Enerjinin Korunumu yasası nedir? Enerjinin dönüşümü nasıl olur? Yasanın temel ilkeleri, momentum, enerji formülleri, açıklaması, örnekler.
Enerjinin Korunumu
Enerjik nesneleri hareket ettiren veya değiştiren canlandırıcı bir kuvvettir. Kılıktan kılığa giren enerji, kendisini yükseklik veya hızdaki bir değişim, ilerleyen elektromanyetik dalgalar veya sıcaklığa neden olan atomların titreşimi olarak gösterebilir. Enerji bu türler arasında şekil değiştirebilse de toplam enerji miktarı daima korunur. Daha fazlası yaratılamaz ve asla yok edilemez.
Enerjiyi, harekete geçirici temel bir güç olarak hepimiz iyi biliriz. Eğer yorgunsak enerjimiz yoktur; etrafta neşeyle dolaşıyorsak enerjimiz vardır. Peki ama nedir enerji? Bedenimizi çalıştıran enerji yakılan kimyasal maddelerden gelir. Moleküllerin bir türden bir başkasına dönüştüğü bu süreçte enerji açığa çıkar. Peki bir kayakçının yokuş aşağı hızlanmasına veya bir ampulün parlamasına neden olan ne tür enerjilerdir? Bunlar gerçekten de aynı şey midir?
Bu kadar farklı biçimi olan enerjiyi tanımlamak zordur. Ne yaptığını ve nasıl ele alınması gerektiğini bilseler de, günümüz fizikçileri bile enerjinin özünde ne olduğunu bilmez. Enerji maddenin ve uzayın bir özelliğidir; yaratma, hareket ettirme ve değiştirme potansiyeli olan bir çeşit yakıt veya paketlenmiş bir kuvvettir. Eski Yunan’a kadar uzanan doğa felsefecilerinin onun bir kuvvet ya da nesnelere yaşam veren bir öz olduğu şeklinde belirsiz bir enerji anlayışları vardı ve bu anlayış çağlar boyu peşimizi bırakmadı.
Eneıji dönüşümü
Enerjinin bir biçimden başka bir biçime dönüşebileceğini fark eden ilk kişi Galileo’dur. İleri geri sallanan bir sarkacı izlerken, çekülün ucundaki topuzun, yükseklik ile hızı değiş tokuş ettiğini fark etmiş, en yüksek noktada hızının sıfır olduğunu, en alçak noktadaysa en hızlı ol duğunu gözlemlemiştir.
Galileo, çekül salınırken birbirine dönüşen iki farklı enerji biçimi olduğu sonucuna vardı. İlki yerçekimi potansiyel enerjisiydi; yerçekimine karşı koyarak bir cismi yukarı doğru yükseltebiliyordu. Bir kütleyi yukarı kaldırmak için yerçekimi enerjisi eklenmesi gerekir; nesne düşerken bu enerji bırakılır. Dik bir tepeye hiç bisikletle çıktıysanız, yerçekimiyle mücadele etmenin ne çok enerji gerektirdiğini bilirsiniz. Çekülün ucundaki topuzdaki diğer enerji, kinetik enerjidir, yani hıza eşlik eden hareket enerjisi. Dolayısıyla sarkaç yerçekimi potansiyel enerjisini kinetik enerjiye, kinetik enerjiyi de yerçekimi potansiyel enerjisine dönüştürür. İşini bilen bir bisikletçi de tam olarak aynı mekanizmayı kullanır. Dik bir tepeden inerken hızlanır ve hatta pedal bile çevirmeden en alçak noktaya ulaşır ve bu hızı bir sonraki tepenin bir kısmını tırmanmak için kullanır.
Potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüşümü evlerimize elektrik sağlamak için kullanılır. Hidroelektrik ve gelgit barajlarında su belli yükseklikten bırakılır, onun hızı kullanılarak türbinler çalıştırılır ve elektrik üretilir.
Enerjinin çok yüzü
Enerji, değişik yollarla depolanabilen birçok farklı türüyle kendini gösterir. Sıkıştırılmış bir yay, gerektiğinde serbest bırakabileceği esnek enerjiyi depolayabilir. Isı enerjisi sıcak bir maddedeki atomların ve moleküllerin titreşimini arttırır. Örneğin ocaktaki metal tavanın atomları, enerji verildiği için daha hızlı titreşir. Enerji ışık veya radyo dalgaları halinde elektrik ve manyetik dalgalar olarak da iletilebilir. Ayrıca sindirim sistemimizde olduğu gibi, birtakım kimyasal tepkimelerle serbest bırakılan kimyasal enerji olarak da depolanabilir.
Einstein, kütlenin de madde yok edilirken serbest kalan bir enerji olarak ifade edilebileceğini göstermiştir. Yani kütle ve enerji eşdeğerdir. Bu onun ünlü E = mc2 eşitliğidir. Bir m kütlesinin yok edilmesiyle açığa çıkan enerji, kütle (m) ile ısık hızının (c) karesinin çarpımına eşittir. Bu enerji, nükleer patlamalarda ya da Güneş’imize gücünü sağlayan füzyon tepkimelerinde açığa çıkar. Çok büyük olan ışık hızıyla çarpıldığı için (ışık boşlukta saniyede 300 milyon metre hızla ilerler), birkaç atomun yok edilmesiyle bile ortaya muazzam bir enerji çıkar.
Evlerimize ve endüstriye güç sağlamak için enerji kullanırız. Enerjinin üretilmesinden söz etsek de aslında enerji bir türden diğerine dönüştürülür. Kömür ve doğal gazdaki kimyasal enerjiyi alıp türbinleri döndürerek elektrik üreten ısıya dönüştürürüz. Aslında kömür ve gazdaki kimyasal enerji bile Güneş’ten gelir, dolayısıyla Dünya’da işleyen hemen hemen her şeyin kaynağı güneş enerjisidir. Dünya’daki enerji kaynaklarının sınırlı olmasından endişelensek de, yararlanabildiğimiz takdirde Güneşten doğrudan alabileceğimiz enerji miktarı bile ihtiyacımız olan güç için fazlasıyla yeterlidir.
Enerjinin korunumu
Fizikte enerjinin korunumu ilkesi denince evde kullandığımız enerjide tutumlu olmaktan çok daha farklı bir şey anlaşılır. Bu ilkeye göre, farklı enerji türleri birbirine dönüşse de toplam enerji miktarı değişmez. Bu kavram birçok enerji türü üzerinde ayrı ayrı çalışıldıktan sonra görece yakın bir tarihte ortaya çıkmıştır. Enerji sözcüğünü fiziğe 19. yüzyılın başlarında Thomas Young kazandırmıştır. Ondan önce (sarkacın matematiği üzerine çalışan) Gottfried Leibniz tarafından bu yaşam kuvveti vis vivâ olarak adlandırılmıştı.
Bir tek kinetik enerjinin korunmadığı hemen fark edildi. Toplar ve volanlar zamanla yavaşlıyor, sonsuza kadar hareket etmiyorlardı. Hızlı hareketler sık sık makinelerin sürtünme yoluyla -örneğin metal top namlusu delinirken- ısınmasına neden oluyordu. Buradan hareketle, deneyciler açığa çıkan enerjinin gittiği yerlerden birinin ısı olduğu sonucuna vardılar. Zaman içinde, makinelerin işleyişindeki tüm farklı enerji türlerinin açıklaması yapılırken, biliminsanları enerjinin yok edilmediğini ve de yaratılmadığını, yalnızca bir türden bir başkasına aktarıldığını görmeye başladılar.
Enerji formülleri
Yerçekimi potansiyel enerjisi (Ep) cebirsel olarak Ep = mgh şeklinde ifade edilir; yani potansiyel enerji eşittir kütle (m) çarpı yerçekimi ivmesi (g) çarpı yükseklik (h), Newton’ın ikinci yasasında F= ma olduğu düşünülürse, enerji, kuvvet çarpı uzaklık olur. Dolayısıyla kuvvet, enerjinin bir bileşenidir.
Kinetik enerji (Ek) cebirsel olarak Ek = 1/2 mv² şeklinde ifade edilir. Burada enerji miktarı, hızın (v) karesiyle orantılıdır. Bu eşitlik ortalama kuvvet ile gidilen yolun çarpımından da çıkarılabilir.
Momentum
Fizikteki korunum kavramı enerjiyle sınırlı değildir. Bundan başka, doğrusal momentumun korunumu ve açısal momentumun korunumu da vardır. Kütle ve hızın çarpımı olan doğrusal momentum, hareket halindeki bir cismin yavaşlatılmasının zorluğunu anlatır. Hızla giden ağır bir cismin momentumu yüksektir ve yönünü değiştirmesi veya durması zordur. Örneğin saatte 60 kilometre hızla giden bir kamyonun momentumu, aynı hızla giden bir arabadan daha büyüktür ve size çarpacak olursa çok daha fazla zarar verir. Momentum yalnızca bir büyüklük değildir; hızından dolayı bir de yönü vardır. Cisimler çarpıştığında toplamda hem büyüklüğü hem de yönü korunacak şekilde momentum değiş tokuşu yaparlar. Eğer bilardo oynadıysanız bu kuraldan yararlanmışsmızdır. İki top çarpıştığında, momentum korunacak şekilde hareket birinden diğerine aktarılır. Bu nedenle duran bir topa hareket halindeki bir topla vurduğunuzda, her iki topun da gittiği yollar, başlangıçta hareket halinde olan topun hız ve yönünün bir kombinasyonu olur. Her ikisinin de hızı ve yönü, momentumun korunumu ilkesinden bulunabilir.
Açısal momentumun korunumu da benzerdir. Bir nokta etrafında dönen bir cismin açısal momentumu, nesnenin doğrusal momentumu ile dönme noktasına olan uzaklığının çarpımı olarak tanımlanır. Açısal momentumun korunumunu dönen buz patencisinde görebiliriz. Patenci kollarını ve bacaklarını yanlara açtığında yavaş döner ama kol ve bacaklarını bedenine doğru çektiğinde dönüşü hızlanır. Bunun nedeni, daha küçük boyutların açısal momentumu korumak için daha yüksek dönme hızına gereksinim duymasıdır. Bunu döner büro sandalyesinde siz de deneyebilirsiniz.
Enerjinin ve momentumun korunumu, modern fiziğin hâlâ temel ilkeleri arasındadır. Bu kavramlar genel görelilik ve kuantum mekaniği gibi güncel konularda bile kendine yer bulur.
