دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی ششم:
سرِشت انرژی
قوانینِ حَرکتِ نیوتن شیوه ی سیستماتیکِ نوینی را برای مُطالعه ی حرکات و نیروها فراهم نمودند اما نیوتن هرگز قادر نشد تا معمایِ گرماو همراه همیشگی اش نور را حل کند، معمایی که تا اواسط قرن ۱۹ پژوهشگران را مبهوتِ خود کرده بود.[۱]
- مطالعهیِ انرژی، ترمودینامیک[۲] نامیده میشود. برخلافِ قوانین حرکتِ نیوتن، قوانینِ ترمودینامیک از ذهنِ یک فرد بوجود نیآمدند بلکه آن ایده‌ها آهسته و بتدریج از کارهایِ پژوهشگرانی متفاوت شکل گرفتند و مدت‌ها بعد به شکلی که امروزه تدریس میشوند به ثبت رسانده شدند.
- دو پرسش بسیارِ کهن که گرما چیست؟ و نور چیست؟ قرن‌ها در ذهنِ انسان‌ها بودهاند. با اینکه گرما و نور اغلب ملموس‌ترین پدیده‌هایِ فیزیکی هستند، شناختِ منشأ آنها از ظریف‌ترین و سخت‌ترینِ کارها بودهاست. در واقع شناخت و دریافتِ آنها از مفهومِ انتزاعیِ انرژی سرچشمه گرفت.
- تعریفِ انرژی نیاز به تعریفِ مفهومِ کار، با تعریفِ خاص و ویژهی خود در فیزیک، دارد. هرگاه که نیرویی، جسمی را برای فاصلهای مشخص به حرکت درآورده باشد کار انجام شدهاست. کار برابر است با نیرو ضربدر فاصله. واحدِ اندازهگیریِ کار ژول[۳] نامیده میشود که نیروی یک نیوتن است که در یک متر مصرف شدهاست (یک نیوتن – متر) . برای نمونه نیرویِ یک نیوتنیای که جسمی را یک متر به حرکت در آوردهاست.
- تعریفِ انرژی به مفهوم تواناییِ کار کردن[۴] است – تواناییِ ایجاد نیرو در فاصلهای مشخص. انرژی ویژگیای قابل اندازهگیری[۵] در همهی سیستم‌های فیزیکیست اگرچه برخلاف جِرم و حرکت، کیفیتی ناملموس دارد.
شناسایی و توصیفِ انرژی از آنجا که میتواند شکل‌های متفاوتی به خود بگیرد، بسیار مشکل بود. راهکارهای بسیاری برای بکارگرفتن و اِعمال نیرو بر فاصله‌ها موجود بودهاست.[۶] اگرچه، بالاخره، مدتهاست که سه شکلِ انرژی بدلیلِ تواناییشان برای کارکردن شناخته شدهاند: انرژیِ پتانسیل، انرژیِ جنبشی و امواج[۷] .
- آشکار‌ترین و آشنا‌ترین شکلِ انرژی، وابسته به اجسامِ در حرکت است، یعنی انرژیِ جنبشی. انرژی جنبشیِ هر جسمی از جِرم و از سرعتِ آن محاسبه میشود که در آن معادله، نیرو برابر است با نیمی از جرم آن جسم، ضربدر مجذورِ سرعتِ آن جسم. برای نمونه با چنین معادلهای میتوانیم انرژیِ نسبیِ یک خودرو را که با سرعت‌هایِ متفاوت در حرکت است محاسبه کنیم.
F=m/2 x v۲
- بسیاری سیستم‌هایِ طبیعی، انرژیای را در خود انباشتهاند که انرژیِ پتانسیل نامیده میشود. آشکار‌ترین شکلِ این انرژی بدلیلِ گرانش یا جاذبه است. برای نمونه انرژیِ ذخیرهشدهی پشتِ یک سد، یا انرژی ذخیرهشدهی جسمی آویزان از سقفی، یا سنگی بر لبهی پرتگاهی، انرژیِ پتانسیلاند.
- شکل‌های دیگرِ انرژیِ پتانسیل، انرژی پتانسیلِ شیمیایی (در بنزین و در غذا،) انرژی پتانسیلِ الکتریکی (در باطری و پریز برق،) انرژی پتانسیلِ مغناطیسی (در آهنربای یخچال) و انرژی پتانسیلِ کشسان یا کِشآیند[۸] (مانند کِش یا لاستیک کِشیدهشده) هستند.
- امواج، شکلِ بسیار کارآ و پربازده[۹] انرژیِ جنبشی هستند که انرژی را به مسافت‌هایی بسیار دراز با حرکتِ بسیار کمِ جرم انجام میدهند[۱۰].
- امواجِ صوتی انرژی را در هوا منتقل میکنند. امواجِ سطحِ دریا‌ها و اقیانوسها، انرژی را هزارانهزار کیلومتر به حرکت در می‌‌آورند و زلزله‌ها (امواجِ حرکاتِ زیرزمینی) میزانِ عظیمی انرژی را به حرکت در آورده، منتقل کرده و موجب صدمات و نابودی میشوند.
دهه‌ها طول کشید تا پژوهشگران و دانشمندان عِلمی سه فرمِ ظریفِ دیگر انرژی را کشف کردند: گرما، نور و جِرم.
- سرشت و ماهیتِ گرما قرن‌ها موضوعِ مباحثی بسیار پرهیجان بود . بسیاری دانشمندانِ معروف منجمله شیمیدان بسیار متنفذِ فرانسوی آنتوان لاوازیه[۱۱] ۱۷۴۳-۱۷۹۴ باور به تئوری گرما یا فرضیهی کالری داشتند که گرما را (شاره یا) سیال بدونِ جِرمی تعریف میکردند[۱۲] که قادر به عبور از جسمی به جسمی دیگر است.
- بالاخره بنجامین تامپسون[۱۳] (۱۷۵۲-۱۸۱۴)که پژوهش‌های بسیاری در موردِ گرما کرده بود و طراحِ فِر‌های گاز و منقل‌های مدرنِ پختوپز بود، مبحثِ ماهیتِ گرما را حل کرد. او که متولد آمریکا بود، بعد‌ها در ایالت بایرنِ[۱۴] آلمان رییس توپخانهی پلیس آن ایالت و مسئول تولیدِ لوله‌های توپ شد. در فرآیند تولید و بهنگام مشاهدهی تراشِ لولهها تولیدِ گرما را به دلیلِ اصطکاک[۱۵] دانست که کنِشی مکانیکی است – و او گرما را طبقهبندیِ جدیدی نمود.
- بعد‌ها در آزمونی با مشاهدهی آبشدنِ دو تکه یخ که بر اثر مالِش به هم و اصطکاک با یکدیگر، در شبی سرد و زمستانی، انجام گرفت، تئوری گرما یا نظریهی کالری برای همیشه دفن گردید.
- فرم دیگرِ انرژی، تشعشع [۱۶] و تابش است – نوری که با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه در حرکت است. منشأ اصلی انرژی بر سطح زمین تابشِ خورشید است، که نوری است که در خلأ فضا در سفر است.
- و بالاخره کشفِ مهم و عصرسازِ[۱۷] آلبرت اینشتین در توضیحِ دنیای مدرن علم بود که خودِ جرم را نیز به فرمی از انرژی طبقهبندی کرد و در فرمولِ مشهورِ وی E=mc۲ مستتر است و آن در دنیای علمی امروز آخرین فرم و نوعِ انرژی میباشد. در این فرمولِ اینشتین، c سرعتِ نور است.
—————————————–
Von Baeyer, H.C. Maxwell’s Demon. New York: Random House, 1998.
thermodynamics
joules
the ability to do work
measurable attribute
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 3. New York: Wiley, 1997.
Potential energy, kinetic energy, and waves
elastic potential
efficient
very small movements of mass
Antoine Lavoisier
Caloric Theory – Heat as a massless fluid
Benjamin Thompson
Bavaria
friction
radiation
epoch making
================
* دکتر ریموند رخشانی:
با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین میباشد.
در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی، کوشش می کنم که علم مدرن را (به زبان فارسی) از پایه به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم. از اساتید، پژوهشگران و اندیشمندان عزیز، خواهشمندم که لینک‌ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم مدرن – به زبان فارسی – ندارند) ارسال فرمایند.
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید