים באמצעות חיכוך. עיצוב של רפידות הבלימה חייב לקחת בחשבון את שימור האנרגיה.
באדיבות pixabay
אנחנו יכולים להוריד את הדיון ארצה בעזרת דוגמה אנושית. אנשים מקבלים את האנרגיה שלהם מן המזון שהם אוכלים. אנרגיית המזון נמדדת בקלוריות, שהיא כמות האנרגיה הדרושה לחימום 1 ק"ג של מים ב -C °1. במערכת היחידות בפיזיקה
1 קלוריות = 4186 ג'אול. האנרגיה הכימית המאוחסנת במזון משמשת אותנו בדרכים שונות באמצעות הגוף שלנו. אנרגית המזון שומרת על טמפרטורת גוף גבוהה, ומרביתה משוחררת כחום. אדם מבוגר צורך בממוצע 2500 קלוריות ליום.
2500 × 4186 = 1.05 × 107 Joules
עכשיו אנו מציינים כי ישנם 24 × 60 × 60 = 86,400 שניות ביום. אז קצב שבו הגוף האנושי מייצר חום הוא:
1.05 × 107 / 8.64 × 104 = 121 Joules per second = 121 Watts
כל אחד מאתנו מקרין אנרגיה רבה כמו נורת להט! אם אתם צורכים יותר מו 2500 קלוריות ליום, האנרגיה הנוספת נשמרת במקום כלשהו. אם יש צורך לממש קלוריות נוספות ניתן להמיר חום לקרינה ממאגרים אלה. אם לא ממשים אנרגיה זו, הקלוריות נוספות מאוחסנים כאנרגיה כימית בשומן. נושא שמירת הכושר והדיאטה נוגעה בסופו של דבר בחוק שימור האנרגיה.
Author: Chris Impey