سرشت علم(۶): سرِشت انرژی

دوشنبه, ۱ام مرداد, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

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.

—————————————–

[۱]

Von Baeyer, H.C. Maxwell’s Demon. New York: Random House, 1998.

[۲]

thermodynamics

[۳]

joules

[۴]

the ability to do work

[۵]

measurable attribute

[۶]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 3. New York: Wiley, 1997.

[۷]

Potential energy, kinetic energy, and waves

[۸]

elastic potential

[۹]

efficient

[۱۰]

very small movements of mass

[۱۱]

Antoine Lavoisier

[۱۲]

Caloric Theory – Heat as a massless fluid

[۱۳]

Benjamin Thompson

[۱۴]

Bavaria

[۱۵]

friction

[۱۶]

radiation

[۱۷]

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.

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.