Enerji Biçimleri

Enerji biçimleri ihtiyaç doğrultusunda birbirine dönüştürülebilir; bu sayede çeşitli teknolojik ürünler çalıştırılabilir. Evlerde kullanılan elektrikli ev aletlerinin birçoğu elektrikle çalışsa da elde edilen enerji biçimleri farklılık gösterir — örneğin saç kurutma makinesi elektrik enerjisini ısı ve mekanik enerjiye dönüştürür. Fizikte yedi temel enerji biçimi tanımlanır: mekanik, kimyasal, nükleer enerji ile ısı, ışık, ses ve elektrik enerjisi.

Mekanik Enerji

Bir cismin sahip olduğu mekanik enerji, o cismin hareketi ile kazandığı kinetik enerji ile bulunduğu konum dolayısıyla sahip olduğu potansiyel enerjinin toplamıdır. Örneğin hidroelektrik santrallerde ve barajlarda biriken suyun potansiyel enerjisi, suyun hareketiyle kinetik enerjiye dönüşür; bu suyun mekanik enerjisi türbinlerle elektrik enerjisine dönüştürülür. Kayak yapan bir sporcunun mekanik enerjisi de hızı nedeniyle sahip olduğu kinetik enerjisi ile konumu nedeniyle sahip olduğu potansiyel enerjisinin toplamına eşittir. Çeşitli şekillerde elde edilen mekanik enerjiyle iş yapılabilir ve elektrik enerjisi üretilebilir.

Kimyasal Enerji

Moleküllerin kimyasal bağlarında depolanmış enerji bulunur; bu enerjinin kimyasal tepkime sonucunda açığa çıkmasıyla kimyasal enerji elde edilir. Pil ve akülerde depolanan enerji kimyasal enerjidir; piller ve aküler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. Kimyasal enerji ısıya, ışığa veya mekanik enerjiye dönüştürülebilir: örneğin pildeki kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüşerek uzaktan kumandalı bir oyuncak arabayı çalıştırabilir, el fenerindeki kimyasal enerji ise ışık enerjisine dönüşerek karanlık bir yeri aydınlatabilir.

Nükleer Enerji

Nükleer enerji atom çekirdeğinden elde edilir. Güneş gibi yıldızlarda helyum, hidrojen, lityum gibi hafif çekirdeklerin birleşmesi (füzyon) veya nükleer santrallerde uranyum, plütonyum gibi ağır atom çekirdeklerinin bölünmesi (fisyon) sonucunda nükleer enerji oluşur. Nükleer reaktörde açığa çıkan çok yüksek ısı, suyu kaynatarak yüksek basınçlı buhar elde edilmesini sağlar; bu buhar türbinleri döndürerek kinetik enerji oluşturur ve bu kinetik enerji elektrik enerjisine dönüştürülür. Nükleer enerji, elektrik üretimi dışında tıp, endüstri, uzay çalışmaları ve savunma sanayisi gibi birçok alanda kullanılır.

Isı

Sıcaklıkları farklı olan maddeler bir araya geldiğinde veya birbirine temas ettiğinde aralarında enerji alışverişi olur; bu alışveriş sırasında alınan ya da verilen enerjiye ısı denir. Isı, sistemin moleküllerinin, atomlarının ve elektronlarının hareketleri sonucu ortaya çıkar. Cisimleri oluşturan moleküllerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına iç enerji denir; mutlak sıcaklığın (−273,15 °C, 0 K) üzerinde bir sıcaklığa sahip her sistemin iç enerjisi vardır. Isının SI'daki birimi jouledür (J); günlük hayatta "kalori" birimi de sıkça kullanılır.

Işık

Işık, belli bir kaynaktan çıkan, dalgalar hâlinde yayılan bir enerji biçimidir. Işık yayarak görülebilen cisimlere ışık kaynağı denir; Güneş ve yıldızlar doğal, lambalar yapay ışık kaynaklarına örnektir. Güneş'te gerçekleşen nükleer tepkimelerle hidrojen atomları helyum atomlarına dönüşürken elektromanyetik radyasyon olarak çok büyük enerji açığa çıkar; bu enerji foton adı verilen parçacıklarla taşınır. Elektromanyetik spektrumda (radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar yedi ana bölgeye ayrılan ölçek) yalnızca 380-700 nanometre aralığındaki dalgalar insan gözüyle algılanabilir. Işık, fotosentez sürecinde bitkiler tarafından kimyasal enerjiye dönüştürülerek ekosistemin temel enerji kaynağını oluşturur; ayrıca güneş panelleri aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülerek yenilenebilir enerji üretiminde, lazer teknolojilerinde, tıpta ve haberleşmede kullanılır.

Ses

Ses, katı, sıvı ve gaz ortamındaki moleküllerin titreşmesi sonucunda meydana gelir ve dalgalar hâlinde yayılır. Ses iletimi için maddesel bir ortama ihtiyaç duyduğundan boşlukta yayılmaz. Sesin iletilmesi sırasında ortamdaki moleküllerin yeri değişmez, yalnızca enerji bir molekülden diğerine aktarılır; bu iletim sırasında enerjinin bir kısmı taneciklerin çarpışması sonucu çoğunlukla ısıya dönüşür. Bazı opera sanatçılarının sesleriyle ince yapılı bardakları titreştirebilmesi, tıpta kullanılan ultrasonla böbrek taşlarının kırılması gibi olaylar sesin bir enerji biçimi olduğunu gösterir. Ses başka enerji biçimlerine dönüştürülebilir: yüksek ses kaynağının etrafındaki cisimlerin titreşmesi sesin kinetik enerjiye, mikrofonlardaki piezoelektrik malzemelerin ses dalgalarıyla elektrikle yüklenmesi ise sesin elektrik enerjisine dönüşebildiğini gösterir.

Elektrik Enerjisi

Elektrik enerjisi, iletken telin uçları arasına uygulanan potansiyel fark nedeniyle serbest elektronların ve iyonların hareketi sonucunda açığa çıkan enerjidir. Amaca uygun olarak başka enerji biçimlerine dönüştürülebilmesi nedeniyle elektrik enerjisi, günlük hayatta en çok kullanılan enerji biçimidir; aydınlatma, ısıtma, soğutma gibi amaçlarla ve son yıllarda otomobillerde de kullanılmaktadır. Elektrik enerjisi, termik, nükleer ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıyla elde edilen ikincil bir enerjidir; elektriğin depolanarak istenen zamanda kullanılabilmesi enerji verimliliğini artırır.

Örnek: Bir Otomobil Aküsünde Enerji Dönüşümleri

Bir otomobilin aküsündeki kimyasal enerji farklı enerji biçimlerine dönüşür: akü çalıştığında kimyasal enerji elektrik enerjisine çevrilir; bu enerji aracın elektronik sistemlerini ve motoru çalıştırmak için kullanılır. Motorun çalışmasıyla yakıttaki kimyasal enerji mekanik enerjiye dönüşerek araç hareket eder. Radyo bu elektrik enerjisini ses enerjisine, farlar ışık enerjisine, buji ise doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Bu dönüşümler sırasında sürtünmelerden dolayı ısı açığa çıkar. Akünün çalışması sırasında dönüşen enerji biçimleri, aynı kaynaktan elde edilme ve birbirine dönüşebilme konusunda benzerlik gösterirken, taşınma biçimi ve uygulama alanları bakımından birbirinden farklıdır. Bu örnek, tek bir enerji kaynağından (kimyasal enerji) aynı anda birden fazla farklı enerji biçiminin ortaya çıkabileceğini somut biçimde gösterir.

Özet

• Fizikte yedi temel enerji biçimi tanımlanır: mekanik (kinetik+potansiyel), kimyasal (kimyasal bağlarda depolanan), nükleer (atom çekirdeğinden), ısı (sıcaklık farkı nedeniyle alışveriş edilen), ışık (foton taşınımlı elektromanyetik dalga), ses (moleküllerin titreşimiyle yayılan, ortam gerektiren) ve elektrik enerjisi (elektron/iyon hareketiyle açığa çıkan, ikincil bir enerji).
• Her enerji biçimi belirli koşullar altında diğer enerji biçimlerine dönüştürülebilir; bu dönüşüm günlük hayattaki hemen her teknolojik cihazın (saç kurutma makinesi, akü, güneş paneli, nükleer santral) çalışma ilkesidir.
• Otomobil aküsü örneğinde olduğu gibi, tek bir kaynaktan (kimyasal enerji) aynı anda elektrik, mekanik, ışık, ses ve ısı enerjisi türetilebilir; bu dönüşümler sırasında enerjinin bir kısmı genellikle ısı olarak kaybedilir.