ForumSinsi - 2006 Yılından Beri - Enerji Çeşitleri Ve Dönüşümleri

Enerji Çeşitleri ve Dönüşümleri

Enerji kısaca iş yapabilme yeteneğidir. Tıpkı uzunluklar gibi skaler büyüklüktür. Toplamda 8 ana enerji çeşidi verdır. Bunlar potansiyel, kinetik, ısı, ışık, elektrik, kimyasal, nükleer ve ses enerjisidir. Unutmamamız gereken ise hiçbir enerjinin kaybolmadığıdır. Olsa olsa başka bir enerji türü olmuştur.

POTANSİYEL ENERJİ Bir cismin konumu ve durumu yüzünden sahip olduğu enerjidir. Gerilmiş bir yayda, havada duran bir cisimde ve iple tavandan asılı bir modelde potansiyel enerji vardır. Kısaca yüksekliği olan ya da gerilmiş/sıkıştırılmış tüm cisimlerde potansiyel enerji mevcuttur.

KİNETİK ENERJİ Kinetik enerjiye sahip olmak için bir cismin hareket ediyor olması lâzımdır. Yani kinetik enerji hızı olan cisimlerin sahip olduğu enerji çeşididir. Bunlara örnek olarak koşan çocuk, dönen tekerlek ya da yüksekten düşen bir top gösterilebilir.

ISI ENERJİSİ Cisimlerin sıcaklıkları yüzünden sahip olduğu enerjidir. Sıcaklığı yüksek ya da düşük bütün maddelerin ısı enerjisi vardır. Örnek verecek olursak: ampul, elektrik sobası, jeotermal enerji, ısıtıcılar

ELEKTRİK ENERJİSİ Bu enerji türü bu sitedeki ana başlıklardan birini oluşturur. Cisimlerin elektrik yükleri sebebiyle sahip oldukları enerjidir. Eğer bu konu hakkında daha çok bilgi edinmek istiyorsanız buraya basın.

IŞIK ENERJİSİ Bu enerji türü karanlık bir odayı aydınlatabilecek bir enerji türüdür. Zaten adı üstünde. Yanan odun, ampul, Güneş, lamba vb. şeyler bir şekilde sahip oldukları enerjinin bir kısmını ışık enerjisine çevirir.

KİMYASAL ENERJİ Maddelerin kimyasal reaksiyonlarda bulunması sonucu ortaya çıkar. Yanma, Yakma ve benzeri olaylar bir enerji sonucu olur ve onlar da bir enerji açığa cıkartır.

NÜKLEER ENERJİ Fisyon veya füzyon sonucu meydana gelir. Nükleer santrallerden bu şekilde elektrik elde eder. (Bir şemasını görmek için buraya tıklayın.) SES ENERJİSİ Sesin enerjisi olduğunu nasıl anlayabiliriz? Şu örnekle açılanabilir: Camın kırılması. Hani o yüksek şiddetteki çığlıkların kırdığı camları anımsayın. Bunlar sesin enerjisi yüzündendir. Zilin kinetik enerjisi ses ve biraz da ısı enerjisine dönüşür. Yani kol zile vurdukça sesin çıkması enerji dönüşümüdür.

ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ

Daha önce de bahsedildiği gibi hiçbir enerji kaybolmaz. Sadece dönüşüm sonucu başka bir enerji türü olur. Yani, evrendeki enerji toplamı değişmez. Buna enerjinin korunumu denir. Bu kısmı daha çok şekiller vasıtasıyla anlatmak istiyorum. Şekilleri görmek için başlıklara basın. İlk örneğimiz hidroelektrik santrali. Kademe kademe anlatmakta yarar görüyorum. Nehirlerden gelen suyun kinetik enerjisi barajda potansiyel enerjiye dönüşür. Bu potansiyel enerji kapaklardan akarak doğrusal hareketle bir kinetik enerjiye dönüşür. Buradan da türbin görevi devralır. O doğrusal hareketi dairesel harekete çevirir; ama hâlen kinetik enerjidir. Jeneratör türbinden aldığı bu enerjiyi elektrik enerjisine çevirir ve trafolara gönderir. Bundan sonra uzun bir yolculuk sonrası evinize gelen elektrik fırınlarda ısı enerjisine, saç kurutma makinelerinde ısı enerjisine ve kinetik enerjiye, ampulde ise ışık enerjisine dönüşür. Böylece 5 kademe atlatmış olan kinetik enerji sonunda bizim yararımıza çalışmış olur.

ARABANIN ANİ FREN YAPMASI
Bu hidroelektrik santralinin işleyişinden daha basittir; ama sonuç olarak enerji dönüşümü olduğu için yazmak istedim. Arabadaki yakıtın yanması (kimyasal enerji) basınç yaratarak pistonu aşağı iter ve bu enerjisini (kinetik, doğrusal) krank miline iletir. Krank mili alığı bu enerjiyi doğrusaldan dairesele çevirir ve tekerleklere iletir. Tekerlek aldığı bu dairesel hareketi doğrusal harekete çevirir ve araba hareket etmeye başlar. Hızlandıktan sonra sürücü önüne bir şey çıkınca durmaya kalarsa arabanın hareketi yavaşlar, yani kinetik enerjisi de azalır. Bu enerji kaybolmaz, sadece ses ve ısı enerjisine dönüşür. Fren balatalarının disklere sürtmesi sonucu ses ile ısı ve lastiğin sürtünmesi sonucu da yine ısı ortaya çıkar.

POTANSİYEL ENERJİ Potansiyel enerji belli bir yükseklik ya da gerginliği olancisimlerin sahip olduğu enerji türüdür. Biz aşağıda sadece yükseklik bahsini işleyeceğiz. Yüksekliği olan her şeyin potansiyel enerjisi de vardır. Bu enerji gerektiğinde kullanılarak başka enerjilere dönüşebilir (örneğin bir kitabı yüksekte tutarken bırakırsak potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür.)

POTANSİYEL ENERJİYİ HESAPLAMA
Potansiyel enerji 3 şeye bağlıdır: cismin kütlesi, cismin yerden yüksekliği ve yerçekimi. Bunların hepsiyle doğru orantılıdır, yani biri arttığında potansiyel enerji de artar. Yukarıda verilen bilgilere de dayanarak potansiyel enerjinin fomülünü vermek istiyorum. Hatırlarsanız Enerjiyi ?E?, potansiyel enerjiyi de ?EP" olarak gösteriyorduk. EP=kütle x yerçekimi x yükseklik yani EP=m x g x h Örnek Kütlesi 10 kg olan bir taş yerden 5 m yüksekte duruyor. Bu taşın sahip olduğu potansiyel enerji kaç Joule?dür? (g=10N/s2) EP=m.g.h EP=10kg . 10 m/s2 . 5 m EP=10kg m2/s2 EP=10 J

KİNETİK ENERJİ
Bir cismin kinetik enerjisinin 0?dan büyük olması bize o cismin hareket ettiğini anlatır. Yani kinetik enerji sadece hareketlilerde mevcuttur ve bu enerjiyi cismin hereket ettiği için sahip olduğu enerji? diye tanımlarız. Bu enerji elektrik üretmede kullanılabilir.

KİNETİK ENERJİYİ HESAPLAMA
Kinetik enerji, potansiyel enerjiden farklı olarak 2 şeye bağlıdır: cismin kütlesi ve cismin hızı. Bunların ikisiyle de doğru orantılıdır. Kinetik enerjinin fomülü şu şekildedir. Hatırlarsanız Enerjiyi "E", kinetik enerjiyi de "EK" olarak gösteriyorduk. EK=½ x m x v2 Örnek 2 saniyede 520 m yol alan ve 300 000 kg kütleye sahip olan bir Boeing 747?nin sahip olduğu kinetik enerji tam hız giderken kaç Joule?dür? EK = ½ . 260 .260 . 300 000 EK = 2602. 150 000 EK =10 140 000 000 J

Enerjinin Dönüşümü Hareket halinde bulunan bir otomobilin, hareket etmek için benzine ya da benzer bir yakıta ihtiyaç duyduğunu hepimiz biliriz. Bu yakıt ya benzindir, ya mazottur ya da otogazdır. Ancak ne olursa olsun aracın hareketi için bir tüketimin yapılması gerekmektedir. Netice itibari ile de şu kanun aklımıza gelmektedir:'Madde vardan yok, yoktan var olmaz.' Hakeza, enerjinin korunumu yasası da burada devamı mahiyetinde ifade edilmektedir:Enerji vardan yok, yoktan var olmaz. Termodinamiğin ikinci yasası der ki:'Uzayda yer alan enerji miktarı sabittir, sadece dönüşüm vardır.' Burada durağan bir olaydan bahsedilmemektedir. Aksine, devamlı dinamiği olan bir dize hareketten bahsedilmektedir. Madde-enerji ve enerji-madde dönüşümü sürekli olmakta ve bu olay büyük bir denge içerisinde devam etmektedir. Sizin vücudunuzdan yayılan ya da bir tüpten yayılan alevin ısısı hiçbir zaman kaybolmamakta ve uzayın derin köşelerinde entropi dağılımına ön ayak olmaktadır. Enerjinin vardan yok, yoktan var olmayacağı gerçeği ile enerjinin şekil değiştirme ilkeleri birleştiği zaman, kainat efsanesinin çalışma dizesi hakkında bilgi sahibi oluruz. İlk başta verdiğim otomobil örneğinde benzinin içerisinde bulunan kimyasal enerji, 4 zamanlı bir motor sayesinde hareket enerjisine çevrilmektedir. Burada ki dönüşüm ise, kimyasal bağların koparılması sonucu oluşan ısının harekete çevrilmesi şeklinde bir dize akımı sergilemektedir. İfade tarzı ile de, kimyasal bağları bulunan ve birer karbon ürünü olan benzin yakılarak ısıya ve bu ısıda harekete çevrilmektedir. Siz diyebilirsiniz ki; nasıl olurda ısı harekete çevrilebilinir? Ocağınızda kaynayan ve buhar vermeye başlayan bir çaydanlığa rüzgar gülünü yaklaştırdığınız zaman; buharın etkisi ile döndüğünü fark edersiniz. Burada ısının harekete çevrilmesine basit bir örnek vermiş bulunmaktayız. Bu örnekleri ise binlere ve hatta milyonlara çıkarmamız mümkündür. Peki, bir işin yapılabilmesi için enerjiye ihtiyaç duyuluyorda, insanların yaptıkları işler için nasıl bir enerji şekli kullanılmaktadır? Bu sorunun cevabı ilköğretimden başlayıp neredeyse hayatımızın tamamını kapsayacak şekilde bizleri meşgul etmektedir. Bizler yaşamak için yiyecekler yer ve su içeriz, aynı zamanda havayı soluruz. İşte, işin özü burada yatmaktadır. Nasıl ki karbon ve hidrojen ürünü fazla olan ve petrol polimeri olan benzin yakıldığında hareket sağlanıyor, bizim yediğimiz yiyeceklerde büyük bir yanma reaksiyonu gerçekleştirerek enerji elde etmektedir. Bu arada oluşan ısı düzeyi de hem proteinlerin ve hemde vücudun diğer fonksiyonlarının düzgün çalışması için kullanılmaktadır. Entropi olarak dağılan vücut ısısı, uzayın entropi düzeyininde dengede tutulmasında rol oynamaktadır. Belki size son söylediğim garip gelmiştir, ancak bu dediğim doğrudur.Bizler çoğalırken aslında Dünya'nın ağırlığı artmamaktadır. Doğada var olan maddeler bir araya gelmekte ve netice itibari ile de onikisentrilyon ton olan dünya kütlesi korunmaktadır. Aynı biçimde, kainatın kütlesi korunmakta, bunun yanında kainatın enerji düzeyi de korunmaktadır. Big-bang teoremi doğrudur, ancak benim kastetiğim nokta, uzayın büyümediği değil, kütle ve enerjinin korunduğu prensibidir. Kainatta var olan atom molekülü ile, var olan joule ifadesi ile ifade edebileceğimiz enerji hep denge altındadır. Odun yandığında hiçbir şey kaybolmamakta, bir miktar enerji ile beraber gaz ve kül çıkmaktadır. Eğer kimya bilimi çok ileri düzeylere ulaşsa ve bu çıkan şeyler bir araya getirilse yine odunu oluşturabiliriz. Odun yandı, o zaman madde miktarı azaldı mı? Hayır, maddenin bir kısmı kızılötesi ışınlar halinde entropi dönüşümüne katıldı; yani yoktan var olmadı, vardan yok. Nasıl ki fission olayı ile madenin parçalanması sağlanıyor ise, füzyon olayı ile de birleştirme sağlanabilmektedir. Eğer yakılan odunun çıkan artıkları, karbon düzeyine erişmiş bir süpernova tiplemesinde olduğu gibi bir araya getirilebilse; yani füzyon reaksiyonuna uğratılabilse, tekrar odunu oluşturmamız mümkündür. Nasıl ki biz odunu yakıp bir miktar enerji elde ettik, ömrünü bitiren yıldızlarda enerji denklemlerini bozarak yeni maddeler oluşturmakatdır. Burada kaybolan odun yerine bu yıldızlarda yeni madde tiplemeleri oluşmaktadır. Karbona ve hatta demire varıncaya kadar sıkışma meydana gelmekte ve bizim burada yakıp kül ettiğimiz odunda bu şekilde kainatta tekrar oluşturulmaktadır. lütfi şahin.. Enerji dönüşümlerine örnekler; - Barajlardaki depolanmış suyun potansiyel enerjisi vardır. Bu potansiyel enerji su serbest bırakılınca hareket enerjisine dönüşür ve elektrik üreten jeneratörlerin dönmesini sağlayarak elektrik enerjisine dönüşür. -Silgi ile yazdıklarımızı sildiğimiz zaman silginin ısındığını farkederiz. Burada hareket enerjisi ısı enerjisine dönüşmüştür. -Bisikletlerde yer alan dinamo tekere sürtünerek döner ve bisiklette bulunan ufak bir ampülü yakar. Bu durumda hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüşmüştür. - Kaydırakta kayan çocuklar kaydırağın tepesine çıktıklarında yere göre bir potansiyel enerjiye sahip olurlar. Kayarlarken bu potansiyel enerji kinetik enerjiye yani hareket enerjisine dönüşüyordur. -Elektrik enerjisi, farklı araç-gereçlerin yardımıyla diğer enerji türlerine dönüştürülebilir. Örneğin, serinlemek amacıyla kullandığımız vantilatörde hareket, radyoda ise ses enerjisine dönüştürülmektedir. -Güneş,yerküreyi ısıtan bir enerji kaynağıdır.yeryüzüne ulaşan güneş ışınları ısı enerjisine dönüşürler.mesela binaların çatılarında bulunan su depoları güneş enerjisini depo ederek suyun ısınmasına neden olurlar; yani güneş enerjisi ısı enerjisine dönüşmüş olur ve suyu sıcak bir şekilde kullanmış oluruz . -Akü ve pillerde depolanan kimyasal enerji, kullanım aşamasında elektrik enerjisine dönüşür. Kömürde depolanan kimyasal enerji de yanma sırasında ısı enerjisine dönüşmektedir

Enerji; iktisatçılar için yakıt anlamına gelen, fen adamları için ise varoluşun temel şekillerinden biri olup madde ile eşdeğer olan ve maddeye dönüştürülebilen bir kavramdır. Kütle-enerji denkliği Einstein denkleminde E=mc2 olarak ifade edilmiştir. Burada;m kütleyi, E bunun enerji eşdeğerini göstermekte, c ise elektromanyetik sabit (ışık hızı)’i simgelemektedir. Bu sabit çok büyük bir sayı olduğundan çok küçük bir kütle parçası bile, çok büyük miktarda enerjiye eşdeğer olmaktadır. Ancak bu yalnızca nükleer reaksiyonlarda gerçekleşen bir enerjidir ve kütlenin enerjiye dönüşümü yıldızlar için önemli bir enerji kaynağı oluştursa bile;bu olay yeryüzündeki fiziksel olaylarda bu denli önemli rol oynamamaktadır(nükleer güç istasyonları dışında.). Kütle-enerji korunmasıyla ilgili kanun evrendeki ya da evrenin bir bölümünü oluşturan soyutlanmış (izole) bir sistemdeki toplam kütle-enerji miktarının değişmez olduğunu belirtmektedir. Hiçbir nükleer reaksiyonun olmadığı izole bir sistemde bu; hem enerjinin hem de kütlenin toplam miktarlarının değişmez olduğu anlamına gelir. Bu nedenle enerji, genelde korunmuş durumdadır. Enerji, birbirine eşdeğer birçok şekillerde ortaya çıkabilir. Bunlardan en sık olarak rastlananı ısıdır, yani madde moleküllerinin hareketidir. Öteki tüm enerji çeşitleri, eninde sonunda ısı hareketlerine dönüşme eğilimi taşırlar. Bir diğer enerji şekli de, elektronların hareketi olan elektriktir. Elektronların hareketi elektromanyetik alan yaratır ve böylece elektromanyetik enerji oluşur. Makroskobik cisimler hareket ettiklerinde, bu hareketleri nedeni ile bir enerji taşırlar. Bu enerji, onların KİNETİK ENERJİleridir ve ½ mV2formülüyle hesaplanır. Burada; m kütleyi, V ise hareket hızını gösterir. Hareketli bir cismin hızını değiştirmek ya da duran bir cismi harekete geçirmek için ona bir kuvvet uygulanmalı ve bir iş yapılmalıdır. Bu iş, cismin kinetik enerjisindeki değişikliğe eşittir. Fizikçilerin ilk enerji tanımlamalarından biri bu özellikten kaynaklanır. Bu tanımlamaya göre iş: ‘İş yapabilme yeteneği’ dir. İş karşı koyan bir kuvvete karşı yapılırsa sistemde POTANSİYEL ENERJİ birikir ve bu her zaman serbest kalmaya hazırdır. Bu engelleyici kuvvet elektromanyetik, elektrostatik nitelik taşıyabilir ya da burucu veya gerici bir kuvvet olabilir. Yeryüzünde m kütlesine sahip bir cisim h yüksekliğine kaldırılacak olursa, bunun yerçekim potansiyel enerjisi mgh formülüyle hesaplanır. Burada; g yerçekimine bağlı ivmedir. Eğer cisim bu yükseklikteyken bırakılırsa düşer ve V hızıyla yere çarpar. Burada az önce sahip olduğu potansiyel enerji, ½ mV2ile hesaplanan kinetik enerjiye dönüşmüştür. Ses enerjisi, havanın titreşimi şeklindeki bir kinetik enerjidir. Kimyasal enerji, bir reaksiyonun yürüyüşü sırasında kimyasal bir sistemden açığa çıkan enerjidir. Tüm enerji şekilleri eşdeğer olmakla birlikte, dönüşüm olaylarında daima % 100 verim elde edilemez (Ortaya çıkan enerji kaçağı, her zaman ısı olarak görülür.). SI sisteminde enerji birimi, joule’dür.

ENERJİNİN KORUNUMU PRENSİBİ

Enerji kendi kendine var olamaz, var olan enerji ise kendi kendine yok olamaz. Fakat bir tür enerjiden başka bir tür enerjiye dönüşebilir. Örneğin; barajlarda toplanan su önce potansiyel enerji kazanır, sonra kinetik enerjiye, daha sonra elektrik enerjisine, oradan da mekanik, ısı ve ışık enerjisine dönüşebilir.
Toplam enerji daima sabittir. Toplam enerjinin sabit olması demek, bir tür enerji azalırken başka bir tür enerji ya da enerjilerin aynı miktarda artması demektir.
1. Sürtünmelerin ihmal edildiği mekanik sistemlerde kinetik ve potansiyel enerjinin toplamı sabittir. Yani mekanik enerji korunur.

EToplam = EK + EP = sabit

Sürtünme olmadığı zaman, enerji dönüşümü yalnız kinetik ve potansiyel enerji
arasındadır.
2. Sürtünmeli sistemlerde mekanik enerji ( Ek + Ep ) sabit değildir. Toplam enerjinin bir kısmı sürtünmeden dolayı ısıya dönüşmektedir. Isıya dönüşen enerji sürtünme kuvvetinin yaptığı işe eşittir.

EToplam = EK + EP + E Isı

ENERJİ ÇEŞİTLERİ

Enerjinin birçok çeşidi vardır: Isı, ışık, güneş, hidrojen en., rüzgar en., kimyasal en., elektrik en., manyetik en., jeotermal en., yay potansiyel en. gibi…
Aşağıda bazı enerji türlerinin geniş açıklamaları verilmiştir:

ELEKTRİK ENERJİSİ VE MANYETİK ENERJİ

Fizikteki anlamıyla enerji, bütün kuvvet, hareket, ısı, elektrik ya da manyetik 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 tutulması sonucunu vermiş, aynı biçimde elektrik alanlarına ve manyetik alanlara, elektrik enerjisi ile manyetik enerjiden başlayarak iş üretebilen kuvvetlerin denk düştüğü anlaşılmıştır.

ELEKTRİK ENERJİSİ

Elektriklenmiş iki cismin birbirini çekmesi ya da itmesi, bir elektrik enerjisinin varlığını gösterir. Bu olay, elektrik alanının ve elektrik potansiyelinin tanımlanmasını sağlamıştır. Bir elektrik alanında, aralarında bir V potansiyel farkı olan iki nokta arasında bir q elektrik yükü yer değiştirdiğinde, verilen ya da alınan W enerjisi (hareketin yönüne göre), W=qV olur. Böylece bir noktadan öbürüne geçen bir elektron, bu noktalar arasında 1 voltluk bir potansiyel fark uygulandığında, 1 elektron-voltluk (yani 1,6*10-19 coulomb*1volt = 1,6*10-19 joule) bir enerji kazanır. Bir V potansiyel farkı altındaki c sığalı bir kondansatörün yüklenmesi, iki armatür arasında bir E elektrik alanı yaratmaktan başka bir etki olmaksızın, W=1/2cV2 ‘lik bir enerji harcaması gerektirir.

MANYETİK ENERJİ

Mıknatısların birbirini çekmesi ya da itmesi bir manyetik enerjinin varlığını gösterir. Akımlarla manyetik alanların üretilmesi ya da manyetik alanların ve akımların karşılıklı etkisi, elektrik enerjisi ve manyetik enerji arasında sıkı bir bağlantı olduğunu ortaya koyar.
Elektromanyetik olaylar, özellikle motorlarda, elektrik enerjisinin kolaylıkla mekanik işe dönüşmesini sağlarlar. Özindükleme katsayısı (indüktans) L olan bir bobin akımının I şiddetinde olması için W=1/2LI2 enerjisine, yani bir B manyetik alanı doğuracak harcamaya gereksinim vardır. Bu enerji, kondansatörün boşaltılmasıyla ya da bobinden geçen akımın kesilmesiyle geri alınabilir.

ELEKTROMANYETİK ENERJİ

Işığın elektromanyetik kuramı, ışınımların, elektromanyetik enerji adı verilen bir enerji (ışıma enerjisi) taşıyarak yayılan elektromanyetik dalgalar olduğunu göstermiştir. Çağdaş kuramlarsa, Einstein’ın yaptığı gibi, ışığın taneciksel ve dalgalı iki görünümü bulunduğunu kabul etmekte ve her bir fotona bir hv enerjisi ya da enerji kuvantumu maletmektedirler; burada, h Planck değişmezini (h = 6,62*10-34 j.s), v de göz önüne alınan ışınımın frekansını gösterir. Yıldızların yaydığı enerji olağanüstü büyüklüktedir; sözgelimi, Güneş yılda 1034 joulelük bir enerji yayar; bu, yaklaşık 3.1027 kWs (saatte 3 milyar kere milyar kere milyar kilowatt ) eder; bu da kütle ile enerji arasındaki eşdeğerliliğin gösterdiği gibi, yılda 1014 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 elektromanyetik kökenli olduğunu göstermiştir: Bir cismin kinetik enerjisindeki dW artışı, kütlesindeki dm artışı ile ışığın co hızının karesi ile çarpımına eşittir; dW= dm.co2 . Buradan, m kütlesinin W/co2 enerjisine eşit olduğu çıkar; dolayısıyla bir gramlık herhangi bir madde, 25 milyon kWs’e eşdeğerdir.

FİZİKSEL ENERJİ

İş üretebilen sistemlerde enerji var demektir. Bu enerji kavramı fiziğin bütün dallarında, çeşitli biçimlerde ortaya çıkmış, ama açıklığa kavuşması yavaş yavaş olmuştur.
İnsan ister kendi çıkarına kullanmak için bazı doğal kaynaklardan yararlan-maya 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 arttırabilir. Ama bütün bunlar karşılıksız olmaz ve kuvvette kazanılan, aşılan yolda yitirilir: İş bir kuvvetle bir yer değişikliğinin çarpımıdır. Dolayısıyla, bütün fiziğe egemen olan enerjinin korunumu yasası, özellikle işin korunumu biçiminde ortaya çıkar.

ENERJİNİN KORUNUMU

Yalın makineler iş üretemezler; bu iş, onları çalıştıran işçi ya da motor tarafından sağlanır. Söz konusu makineler yalnızca, işi bütünüyle koruyarak görevi kolaylaştırırlar. Bu koruma 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 iş 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. yüzyılın başında, Joule ve Carnot’nun temellerini atmış oldukları termodinamik doğmuştur.

İÇ ENERJİ

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 olma söz konusu değildir. İş, değişmekte olan sistemin kendi içinde depo edilir; depolana bu iş, iç enerji denilen enerjidir. Enerjinin uygulamalı kullanımı için makroskobik sistemler arasındaki alışverişler göz önüne alınırsa, bu sistemlerin mikroskobik bir iç yapıları bulunur: Molekül yapısı. Bir sistemin iç enerjisi, söz konusu mikroskobik yapıya ilişkin enerjidir: Taneciklerin kinetik enerjisi ve tanecikler arasındaki etkileşmeye bağlı olan potansiyel enerji.
XX. yüzyılın başına kadar fizikçiler enerjinin korunumu yasasından geniş ölçüde yararlanırken, kimyacılar da bir ‘korunum yasası’ndan (Lavoisier’in ‘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 eşdeğerliliğini kabul ederek, yiten kütleyi açıklamakla kalmamış, ayrıca iki büyük korunum yasasının olağanüstü bireşimini de gerçekleştirmiştir. Yalıtılmış bir sistem için, kütle ile enerjinin toplamı değişmezdir. Kütle ile enerji arasındaki eşdeğerlik Einstein’ın şu bağıntısıyla verilir: E = mc2 ; burada, m göz önüne alınan hızla hareket eden taneciğin kütlesi, c de ışık hızıdır. Dolayısıyla, 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 gerçekleşememiştir; çünkü hidrojen için enerji bir kez serbest bırakılınca, henüz ancak hidrojen bombasının yıkıcı gücü olarak kullanılabilir. Uranyum atomunun nötronlarla bombardımanıyla gerçekleştirilen uranyumun fisyonuysa, denetlenebilmekte ve nükleer santrallerde kullanılan atom pillerinin temel mekanizmasını 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 sürüklenmektedirler. Buna karşılık, Ay’ın ve fiziksel bir olay olan yerçekiminin varlığı söz konusudur. Gelgitler ve gelgit hareketlerindeki güce dayalı santraller de bundan kaynaklanmaktadır.

FİZİKSEL ENERJİNİN GELECEĞİ

Sonsuz küçük ve sonsuz büyüğün sunduğu bu enerjilerden geniş çapta yararlanmayı beklerken, yük hayvanlarından petrole 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 sorununu ortaya çıkarmaktadır. 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 da düşüşteki kinetik enerji, türbinler yardımıyla, dönme kinetik enerjisine dönüştürülmekte, bu da elektrik üreteçlerini (jeneratör) çalıştırmaktadır. Yüksek gerilimli bir elektrik şebekesi, üretilen elektriği taşıyarak, sözgelimi, görünür dalga boyu bölgesinde elektromanyetik enerji haline getirilip aydınlatmada kullanılmasını sağlar.

KİMYASAL ENERJİ

Tepkimeye yatkın bir ortam, mekanik, ısı, elektrik, ışık, vb. biçimindeki enerjiyi soğurabilir ya da üretebilir.

Yanma olaylarında, kimyasal enerji kullanılmakta ve mekanik enerjiye, ısıl 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, geri kalanıysa ısı 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 karbon dioksit gazının klorofile dönüşmesi, ışık enerjisinin soğurulması olmadan gerçekleşmezken, fosforlu maddeler, kimyasal değişmelere uğrayarak ışık yayarlar. Dolayısıyla, kimyasal enerjetik, her biri belli bir enerji biçiminin alışverişini konu edinen, çok sayıda dal içerir.

MEKANİK ENERJİ VE ISI ENERJİSİ

Dış ortama iş sağlayabilen bir sistemin enerjisi vardır. Böyle bir sistemde, bütünün hareketleri ya da cismin çeşitli bölümleri arasındaki etkileşmeler mekanik enerji kaynağı oluştururlar. Isı enerjisiyse, sistemi oluşturan taneciklerin, öz hareketlerinden kaynaklanır.

MEKANİK ENERJİ

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 g ilegösterilen bir hareket ilettiğini gösterir. Bu kuvvetin, güç etkisinin çizgisi doğrultusunda, x uzunluğundaki bir yer değiştirme sırasında ürettiği iş, tanım olarak W = Fx ‘e eşittir. Bu cisim, ideal koşullarda (hiçbir sürtünme yoksa), alınan işi geri verebilir. Gerçekten, eylemsizlik sayesinde koruyacağı bir V hızıyla kendi haline bırakılmış olan bu cisim, bir çarkla bağlanmış bir palete çarparsa, bu çarkı döndürecektir; dolayısıyla bir enerjisi vardır. Hareketin yol açtığı bu enerji, kinetik enerji diye adlandırılır ve E=mV2 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, manyetik ya da çekim potansiyel enerjilerinin tanımlanmasını sağlayan kuvvetler etki eder. 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 enerjinin 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 arda sıkışmalar ve genleşmelerden kaynaklanır.

ISI ENERJİSİ

Isı, çok sayıda fizik olayında ortaya çıkar. Joule’ün, 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 bütününün hareketleriyle ilgilenmez. Bu durumda kinetik enerji sıfırdır ve bir akışkanın DU iç enerji değişikliği, akışkana sağlanan iş ile bu akışkana verilen ısının toplamı olarak tanımlanır. Termodinamiğin birinci ilkesi, bu anlatımı, DU = W+Q bağıntısıyla açıklar. Burada, W dış ortam ile değiş tokuş edilen işi, Q ise ısı alışverişlerini simgelemektedir. 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 dönüştürülemez.
Gerçekten, ısı, moleküllerin çalkantısına, yani, kinetik enerjilerine denk düşer. Bu ısıl çalkantı, tam anlamıyla düzensiz olduğundan, kinetik enerjinin yalnızca, iki kaynak arasındaki sıcaklık değişikliğinden dolayı düzenli olan bölümü kullanılabilmektedir. Dolayısıyla 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, moleküllerinin kinetik enerjilerini aynı biçime sokmak için, ısıya dönüşür. Enerji yitimine yol açan da, insan açısından pek kullanışlı olmayan bu enerji dönüşümüdür.

NÜKLEER ENERJİ

Çekirdeklerin fisyonu ya da kaynaşması sırasında açığa çıkan enerjiye nükleer enerji denir. Çekirdeklerin kohezyonunu (cisimlerin moleküllerini kendi aralarında bağlayan kuvvet) sağlayan kuvvetler, son derece güçlüdür. Nükleonlardan (protonlar ve nötronlar) hareket ederek çekirdeğin oluşması sırasında, bu bileşenlerin kütlelerinin bir bölümü, söz konusu bağı, bağ enerjisi biçiminde sağlarlar. Demek ki, bir atom çekirdeğinin kütlesi, onu oluşturan protonların ve nötronların kütlelerinin toplamından her zaman daha düşüktür. Bu, m kütle yitimini betimleyen E bağ enerjisi Einstein’ın E = mc2 bağıntısı sayesinde hesaplanabilmektedir. Bu bağıntıda, c ışık hızıdır. Söz konusu enerjilerin belirlenmesi büyük önem taşır: Böylece, çekirdeklerin farklı kararlılıkları anlaşılabilir. Bir çekirdekteki nükleonlar arasındaki bağ enerjisi arttığı oranda, çekirdek kararlılık kazanır. Kütle yitiminin, orta bir değerdeki atom kütlesi olduğu ve demir gibi elementlerde, uranyum, plütonyum gibi ağır elementlerinkinden ya da hidrojen gibi hafif elementlerinkinden daha büyük olduğu saptanmıştır. En kararlı çekirdekler, yaklaşık 8 MeV’luk (1 megaelekronvolt = 1 000 000 elektronvolt) bir bağ enerjisi gösteren geçiş metallerinin çekirdekleridir. Bir uyarılma sonunda, ağır bir çekirdek bölünerek (fisyon) iki kararlı çekirdek verir. Kazanılan enerji, fisyon için gerekli olandan çok daha büyüktür. İki hafif çekirdeğin nükleer kaynaşma yoluyla birleşmesi sonunda da, önemli bir enerji elde edilir. Bu tanecikler arasındaki elektriksel iteleme, birçok zorluğa neden olduğundan, şimdilik, hidrojenin izotoplarının nükleer kaynaşmasıyla yetinilmektedir.

SONUÇLAR VE UYGULAMALAR

Dünya enerji tüketimi, her on yılda iki kat artmaktadır. Bu artış sürerse, 3*1016 kWs olarak değer biçilen, fosil enerjisi rezervlerinin (petrol, doğal gaz, kömür, bitümlü yapraktaş) hızlı biçimde tükeneceği hesaplanmıştır. Bu durumda, yeni enerji biçimlerinin araştırılması, insanlık için gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Yeni kaynaklar arasında da nükleer kaynaşma ve fisyonun ilk sırada yer aldığı, tartışma götürmez bir gerçektir. Denetimli fisyon, nükleer reaktörlerde gerçekleştirilmekte, açığa çıkan nükleer enerjinin bir bölümü, ısı enerjisi olarak kullanılmaktadır. Böylece, nükleer santraller elektrik üretmektedirler. Günümüzde yalnızca gemilerde kullanılan nükleer motor, ilke olarak nükleer santrallerin donanımını anımsatır. Fisyon sonucu açığa çıkan ısı, basınç altındaki suyun yüksek bir sıcaklığa ulaşmasını sağlar. Bu su, ısısını, basıncı daha düşük olan bir ikincil devrenin buharlaşan sulu değiştiricisine iletir. Üretilen buhar, pervaneleri ve elektrik üreteçlerini sürükleyen türbinleri çalıştırır. Gemilerdeki nükleer motorların üstünlüğü gemilere sağladıkları büyük hareket özerkliğidir. Termonükleer kaynaşmada, ‘yakıt’ olarak, okyanus sularında olağanüstü miktarda bol bulunan hidrojenin izotoplarından yararlanılmaktadır. Ama, bu kaynaşma tepkimesi, çok fazla enerji açığa çıkarmakla birlikte, söz konusu enerjinin, hidrojen bombasında olduğu gibi, apansızın bütünüyle açığa çıkmasını önlemek için, denetlenmesi gerekmektedir.

GÜNEŞ ENERJİSİ

Evrendeki en büyük enerji kaynağı Güneş’tir. Güneş enerjisi, Güneş’te yoğun olarak bulunan hidrojen ve helyum gazlarının çekirdeklerinde meydana gelen füzyon olayıyla ışıma enerjisi olarak açığa çıkmaktadır.
Güneş enerjisinin kullanılabilmesi için öncelikle toplanması gerekir. Bu toplama işlemi ısıl ve elektriksel olmak üzere iki farklı yöntemle yapılmaktadır. Basitlik ve ucuzluk gibi nedenlerle ısıl toplama yöntemi daha çok tercih olunur.
Güneş ısıl sistemlerinin düşük ve yüksek sıcaklık uygulamaları vardır. Düşük sıcaklık uygulamaları; yapıların ısıtılmasını, konut, sanayi ve tarımda çeşitli ısı gereksinimlerinin karşılanmasını kapsarken, yüksek sıcaklık uygulamaları; buhar üretiminden, maden ergitmeye kadar uzanmaktadır. Isıl uygulamaların pek çok kullanım alanları olup, tarımda ve çeşitli sanayi kesimlerinde sıkça uygulanmaktadır.

Güneş Pilleri:
Güneş enerjisinden elektrik elde etmenin değişik yöntemleri vardır. Ancak en yaygın ve verimli olanı güneş pilleridir. Güneş pilleri veya fotovoltaik hücreler, güneş enerjisini direkt olarak elektriğe çevirirler. Fotovoltaik etki ilk kez 1839’da Fransız fizikçi Edmund Becquerel tarafından bulunmuştur. İlk güneş pilleri ise 1954 yılında ABD’de Bell Laboratuarı’nda geliştirilmiştir.
Güneş pilleri, ilk yıllarda daha çok uzay çalışmalarında uyduların güç gereksinimlerini karşılamak için kullanılmışlardır. Güneş pillerinin, alternatif ve güvenilir bir enerji sistemi olarak görülmeye başlanması, 1970’lerin başında ortaya çıkan petrol krizi ile gerçekleşmiştir. Gelişen performanslarının yanı sıra, maliyetlerinin azalması ve güvenilirliklerinin artması, seçenek olarak öne çıkmalarını sağlamıştır.
Güneş pilleri, Güneş enerjisini direkt olarak elektriğe çevirirler. Güneş pili hücreleri, katmanlarından biri pozitif, diğeri negatif olmak üzere en az iki kat yarı-iletken maddeden yapılırlar.
Güneş pillerinin gelecekte yaygınlaşmasını sağlayan avantajları şunlardır:
** Ömürlerinin çok uzun olması,
** Bakım masraflarının az olması,
** Çevre dostu, temiz bir enerji kaynağı olması,
** Modüler olarak kullanılabilmesi (Kol saati ve hesap makinesi gibi küçük güçlü yerlerden, elektrik üretim santralleri gibi büyük güçlü yerlere kadar.)
** Çok kısa bir sürede devreye alınabilmesi, gibi…

SONUÇLAR

Enerji ihtiyacına gereksinimin artması ve bunun yanı sıra çevre bilincinin de kazanılması sonucu alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgi artmıştır. En önemli yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarından biri olan Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etme yöntemleri ve kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Görülen odur ki, çevre dostu ve tükenmez enerji kaynağı olan Güneş enerjisi ile ilgili araştırmalar gittikçe yoğunluk kazanmakta ve birçok alanda kullanımı yaygınlaşmaktadır. Güneşli günlerin bol olduğu ülkemizde de bu konudaki çalışmalar hız kazanmıştır ve bundan sonra ilginin daha da artacağı beklenmektedir.