انواع انرژی چیست؟ – به زبان ساده

صبح از خواب بلند می‌شوید و با خود تکرار می‌کنید «امروز کلی انرژی برای انجام همه کارهایم دارم» یا شاید هم مدام تکرار کنید «خسته‌ام، انرژی هیچ کاری را ندارم». انرژی یکی از مهم‌ترین بخش‌های زندگی ما است و به صورت توانایی انجام کار تعریف می‌شود. انرژی شکل‌های مختلفی مانند نور، گرما و انرژی الکتریکی دارد. در این مطلب از مجله فرادرس با انواع انرژی آشنا می‌شویم. ابتدا می‌آموزیم که انرژی به دو دسته کلی انرژی پتانسیل و جنبشی تقسیم می‌شود و در ادامه با انواع انرژی‌های پتانسیل و جنبشی و تعریف آن‌ها آشنا خواهیم شد.

انواع انرژی چیست ؟

انرژی در حالت کلی به دو دسته زیر تقسیم می‌شود:

1. انرژی جنبشی: انرژی جنبشی به حرکت جسم مربوط می‌شود.
2. انرژی پتانسیل: انرژی پتانسیل به حالت یا موقعیت جسم مربوط می‌شود.

در ابتدا با تعریف کلی این دو شکل انرژی آشنا می‌شویم و در ادامه انواع انرژی توضیح داده می‌شود.

انرژی جنبشی چیست ؟

به انرژی مرتبط با حرکت جسم، انرژی جنبشی گفته می‌شود. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا حرکت جسم با انرژی همراه است؟ اجسام متحرک قادر به انجام تغییر یا انجام کار هستند. به عنوان مثال، سنگ بزرگی را در نظر بگیرید که با سرعت زیاد از بالای تپه‌ای در حال پایین آمدن است. فرض کنید تیر چوبی در پایین تپه قرار دارد. پس از برخورد سنگ به آن، خراب خواهد شد. در نتیجه، سنگ غلتان به دلیل حرکت، موجب شکستن تیر چوبی شده است.

گلوله‌‌ای که از تفنگ شلیک شده است، شخصی که می‌دود و تابش الکترومغناطیسی مانند نور، انرژی جنبشی دارند. مولکول‌ها و اتم‌هایی که به صورت تصادفی داخل ماده حرکت می‌کنند نیز انرژی جنبشی دارند. به این نوع انرژی جنبشی، انرژی گرمایی می‌گوییم. هر چه انرژی گرمایی بیشتر باشد، انرژی جنبشی اتم‌ها و مولکول‌ها و در نتیجه حرکت آن‌ها بیشتر است. به مقدار متوسط انرژی گرمایی گروهی از مولکول‌ها دما گفته می‌شود.

شکل‌های مختلف انرژی جنبشی به صورت زیر است:

• انرژی حرکتی
• انرژی گرمایی
• انرژی تابشی یا نور
• انرژی الکتریکی
• انرژی صوتی

انرژی پتانسیل چیست ؟

مثال سنگ غلتان را دوباره در نظر بگیرید. اگر این سنگ بی‌حرکت باشد هیچ انرژی جنبشی ندارد. اکنون فرض کنید سنگ را به کمک طناب بالای ماشینی نگه می‌داریم. در این حالت، سنگ با این‌که حرکتی ندارد ولی دارای انرژی است. انرژی نسبت داده شده به این سنگ آویزان، انرژی پتانسیل نام دارد. در صورتی که سنگ رها شود صدمه زیادی به ماشین وارد خواهد کرد. هر چه سنگ سنگین‌تر باشد انرژی نسبت داده به آن بزرگ‌تر خواهد بود.

انرژی پتانسیل به حالت یا موقعیت جسم مربوط می‌شود. به عنوان مثال، انرژی در پیوندهای شیمیایی مولکول به ساختار مولکول و موقعیت اتم‌های آن نسبت به یکدیگر مربوط می‌شود. به انرژی دخیره شده در پیوندهای شیمیایی، انرژی شیمیایی گفته می‌شود. انرژی آبِ پشت سد یا انرژی شخصی که آماده پرش از ارتفاع است از نمونه مثال‌های انرژی پتانسیل است.

شکل‌های مختلف انرژی پتانسیل به صورت زیر است:

• انرژی پتانسیل گرانشی
• انرژی شیمیایی
• انرژی مکانیکی
• انرژی هسته‌ای

قبل از توضیح در مورد انواع انرژی، در ابتدا تفاوت‌های اصلی انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی را در جدول زیر بیان می‌کنیم.

انواع انرژی جنبشی چیست ؟

در ابتدای مطلب، انرژی جنبشی تعریف و انواع آن نام برده شد. در ادامه، در مورد هر یک از شکل‌های انرژی جنبشی توضیح داده می‌شود.

انرژی جنبشی حرکتی چیست ؟

انرژی جنبشی حرکتی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$K= \frac{1}{2} m v^2$$

m = جرم جسم

v = سرعت جسم در حال حرکت

این شکل انرژی به صورت مفصل در مطلب «انرژی چیست ؟ — تعریف و مفاهیم به زبان ساده» توضیح داده شده است. در ادامه، برای آشنایی بیشتر مثالی حل می‌شود.

مثال اول انرژی جنبشی حرکتی

امروز یکی از روزهای بدشانسی شماست. در حالی‌که فکر می‌کنید یکی از روزهای خوب هفته را پشت سر می‌گذارید، ناگهان فیلی به وزن ۶۰۰۰ کیلوگرم با سرعت ۱۰ متر بر ثانیه به شما نزدیک می‌شوید. سریع مکانی برای پنهان شدن پیدا می‌کنید. در این هنگام توپ آهنی یک کیلوگرمی با انرژی جنبشی برابر انرژی جنبشی فیل به سمت شما پرتاب می‌شود. سراسیمه از خواب می‌پرید و معلم فیزیکِ عصبانی را بالای سر خود می‌بینید. بله، به پای تخته فرا خوانده می‌شوید تا سرعت حرکت توپ را به دست آورید.

پاسخ:

انرژی جنبشی توپ با انرژی جنبشی فیل عصبانی برابر است.

$$K_{ball} = K_{elephant} \\ \frac{1}{2} m_{ball} \ v_{ball}^2 = \frac{1}{2} m_{elephant} \ v_{elephant}^2 \\ v_{ball}=\sqrt{ m_{elephant} v_{elephant}^2/m_{ball} }=775 \ \frac{m}{s}$$

مثال دوم انرژی جنبشی حرکتی

مثال بالا را در نظر بگیرید. فرض کنید دیوار آجری سر راه توپ آهنی و فیل عصبانی قرار دارد. برخورد توپ و فیل با دیوار چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟

پاسخ:

فیل و توپ آهنی انرژی جنبشی یکسانی دارند. اما خسارت وارد شده به دیوار متناسب با انرژی منتقل شده در هنگام برخورد است. نیروی وارد شده به دیوار پس از برخورد توپ آهنی با آن در ناحیه بسیار کوچکی متمرکز است. بنابراین انتظار می‌رود که توپ پس از به جا گذاشتن حفره‌ای کوچک در دیوار از آن خارج شود. همچنین، سرعت خروج توپ از دیوار در حدود سرعت برخود آن است. اکنون برخورد فیل عصبانی با دیوار آجری را در نظر بگیرید. نیروی وارد شده از سمت فیل به دیوار در ناحیه بزرگی پخش می‌شود. در نتیجه بیشتر دیوار خراب خواهد شد.

انرژی گرمایی چیست ؟

انرژی گرمایی در سیستم، تعیین کننده دما است. در مسائل مکانیک به طور معمول پایستگی انرژی بسیار مهم است. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که نقش انرژی گرمایی در پایستگی انرژی چیست؟ در جهان واقعی و سیستم‌های فیزیکی واقعی انتقال انرژی با بازدهی کمتر از ۱۰۰٪ اتفاق می‌افتد. در نتیجه، همیشه مقداری انرژی به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. این تبدیل انرژی از نوع انرژی با دمای پایین است. به بیان دیگر، به هنگام تبدیل انرژی به انرژی گرمایی، افزایش دمای سیستم در حدی است که به دمای محیط نزدیک است.

کار تنها زمانی انجام می‌شود که تفاوت دما وجود داشته باشد. اما از آنجایی که دمای افزایش یافته با دمای محیط برابر است، در نتیجه کار مفیدی انجام نمی‌شود.

انرژی گرمایی ناشی از اصطکاک

مردی را در نظر بگیرید که جعبه‌ای را بر روی سطح زبری با سرعت ثابت هل می‌دهد (تصویر نشان داده شده در ادامه). از آنجایی که نیروی اصطکاک نیروی پایستاری نیست، کار انجام شده به صورت انرژی پتانسیل دخیره نمی‌شود. همه کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک به انرژی گرمایی سیستم زمین-جعبه تبدیل می‌شود. این انرژی گرمایی به صورت حرارت در جعبه و زمین انتقال می‌یابد و منجر به افزایش دما در هر دو جسم می‌شود.

به منظور به دست آوردن کل انرژی گرمایی سیستم جعبه - زمین، کل کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک را به دست می‌آوریم. به یاد داشته باشید که جعبه با سرعت ثابتی حرکت می‌کند. بنابراین بر طبق قانون دوم نیوتن، نیروی اصطکاک با نیروی وارد شده از طرف شخص بر جعبه برابر هستند. در نتیجه، کار انجام شده از طرف هر دو نیرو یکسان خواهد بود.

با استفاده از تعریف کار انجام شده توسط نیروی موازی با حرکت جسم داریم:

$$W = \overrightarrow{F} . \overrightarrow{d} \\ \triangle E = \overrightarrow{F_{friction}}.\overrightarrow{d}$$

اگر ضریب اصطکاک جنبشی برابر $$\mu_{k}$$ باشد آن‌گاه رابطه بالا به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\triangle E_T = \mu_{k}F_n d$$

مثال انرژی گرمایی

اگر شخصی جعبه‌ای به جرم ۱۰۰ کیلوگرم را بر روی سطح زبری به اندازه مسافت ۱۰۰ متر هل دهد، مقدار انرژی گرمایی منتقل شده به سیستم جعبه - زمین را به دست آورید. (ضریب اصطکاک جنبشی برابر 0/3 است.)

پاسخ:

از آنجایی که جعبه با شتاب صفر حرکت می‌کند و نیروی وارد شده بر جعبه در راستای حرکت آن است، بنابراین نیروی کل وارد شده از طرف شخص بر جعبه با نیروی اصطکاک برابر است. این نیروی وارد شده در طول مسیر ۱۰۰ متر منجر به تغییر انرژی گرمایی سیستم می‌شود:

$$\triangle E_T = (0.3) \times (9.81 \ \frac{m}{s^2})\times (100 \ m) \\ \triangle E_T = 29.43 \ kJ$$

انرژی گرمایی ناشی از کشش

نیروی کشش وارد شده بر جسم متحرک از طرف شاره‌ای مانند هوا یا آب مثال دیگری از نیروی ناپایستار است. به هنگام حرکت جسمی در محیط شاره‌، تکانه منتقل می‌شود و شاره نیز شروع به حرکت می‌کند. اگر جسم ساکن شود، هنوز شاره حرکت خواهد کرد. پس از گذشت زمان معینی شاره نیز ساکن می‌شود و حرکتی نخواهد داشت. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه اتفاقی می‌افتد؟ حرکت‌های در مقیاس بزرگ شاره به حرکت‌های تصادفی کوچک‌ترِ مولکول‌های داخل شاره تقسیم می‌شود. این حرکت‌های تصادفی مولکول‌ها نشان‌دهنده افزایش انرژی گرمایی سیستم است.

انرژی نورانی چیست ؟

انرژی نور نوعی انرژی جنبشی است. نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است که توسط اجسام با دمای بالا مانند لیزرها یا نورخورشید تولید می‌شود.

نور از بسته‌های کوچک انرژی به نام فوتون تشکیل شده است. هنگامی که اتم‌های تشکیل دهنده جسمی گرم می‌شوند، فوتون‌ تولید می‌شود. هنگامی که دمای جسمی بالا می‌رود الکترون‌های تشکیل دهنده آن انرژی دریافت می‌کنند و از تراز انرژی پایه به تراز انرژی بالاتر منتقل می‌شوند. در این حالت گفته می‌شود که الکترون‌ها برانگیخته شده‌اند. الکترون‌ها پس از مدت زمان مشخصی که به ویژگی‌های ماده بستگی دارد، با تابش فوتون به تراز انرژی پایین‌تر برمی‌گردند. اگر دمای جسم بالاتر رود فوتون‌های بیشتری آزاد می‌شوند.

انرژی نور به صورت موج منتقل می‌شود. ذکر این نکته مهم است که برای انتقال انرژی نورانی به ماده نیازی نیست. به این دلیل، انرژی نورانی در فضای بدون هوا و ماده به راحتی منتقل می‌شود. این انرژی بسیار سریع است و سریع‌تر از هر چیزی حرکت می‌کند.

خورشید یکی از منابع اصلی انرژی نورانی است و مقدار بسیار زیادی تابش الکترومغناطیسی تولید می‌کند. انرژی نورانی از خورشید پس از طی مسافتی در حدود 150 میلیون کیلومتر به زمین می‌رسد. انسان مقدار کمی از این انرژی را به صورت نور مرئی مشاهده می‌کند. نور مرئی تنها یکی از انواع تابش الکترومغناطیسی است که توسط خورشید تولید می‌شود. اما تابش الکترومغناطیسی از گستره وسیعی از فرکانس‌های تابشی تشکیل شده است.

انواع انرژی نورانی چیست ؟

انواع انرژی نورانی عبارت است از:

• نور مرئی: با چشم غیر مسلح دیده می‌شود. شکلی از انرژی الکترومغناطیسی است. خورشید یکی از منبع‌های اصلی نور مرئی است.
• نور فروسرخ: نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که گرما تولید می‌کند. در کنترل‌های تلویزیون از نور فروسرخ استفاده شده است.
• نور فرابنفش و اشعه ایکس: در تصویربرداری‌های پزشکی مانند MRI از این امواج استفاده می‌شود.

مشخصه‌ های انرژی نورانی چیست ؟

انرژی نورانی دارای چهار مشخصه اصلی است که در ادامه بیان شده است:

1. شدت: به نرخ آزادسازی انرژی نورانی توسط منبع (مانند خورشید)، شدت نور گفته می‌شود.
2. فرکانس: به تعداد قله‌های گذرنده از نقطه مشخصی در یک ثانیه فرکانس می‌گوییم.
3. طول موج: به فاصله بین دو قله یا دره متوالی، طول موج نور گفته می‌شود.
4. قطبش: قطبش به مکانیزمی گفته می‌شود که در طی آن نور غیرقطبی به نور قطبیده تبدیل می‌شود. امواج نورانی در بیشتر از یک صفحه ارتعاش می‌کنند. بنابراین، این امواج غیرقطبی هستند.

واحد های انرژی نورانی چیست ؟

انرژی نورانی بر حسب سه واحد اصلی بیان می‌شود:

• آنگستروم یا نانومتر برای اندازه‌گیری طول موج نور استفاده می‌شوند.
• برای اندازه‌گیری فرکانس از واحد هرتز استفاده می‌کنیم.
• واحد اندازه‌گیری انرژی نورانی الکترون‌ولت (eV) است.

انرژی نورانی کاربردهای زیادی در زندگی روزمره و صنایع دارد. به عنوان مثال، نور تنها منبع تولید غذا برای همه موجودات زنده است. هر موجود زنده‌ای (به جز نوع خاصی از باکتری) برای تاًمین انرژی و غذا به نور وابسته است. همچنین هر موجود زنده‌ای برای دیدن از نور استفاده می‌کند یا وجود رنگ‌ها در جهان به دلیل نور خورشید است.

انرژی الکتریکی چیست ؟

انرژی الکتریکی یکی از انواع انرژی است. انرژی الکتریکی یا در میدان الکتریکی ذخیره شده است یا توسط جریان الکتریکی منتقل می‌شود. ذکر این نکته مهم است که این انرژی به دو صورت انرژی پتانسیل یا جنبشی است. از این انرژی برای اعمال نیرو یا انجام کار استفاده می‌شود.

انرژی الکتریکی به شکل‌های مختلفی در اطرافمان وجود دارد. به عنوان مثال، باتری‌های ماشین با استفاده از انرژی الکتریکی ماشین‌ها را به حرکت درمی‌آورند یا ماهیچه‌ها با استفاده از این انرژی منقبض می‌شوند.

انرژی الکتریکی چگونه کار می‌کند ؟

می‌دانیم انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود. این‌گونه به نظر می‌رسد که انرژی الکتریکی از هیچ به وجود آمده است. اما در واقع انرژی موجود در صاعقه، ناشی از تغییراتی در مقیاس مولکولی است. همه چیز از اتم شروع شده است.

همان‌گونه که می‌دانیم اتم‌ها از سه قسمت اصلی به نام‌های نوترون‌ها، پروتون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده‌اند. هسته، یا قسمت مرکزی اتم، از نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده است. الکترون‌ها در لایه‌هایی به دور هسته در حرکت هستند.

تعداد لایه‌های هر اتم به عواملی مثل نوع اتم و نوع بار اتم (مثبت، منفی یا خنثی) بستگی دارد. الکترون‌هایی که در نزدیک‌ترین لایه به هسته قرار گرفته‌اند تحت تاُثیر نیروی جاذبه قوی از سمت هسته قرار دارند. اما مقدار این نیروی جاذبه با دور شدن از هسته کاهش می‌یابد. خارجی‌ترین لایه اتم به لایه ظرفیت معروف است و الکترون‌های قرار گرفته در این لایه، الکترون‌های ظرفیت نامیده می‌شوند.

هنگامی که دو اتم در نزدیکی یکدیگر قرار می‌گیرند، الکترون‌های لایه ظرفیت یک اتم به راحتی از لایه خود خارج می‌شوند و به لایه خارجی اتم دیگر می‌روند. به هنگام این اتفاق، انرژی الکتریکی ایجاد می‌شود. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اتم چه موقع الکترون به دست می‌آورد یا از دست می‌دهد؟

برای پاسخ به سوال مطرح شده کافی است به الکترون‌های ظرفیت نگاه کنیم. هر اتم تنها می‌تواند هشت الکترون ظرفیت در بیرونی‌ترین لایه خود داشته باشد. اگر تعداد الکترون‌های ظرفیت اتمی سه یا کمتر از سه باشد، این اتم تمایل به از دست دادن الکترون دارد. در این هنگام تعداد پروتون‌ها از تعداد الکترون‌ها بیشتر می‌شود و اتم دارای بار الکتریکی مثبت (کاتیون) خواهد شد.

اکنون حالتی را در نظر بگیرید که تعداد الکترون‌های ظرفیت اتمی شش یا هفت است. در این هنگام، اتم به دلیل تمایل به پر کردن لایه ظرفیت خود و رساندن تعداد الکترون‌ها به عدد هشت، تمایل به گرفتن الکترون خواهد داشت. در نتیجه، تعداد الکترون‌ها از تعداد پروتون‌ها بیشتر می‌شود و اتم دارای بار الکتریکی منفی (آنیون) می‌شود.

هنگامی که الکترونی از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود، انرژی الکتریکی داریم. این انرژی می‌تواند به صورت الکتریسیته برای راه‌اندازی وسایل خانگی مانند جاروبرقی استفاده شود. همچنین، انرژی الکتریکی ممکن است به شکل‌های دیگر انرژی مانند انرژی گرمایی تبدیل شود.

انرژی الکتریکی چه نوع انرژی است ؟

همان‌گونه که در توضیحات فوق گفته شد انواع انرژی به دو دسته کلی انرژی پتانسیل و جنبشی نقسیم‌بندی می‌شود. انرژی پتانسیل، انرژی ذخیره شده در جسم است. هنگامی‌که الکترون‌های ظرفیت از مدار اتمی خارجی نشوند، آن اتم انرژی پتانسیل را در خود ذخیره کرده است.

از سوی دیگر، انرژی جنبشی به خاطر حرکت اجسام است. با انتقال انرژی جنبشی به اجسام دیگر، نیرویی بر آن‌ها وارد می شود. هنگامی که الکترون‌ها آزادانه بین لایه‌های ظرفیت حرکت می‌کنند دارای انرژی جنبشی هستند. بنابراین، انرژی پتانسیل ذخیره شده در اتم به انرژی جنبشی و نهایت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

اکنون می‌توانیم ماهیت انرژی الکتریکی را مشخص کنیم. انرژی الکتریکی از نوع پتانسیلی و جنبشی است.اما توجه به این نکته مهم است که این انرژی نمی‌تواند در یک زمان هم انرژی پتانسیل و هم انرژی جنبشی باشد. ماهیت انرزی الکتریکی هنگامی که بر روی جسم دیگری کار انجام می‌دهد جنبشی است. اما، قبل از انجام کار انرژی پتانسیل است.

به این مثال توجه کنید. هنگامی که تلفن خود را شارژ می‌کنید، حرکت الکتریسیته از شارژر به باتری تلفن از نوع انرژی جنبشی است. اما باتری موبایل یا تلفن به گونه‌ای طراحی شده است که الکتریسیته را برای استفاده‌های بعدی در خود نگه‌ دارد. این انرژی نگهداری شده در باتری از نوع انرژی پتانسیل است. هنگامی که از تلفن استفاده می‌کنیم انرژی پتانسیل به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد.

واحد انرژی الکتریکی چیست ؟

پس از آشنایی با تعریف انرژی الکتریکی و آشنایی با اصول اولیه آن، دانستن واحدهای اندازه‌گیری این انرژی لازم خواهد بود. در جدول زیر مهم‌ترین واحدهای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی نشان داده شده است.

مصرف انرژی الکتریکی

انرژی الکتریکی یکی از پرمصرف‌ترین صورت‌های انرژی در کشور‌های با میزان مصرف بالای انرژي است. همان‌گونه که در تصویر زیر دیده می‌شود میزان مصرف این انرژی در مقایسه با انواع انرژی دیگر رشد سریع‌تری داشته است.

انرژی صوتی چیست ؟

صدا بخش مهمی از زندگی ما است. هر روز که از خواب برمی‌خیزیم تا شب که خسته از کار روزانه به خانه برمی‌گردیم، انواع صداها مانند صدای ماشین‌ها یا صدای فریاد دیگران را می‌شنویم. در جهان گستره وسیعی از صداهای قابل شنیدن تا غیرقابل‌شنیدن وجود دارد.

صدایی که می‌شنویم ممکن است برای ما خوشایند یا ناخوشایند باشد. میزان رضایت فرد از صدایی که می‌شنود به عامل‌های زیادی مانند گام صدا، بلندی آن، نوع صدا، منبع صدا و شدت آن بستگی خواهد داشت. انتقال انرژی صوتی به منبع و شدت آن بستگی دارد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که انرژی صوتی چیست؟

انرژي صوت، صوت را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. اما علم تبدیل انرژی صوتی به الکتریسیته هنوز در ابتدای راه قرار دارد. به عنوان مثال، میکروفن مثال واضحی است که در آن صوت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

انرژی صوتی ناشی از حرکت‌های ارتعاشی است. جامدات، مایعات و گازها صوت را به صورت امواج انرژی منتقل می‌کنند. هنگامی که نیرویی مانند صوت یا فشار سبب ارتعاش جسمی شود، انرژی صوتی تولید خواهد شد. این انرژی به صورت موج در ماده حرکت می‌کند. به این امواج صوتی، انرژی مکانیکی جنبشی می‌گوییم.

چرا انرژی صوتی از نوع امواج مکانیکی است؟

امواج صوتی برای پخش شدن نیاز به محیط فیزیکی برای انتقال دارد. محیط‌هایی مانند مایعات، گازها یا مواد جامد ارتعاشات را با استفاده از تولید انرژی مکانیکی در قالب موج منتقل می‌کنند.

مانند انواع مختلف موج، امواج صوتی دارای دره و قله هستند. قله‌ها محل فشردگی مولکول‌های محیط و دره‌ها محل دور شدن آن‌ها هستند. نوسان بین قله و دره از میان محیط‌های گاز، مایع یا جامد به منظور تولید انرژی می‌گذرد. تعداد چرخه‌ها یا سیکل‌های دره/قله در مدت زمان مشخصی، فرکانس موج صوتی را مشخص می‌کند.

واحد اندازه‌گیری شدت انرژی صوتی پاسکال و دسی‌بل است. به امواج صوتی گاهی امواج فشاری نیز گفته می‌شود و دلیل این امر آن است که فشار موج صوتی ذرات محیطی که از آن عبور می‌کند را به حرکت درمی‌آورد.

امواج صوتی چگونه اندازه‌گیری می‌شوند؟

طول‌ موج، دوره تناوب، دامنه و فرکانس چهار قسمت اصلی موج صوتی هستند.

• طول موج: به فاصله افقی بین دو نقطه متوالی و همسان در موج، طول موج گفته می‌شود.
• دوره تناوب: به مدت زمان عبوری یک طول موج از نقطه مشخصی، دوره تناوب می‌گوییم.
• دامنه: دامنه صوت (قدرت فشار صوتی) ارتفاع موج صوتی است. صدای بلند به معنای دامنه زیاد امواج صوتی و صدای کوتاه و آرام به معنای امواج صوتی با دامنه کوتاه‌تر است. دامنه موج صوتی به حجم نسبی آن مربوط می‌شود . حجم کمتر برابر با تراز دسی‌بل کمتر است. مقدار دسی‌بل صفر آهسته‌ترین صدایی است که انسان می‌شنود. دسی‌بل با ضریب شش افزایش می‌یابد. صداهایی که معمولا می‌شنویم در حدود 60 دسی‌بل است.
• فرکانس: واحد اندازه‌گیری فرکنس موج صوتی هرتز است. به عبور موج صوتی در هر ثانیه از نقطه مشخصی در محور افقی هرتز گفته می‌شود. به بیان دیگر، یک هرتز به صورت تعداد سیکل‌های عبوری در یک ثانیه از نقطه مشخصی تعریف می‌شود.

انرژی صوتی چه نوع انرژی است؟

هنگامی که انرژی بدون وارد کردن نیرو کار انجام دهد، به آن انرژی پتانسیل می‌گوییم. هنگامی که جسمی پس از اعمال نیروی خارجی به اندازه d جابجا شود، کار بر روی آن انجام شده است.

فنر فشرده‌ مثالی از انرژی پتانسیل است. تا وقتی فنر فشرده است کاری انجام نشده است. هنگامی که فنر از حالت فشردگی خارج شود کار انجام خواهد شد و انرژی پتانسیل ذخیره شده در آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

انرژی صوتی می‌تواند انرژی پتانسیل و جنبشی باشد. به عنوان مثال، یکی از آلات موسیقی مانند گیتار را در نظر بگیرید. به هنگام نواختن گیتار امواج صوتی تولید می‌شود. اما هنگامی که گیتار در گوشه اتاق گذاشته شده است، تنها انرژی پتانسیل در آن ذخیره شده است.

مثال‌های انرژی صوتی

انرژی صوتی به هنگام ارتعاش جسم ایجاد می‌شود. سر و صدا نوعی انرژی صوت است. صداها از منبع‌های مختلفی می‌آیند. بعضی از صداها خوشایند و برخی دیگر ناخوشایند هستند. مثال‌های رایجی از انرژی صوتی در ادامه آمده است:

• صدای جیغ، خنده و فریاد کودکان
• صدای زنگ تلفن در یک بعدازظهر تابستان
• صدای برخورد امواج دریا به صخره
• صدای بوق ماشین‌ها
• صدای نواختن پیانو از خانه همسایه

حتی هنگامی که فکر می‌کنیم همه جا ساکت است باز هم صدا وجود دارد.

انواع انرژی پتانسیل چیست ؟

پس از آشنایی با انواع انٰرژی جنبشی، در ادامه در مورد انواع انرژی پتانسیل توضیح می‌دهیم. همان‌طور که گفتیم، انرژی پتانسیل به چهار نوع انرژی پتانسیل گرانشی، شیمیایی، مکانیکی و هسته‌ای تقسیم می‌شود.

انرژی پتانسیل گرانشی چیست ؟

هنگامی که جعبه‌ای را از زمین بلند می‌کنیم انرژی موجود در ماهیچه‌ها به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می‌شود. مقدار انرژي پتانسیل گرانشی موجود در جعبه به ارتفاع آن از زمین بستگی خواهد داشت. همچنین هر چه جعبه سنگین‌تر باشد مقدار انرژی دخیره شده در آن بیشتر است. اما سوالی که مطرح می‌شود آن است که چگونه جسمی به دلیل ارتفاع از سطح زمین انرژی دارد؟

توپی را از سطح زمین بلند کنید و در ارتفاع مشخصی آن را نگه دارید. سپس آن را رها کنید. توپ پس از برخورد با زمین متوقف می‌شود.

در گام اول شما با استفاده از انرژی داخل ماهیچه‌ها توپ را از زمین بلند می‌کنید. بنابراین باید کار انجام دهید. این انرژی ذخیره شده در ماهیچه‌ها از غذایی که مصرف کرده‌اید تامین می‌شود. انرژی داخل ماهیچه‌ها به توپ منتقل می‌شود و به صورت انرژی پتانسیل گرانشی در آن ذخیره خواهد شد.

در گام دوم توپ را رها می‌کنید. توپ پس از پرتاپ، شروع به حرکت می‌کند. در واقع، انرژی پتانسیل ذخیره شده در آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

در گام سوم توپ به زمین برخورد خواهد کرد. اما به این نکته توجه کنید که با کم شدن ارتفاع توپ از سطح زمین، مقدار انرژی پتانسیل گرانشی آن کاهش و در مقابل مقدار انرژی جنبشی آن افزایش می‌یابد. انرژی جنبشی توپ پس از برخورد به سطح زمین به دو صورت جذب آن می‌شود: به صورت گرما یا حرکت زمین.

انرژی شیمیایی چیست ؟

به انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی، مانند شکر و بنزین، انرژی شیمیایی گفته می‌شود. به بیان دیگر انرژی شیمیایی به صورت انرژی پتانسیل در آرایش اتم‌ها و داخل مولکول‌ها ذخیره شده است. برای شکستن پیوندهای شیمیایی به انرژی نیاز داریم. در حالی‌که تشکیل پیوندهای شیمیایی با آزادسازی انرژی همراه است. هر چه مقدار انرژی آزاد شده به هنگام تشکیل پیوند بزرگ‌تر باشد، پیوند تشکیل شده محکم‌تر خواهد بود. به تشکیل یا شکستن پیوندهای شیمیایی، واکنش شیمیایی می‌گوییم.

بسیاری از مولکول‌های موجود در زمین مانند اکسیژن منبع غنی انرژی هستند. این مولکول‌ها با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی لازم برای استفاده را تاًمین می‌کنند. سوخت‌های فسیلی مانند بنزین، ذغال‌سنگ و گاز طبیعی از جمله مولکول‌های غنی از انرژی هستند که به صورت طبیعی بر روی زمین وجود دارند.

انرژی مکانیکی چیست ؟

انرژی مکانیکی همه جا است. همه اشکال زندگی و بسیاری از سیستم‌ها از انرژي مکانیکی برای انجام وظایف مختلف استفاده می‌کنند. مثال‌های زیر را در نظر بگیرید:

• کودکی که در کنار زمین فوتبال ایستاده و توپی را بالای سر خود نگه داشته است.
• فردی که ضربه محکمی به توپ می‌زند.
• توپی که به سمت زمین پرتاب می‌شود و پس از برخورد به زمین تا ارتفاع معینی بالا می‌رود.
• هواپیمایی که در آسمان حرکت می‌کند.

انرژی مکانیکی (انرژی جنبشی یا پتانسیل) انرژی حرکتی یا انرژی دخیره شده در اجسام است.

انرژی مکانیکی چه نوع انرژی است ؟

انرژی مکانیکی به دو دسته انرژی حرکتی و انرژی پتانسیل تقسیم می‌شود. تبدیل انرژی مکانیکی به دو چیز بستگی دارد:

• مقدار انرژی پتانسیل موجود در جسم.
• مقدار انرژی جنبشی تولید شده.

مقدار انرژی مکانیکی به موقعیت و حرکت جسم بستگی دارد و مقدار آن از جمع انرژی حرکتی (جنبشی) و انرژی ذخیره شده (پتانسیل)‌ به دست خواهد آمد. به بیان دیگر، انرژی مکانیکی از ترکیب انرژی پتانسیل جسم با انرژی جنبشی آن به دست می‌آید.

انرژی هسته ای چیست ؟

به انرژی آزاد شده از هسته اتم‌ها، انرژی هسته‌ای می‌گوییم. این منبع انرژی از دو راه تولید می‌شود:

1. شکافت هسته‌ای: هنگامی که هسته اتم‌ها به قسمت‌های مختلف تقسیم می‌شود.
2. هم‌جوشی هسته‌ای: هنگامی که هسته‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

از انرژی هسته‌ای ذخیره شده در جهان برای تولید برق استفاده می‌شود.

شکافت هسته ای چیست ؟

شکافت هسته‌ای هنگامی رخ می‌دهد که هسته اتم به دو یا بیشتر از دو هسته کوچک‌تر تقسیم می‌شود. این پدیده با آزادسازی انرژی همراه است.

به عنوان مثال اتم اورانیوم 235 را در نظر بگیرید. این اتم پس از برخورد با نوترون به دو هسته کوچک‌تر (به عنوان مثال هسته باریم و کریپتون و دو یا سه نوترون) تقسیم خواهد شد. نوترون‌های اضافه تولید شده به دیگر اتم‌های اورانیوم 235 برخورد می‌کنند. در نتیجه این برخوردها، اتم‌های اورانیوم بیشتری تقسیم و نوترون‌های بیشتری تولید خواهند شد. برخورد نوترون‌های تولید شده به اتم‌های اورانیوم ادامه می‌یاید و در کسری از ثانیه واکنش زنجیره‌ای رخ خواهد داد.

هر زمانی که واکنش اتفاق می‌افتد، انرژی به صورت گرمایی و تابشی آزاد می‌شود. گرمای آزاد شده در نیروگاه هسته‌ای به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

هم جوشی هسته ای چیست ؟

در هم‌جوشی هسته‌ای، دو هسته اتم سبک با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هسته سنگین‌تری را تشکیل می‌دهند. این پدیده با آزادسازی مقدار انرژی بسیار زیادی همراه است. هم‌جوشی هسته‌ای در حالتی از ماده به نام پلاسما اتفاق می‌افتد. پلاسما گاز باردار بسیار داغی متشکل از یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد است.

برای آن‌که هم‌جوشی هسته‌ای بر روی سطح خورشید رخ دهد، هسته‌ها باید با یکدیگر در دمای بسیار بالایی (بالاتر از ده میلیون درجه سانتی‌گراد) برخورد کنند. این دمای بسیار بالا برای غلبه بر دافعه الکتریکی میان هسته‌ها لازم است. هنگامی که هسته‌ها بر نیروی دافعه غلبه کنند و در فاصله بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار بگیرند، نیروی جاذبه هسته‌ای بین آن‌ها بر نیروی دافعه الکتریکی غلبه خواهد کرد و در این هنگام، هسته‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

برای رخ دادن این اتفاق هسته‌ها باید در فضای کوچکی محبوس شوند. در این‌صورت شانس برخورد آن‌ها با هم افزایش می‌یابد. در خورشید، به دلیل وجود فشار بسیار بالا شرایط برای هم‌جوشی هسته‌ای فراهم می‌شود.

مقدار انرژی تولید شده از هم‌جوشی هسته‌ای بسیار بالا و در حدود چهار برابر انرژی حاصل از واکنش‌های شکافت است. در اولین نسل رآکتورهای هسته‌ای از ترکیب دوتریوم و تریتیوم (انواع هیدروژن سنگین) استفاده می‌کنند. به طور نظری، با مقدار اندکی از این واکنش‌دهنده‌ها (چند گرم) می‌توان انرژی در حدود تراژول تولید کرد. این مقدار انرژی برای زندگی ۶۰ ساله شخصی در کشور پیشرفته کافی است.

معرفی فیلم آموزش علوم تجربی - پایه هفتم

مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش علوم تجربی - پایه هفتم برای دانش‌آموزان پایه هفتم کرده که این مجموعه آموزشی از پانزده درس تشکیل شده است.

در این مطلب در مورد انواع انرژی صحبت کردیم. برای آشنایی بیشتر با این مبحث، تماشای دروس هشتم، نهم و دهم این مجموعه آموزشی توصیه می‌شود. در درس هشتم، مبحث انرژی و تبدیل‌های آن تدریس خواهد شد. منابع تاًمین انواع انرژی را در درس نهم فرا خواهید گرفت. برای آشنایی با گرما و بهینه‌سازی مصرف انرژی تماشای درس دهم توصیه می‌شود.

• برای دیدن فیلم آموزش علوم تجربی - پایه هفتم + اینجا کلیک کنید. 

تاکنون با انواع انرژی آشنا شدیم. در ادامه به پرسش‌های جالبی در رابطه با انرژی و انواع آن پاسخ می‌دهیم.

انواع انرژی تجدید پذیر را نام ببرید ؟

انرژی تجدیدپذیر همان‌گونه که از نامش مشخص است پایانی ندارد و تمام شدنی نیست. خورشید یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدناپذیر است. این منابع انرژی به دو دلیل بهترین جایگزین برای سوخت‌های فسیلی هستند.

1. برخلاف سوخت‌های فسیلی، موجب آلودگی هوا و محیط زیست نمی‌شوند.
2. تمام‌شدنی نیستند.

انرژي خورشید، باد، آب، جزرومد و زیست‌توده از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدناپذیر هستند.

اگر با سرعت زیادی حرکت کنید آیا ممکن است به سیاه چاله تبدیل شوید ؟

سیاه‌چاله‌ها جرم بسیار بالایی دارند. اگر جسمی با سرعت زیادی حرکت کند آیا جرم آن افزایش خواهد یافت؟ پاسخ به این پرسش خیر است. حرکت با سرعت بالا بر جرم ما تاًثیری نخواهد گذاشت. در نتیجه، این ادعا که «با افزایش سرعت جسم، جرم آن زیاد می‌شود» غلط است.

هنگامی که سرعت حرکت جسمی افزایش می‌یابد، مقدار نسبت داده شده به انرژی جنبشی آن زیاد خواهد شد. بنابراین، مقدار انرژی کل جسم متحرک برابر با مجموع انرژی‌های حالت سکون و جنبشی است. انرژی حالت سکون جسم وابسه به جرم آن است. انرژی کل نسبیتی جسم متحرک برابر است با:

$$E=\frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$$

در رابطه بالا، m جرم جسم است و با سرعت حرکت آن تغییر نخواهد کرد. اگر جسم ساکن باشد، انرژی کل جسم برابر انرژی سکون آن خواهد بود.

$$E = mc^2$$

همان‌گونه که از رابطه فوق مشخص است، جرم جسم تعیین کننده مقدار انرژی سکون آن است. بنابراین، انرژی جنبشی جسم برابر انرژی کل منهای انرژی سکون است:

$$E_k = E \ - \ mc^2 \\ E_k = \frac{mc^2} {\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}-1}$$

رابطه فوق به ما نشان می‌دهد که با افزایش سرعت، انرژی جنبشی افزایش خواهد یافت. اما جرم هرگز تغییر نمی‌کند. هنگامی که سرعت حرکت جسم به سرعت حرکت نور نزدیک می‌شود، مقدار انرژی جنبشی آن بی‌نهایت خواهد شد. طبق قانون پایستگی انرژی، اگر بخواهیم جسمی با انرژی جنبشی نامتناهی حرکت کند باید به آن مقدار انرژی بی‌نهایت بدهیم. اما این عمل در واقعیت ممکن نیست. زیرا مقدار انرژی موجود در جهان متناهی است. بنابراین اجسام دارای جرم هرگز با سرعتی برابر سرعت نور در خلاً حرکت نمی‌کنند.

جرم هر جسم توصیف‌کننده دو چیز است:

1. مقاومت جسم در برابر شتاب گرفتن است. اجسام با جرم بیشتر پس از اعمال نیروی خارجی به آن‌ها شتاب کمتری خواهند داشت.
2. هر جسم دارای جرمی جاذبه را حس می‌کند. اجسام با جرم بیشتر نیروی بزر‌گ‌تری را در میدان جاذبه حس می‌کنند.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس در مورد انواع انرژی صحبت شد. به طور کلی انرژی به دو دسته انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی تقسیم می‌شود. در جدول زیر انواع انرژی به همراه نوع آن و مثال‌های رایج به صورت خلاصه نشان داده شده است.

ذکر این نکته مهم است که شکل‌هایی از انرژی مانند انرژی الکتریکی در دو دسته انرژی جنبشی و پتانسیل قرار می‌گیرند.