Enerji Dönüşümleri ve Enerjinin Korunumu

Evrende enerji hiçbir zaman yoktan var olmaz ve var olan enerji de yok olmaz. Peki ama hareket eden bir cisim yavaşlayıp durduğunda enerjisi nereye gider? Ya da yükseğe çıkartılan bir cisim serbest bırakıldığında neden hızlanarak düşer? Bu bölümde enerjinin kaybolmadığını, sadece bir türden başka bir türe dönüştüğünü, yani "enerjinin korunumu" yasasını öğreneceğiz.

Enerjinin Dönüşümü Nedir?

Enerjinin bir formdan (çeşitten) başka bir forma geçmesine enerji dönüşümü denir. Mekanik enerji kavramından bahsetmiştik. Bir cismin sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamına mekanik enerji denir. Eğer bir ortamda sürtünme yoksa (sürtünme kuvveti ihmal ediliyorsa), cismin sahip olduğu mekanik enerji her zaman sabit kalır. Yani potansiyel enerji azalırken kinetik enerjiye, kinetik enerji azalırken potansiyel enerjiye dönüşür.

Potansiyel Enerjiden Kinetik Enerjiye Dönüşüm

Bir cismi yüksekten serbest bıraktığınızda ne olur? Başlangıçta cismin bir yüksekliği vardır, yani çekim potansiyel enerjisine sahiptir. Cisim serbest bırakıldığında aşağı doğru düşmeye başlar. Düşerken yüksekliği azaldığı için potansiyel enerjisi azalır. Peki azalan bu enerji kaybolur mu? Hayır! Cisim düştükçe hızlanır. Hızlandığı için kinetik enerjisi artar. Yani potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşmüştür.

Günlük Hayattan Örnekler: - Barajlardaki su: Barajlarda su çok yükseklerde biriktirilir (büyük bir potansiyel enerji). Kapaklar açıldığında su hızla aşağı akar (potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşür) ve türbinleri çevirir. - Kaydıraktan kayan çocuk: Kaydırağın en tepesinde duran çocuğun sadece potansiyel enerjisi vardır. Aşağı doğru kaymaya başladığında hızı artar, potansiyel enerjisi azalırken kinetik enerjisi artar. - Daldan düşen elma: Elma dalda iken potansiyel enerjiye sahiptir. Koptuğunda düşerken hızı artar, yere çarptığı an (veya çarpmadan hemen önce) potansiyel enerjisi sıfıra yaklaşırken kinetik enerjisi en yüksek seviyededir.

Kinetik Enerjiden Potansiyel Enerjiye Dönüşüm

Bazen de hareket eden (kinetik enerjiye sahip) cisimler yukarı doğru çıkarak veya bir esnek maddeyi sıkıştırarak enerjilerini potansiyel enerjiye dönüştürürler. Havaya doğru fırlatılan bir topu düşünün. Top elimizden çıktığı an büyük bir kinetik enerjiye (hıza) sahiptir. Ancak yukarı doğru çıkarken yerçekimi etkisiyle yavaşlar. Hızı azaldığı için kinetik enerjisi azalır. Peki enerji nereye gider? Top yükseldiği için çekim potansiyel enerjisi artar.

Günlük Hayattan Örnekler: - Havaya atılan top: Top en tepe noktasına ulaştığında anlık olarak durur (hızı sıfır olur). Bu noktada kinetik enerjisi sıfırlanmış, başlangıçtaki kinetik enerjisinin tamamı potansiyel enerjiye dönüşmüştür. - Salıncakta sallanan çocuk: Salıncak en yüksek noktaya çıktığında anlık olarak durur (maksimum potansiyel, minimum kinetik). Aşağı doğru inerken hızlanır (potansiyel azalır, kinetik artar). En alt noktadan (denge konumundan) geçerken hızı en fazladır (maksimum kinetik, minimum potansiyel). - Gerilen yay: Yayla fırlatılan oku düşünün. Yayı gerdiğimizde kaslarımızdaki enerji yayda esneklik potansiyel enerjisi olarak depolanır. Yayı bıraktığımızda bu enerji okun hareket etmesini sağlayarak kinetik enerjiye dönüşür. Sırıkla atlama sporunda da sporcu koşarak kazandığı kinetik enerjiyi, esnek sırığın eğilmesiyle esneklik potansiyeline, ardından havaya yükselerek çekim potansiyeline dönüştürür.

Sürtünme Kuvvetinin Etkisi ve Enerji Kaybı

Yukarıda verdiğimiz örneklerde sürtünmeyi ihmal ettik. Ancak gerçek hayatta sürtünme her zaman vardır. Salıncakta sallanan birini düşünün; eğer kimse onu itmezse bir süre sonra salıncak yavaşlar ve durur. Neden? Çünkü hava sürtünmesi (hava direnci) ve salıncak zincirlerindeki sürtünme nedeniyle mekanik enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşür.

Sürtünme kuvveti her zaman hareketi zorlaştırıcı yöndedir ve cisimlerin kinetik enerjilerini azaltarak ısı enerjisi açığa çıkarır. - Ellerinizi birbirine sürttüğünüzde ısınmasının sebebi sürtünmedir. (Kinetik enerji -> Isı enerjisi) - Hızla giden bir araba frene bastığında tekerlekler ve yol arasındaki sürtünmeden dolayı fren balataları çok ısınır. - Atmosfere giren göktaşları, havanın uyguladığı aşırı sürtünme kuvveti nedeniyle o kadar çok ısınır ki yanarak (ışık saçarak) parçalanırlar. Buna halk arasında "yıldız kayması" denir.

Bu durumlarda mekanik enerji (kinetik + potansiyel) korunmaz, giderek azalır. Ancak toplam enerji her zaman korunur. Sadece mekanik enerjinin bir kısmı ısı, ışık veya ses enerjisine dönüşmüş olur.

Enerjinin Korunumu Yasası

Enerji asla yok olmaz, sadece şekil (tür) değiştirir. Bu kurala Enerjinin Korunumu Yasası denir. Evrendeki toplam enerji miktarı hep sabittir. Ampulde elektrik enerjisi ısı ve ışık enerjisine; pilde kimyasal enerji elektrik enerjisine; bitkilerde fotosentez yoluyla ışık enerjisi kimyasal potansiyel enerjiye dönüşür. Tıpkı kinetik ve potansiyel enerjilerin birbirine dönüşmesi gibi, evrendeki tüm olaylar enerji dönüşümleri sayesindedir.

Sık Karıştırılan Kavramlar

Mekanik enerjinin korunumu ile toplam enerjinin korunumu kavramları sıkça karıştırılır. "Sürtünmeli ortamlarda mekanik enerji korunur mu?" sorusuna verilecek cevap HAYIR'dır. Çünkü sürtünme, enerjinin bir kısmını ısıya dönüştürür. Dolayısıyla cismin mekanik (kinetik + potansiyel) enerjisi azalır. Ancak "Sürtünmeli ortamlarda toplam enerji korunur mu?" sorusunun cevabı EVET'tir. Çünkü mekanik enerjideki azalma miktarı kadar ısı enerjisi açığa çıkmıştır; evrendeki toplam enerji asla değişmez.