enerji,

iş yapabilme yeteneği ya da sığası. Bir sarmal yayda ya da devinim halindeki bir cisimde olduğu gibi, maddeyle bağıntılı halde bulunabilir; ışık ya da boşluk içinden geçen öteki elektromagnetik ışınım türlerinde olduğu gibi, maddeden bağımsız durumda da olabilir. Enerjinin boyutları, işin boyutlarıyla aynıdır; klasik mekanikte iş, kütle (m) ile uzunluğun (/) karesinin çarpımının, zamanın (/) karesine oranı (mP/t2) olarak tanımlanır. Bu, kütle büyüdükçe ya da devindiği uzunluk arttıkça ya da devinimin süresi kısaldıkça, yapılan işin ya da harcanan enerjinin artacağı anlamına gelir. Enerji çoğunlukla, kilogram-metre, joule, erg, BTU, kilowatt-saat gibi iş birimleriyle ifade edilir.

Enerjinin korunumu yasası doğadaki tüm olgular için geçerlidir; buna göre, doğada gerçekleşen tüm değişimler sırasında, toplam enerji miktarı değişmez. Enerji, belirli bir sistemde, birçok değişik biçimde bulunabilir ve enerjinin korunumu yasası çerçevesinde, bir biçimden ötekine dönüştürülebilir. Bu değişik biçimler, kütleçekimi enerjisi, kinetik enerji, ısı enerjisi, elektrik enerjisi, kimyasal enerji, ışınım enerjisi, çekirdek enerjisi ve kütle enerjisidir.

Enerji kavramının gelişimi.

Enerji teriminin, iş yapabilme yeteneğinin bir ölçüsü olarak kullanılmaya başlaması, mekanik biliminin gelişmesiyle oldu. Bu kavramı ilk olarak 17. yüzyılda Galilei ortaya attı. Gali- lei, bir makara yardımıyla bir ağırlık kaldırıldığında, uygulanan kuvvet ile kuvvetin uygulanması gereken uzunluğun çarpımının (yani, yapılan işin), öteki etmenler değişse bile sabit kaldığını buldu. Aynı yüzyıl içinde, kütle ile hızın karesinin çarpımına doğru orantılı bir büyüklük olan vis viva (canlı kuvvet) kavramı geliştirildi. 19. yüzyılda enerji terimi, vis viva kavramına uygulandı.

Newton, birinci hareket yasasında kuvveti, kütlenin ivmesiyle bağlantılandırdı. Buna göre, bir cisim üzerine etkiyen kuvvetin integralleri alınarak kuvvetin etkileri açığa çıkartılır. Kuvvetin etkilerine ilişkin iki integrali vardır; bunlardan birincisi, kuvvetin etki doğrultusu üzerinde alman integrali yani kuvvetin uzamsal integrali, İkincisi ise, kuvvetin etki süresine göre alman integrali yani kuvvetin zamansal integralidir. Uzamsal integral, kuvvetin kütlenin kinetik enerjisinde yol açtığı değişikliği verir; bu büyüklük, vis viva’nın tam yarısıdır. Zamansal integral ise, kuvvetin kütlenin momentumunda yol açtığı değişikliği verir. Bir süre, bu integrallerden hangisinin kuvvetin gerçek ölçüsünü verdiği üzerine tartışmalar sürdü. Alman filozof ve bilim adamı Gottfried Wilhelm Leibniz uzamsal integrali, Fransız filozof ve matematikçi Rene Descartes ise zamansal integrali savundu. Sonunda 18. yüzyılda Fransız fizikçi Jean d’Alembert, her iki yaklaşımın da, bir kütle üzerinde etkiyen kuvvetin etkilerine ilişkin sağlam bilgiler verdiğini ve sorunun yalnızca adlandırmayla ilgili olduğunu ortaya koydu.

Böylece, kuvvet ile enerji arasındaki bağıntı kuruldu. Kuvvet, üzerinde etkidiği cismin ivmesiyle bağıntılıydı; kinetik enerji yani devinimden kaynaklanan enerji, kütle üzerinde etkiyen kuvvetin uzamsal integralinin sonucuydu; momentum, kütle üzerinde etkiyen kuvvetin zamansal integralinin sonucuydu; enerji ise, iş yapabilme yeteneğinin bir ölçüşüydü. Buna ek olarak da güç, enerjinin iletilme hızıydı.

19. yüzyılın ilk yansında birçok bilim adamı, birbirinden bağımsız olarak enerjinin korunumlu olduğunu belirledi. Enerjinin, kapalı ve sürtünmesiz varsayılan bir sistemde, kinetik ya da potansiyel enerji halinde korunduğu deneysel olarak kanıtlandı ve bu olgu uygulamada son derece yararlı bir araç durumuna geldi. Öte yandan, klasik mekanikte problemleri güçleştirmekten başka bir işe yaramayan sürtünmenin, ısı oluşumuna yol açan başlıca etkenlerden biri olduğu belirlendi. Ingiliz fizikçi James Prescott Joule, ısıyı bir enerji türü olarak tanımladı ve mekanik enerji ile ısı enerjisinin eşdeğerliğini deneysel olarak kanıtladı. Doğadaki çeşitli süreçlere daha ayrıntılı açıklamalar getirmek gerektikçe, süreç sırasındaki enerji değişikliklerinin nicel olarak ölçülmesini ve bu değişiklikler ile sonuçta ulaşılan enerji dengesini, toplam enerji korunumlu olan sistemin içine yerleştirilmesini olanaklı kılan ussal kuramlar ya da modeller geliştirildi.

Metre-kilogram-saniye sisteminde, F=ma (F: kuvvet; m: kütle; a: ivme) denklemiyle elde edilen kuvvetin birimi, kg-m/sn2 ya da kısaca newtondur. Enerji birimi ise, kuvvet çarpı uzaklıktan elde edilir, yani newton- metredir (nt-m). Bu birime aynı zamanda joule denir. Ayrıca joule, watt-saniyeye eşittir.

ideal bir sistemde enerjinin dönüşümü. Kütlesi m olan bir top, dikey doğrultuda havaya fırlatıldığında, topun hızı ve kinetik enerjisi giderek azalır ve en yüksek noktasında sıfıra ulaşır. Geri düşmeye başladığında, hızı ve kinetik enerjisi gene artar. Topun ilk fırlatıldığı andaki kinetik enerjisi (Ek), kütlesi ile ilk hızının (vı) karesinin çarpımının yarısına eşittir. Top havada yükseldikçe kütleçekimsel potansiyel enerji (Ep) kazanır. Bu enerjinin potansiyel olarak adlandırılması, gerçek olmadığı anlamına değil, gizli bir biçimde depolanmış olduğu ve işe dönüştürülebileceği anlamına gelir. Kütleçekimsel potansiyel enerji, bir cisimde, cismin kütleçekimi alanındaki konumuna bağlı olarak depolanan enerjidir. Bir cismin kütleçekimsel potansiyel enerjisi, kütlesinin (ra), belirli bir başlangıç noktasından ölçülen yüksekliğinin (h) ve Yer’in uyguladığı çekim kuvvetinin yol açtığı ivmesinin (g) çarpımına eşittir (Ep=mgh). Belirli bir yükseklikten (h\) havaya fırlatılan topun ilk fırlatılış anındaki potansiyel enerjisi Epl =mgh\ olarak verilir. En yüksek noktasına ulaştığında ise topun potansiyel enerjisi =mgh2 biçimindedir. Havada sürtünmenin bulunmadığı varsayıldığında, enerjinin korunumu yasası uyarınca, bu enerjiler toplanarak şu eşitlikler sağlanabilir:
Ek\ T Epı = Ek2 4* Ep2
1hmv,2 4- rag/z, =0 4- mgh2
Bu ideal örnekte, topup ilk fırlatılış anındaki kinetik enerjisi, topu /12 yüksekliğine çıkarmak için gerekli olan işe dönüşmüş ve kütleçekimsel potansiyel enerjisi mg (Ii2-hı) kadar artmıştır. İlk h\ noktasına dönerken, topun kütleçekimsel potansiyel enerjisi, kinetik enerjiye geri dönüşür ve bu yükseklikteki toplam enerjisi gene V2rav,2 4- rag/ı, olur. Bu olaylar zincirinde, topun h\ yüksekliğindeki kinetik enerjisi değişmez; bu nedenle, bu çevrim sırasında, kütleçekimi kuvvetinin etkisiyle topun üzerinde yapılan iş sıfırdır. Böyle bir sistem korunumlu olarak tanımlanır.
Ama, bir tam çevrimin sonunda kinetik enerjide bir değişiklik olursa, topun üzerinde etkiyen kuvvetlerin yaptığı iş sıfıra eşit olmaz. Topun yükselmesi ve düşmesi sırasında, havanın sürtünme etkisiyle top üzerinde uyguladığı kuvvet, top üzerinde negatif iş yapar; yani, top havanın üzerinde iş yapar ve bu nedenle de kinetik enerjisi azalır. Bu tür bir sistem korunumsuz olarak tanımlanır.

Kütleçekimsel potansiyel enerji. Dikey doğrultuda havaya fırlatılan top örneğinde, topun yükselebilmesi için gerekli olan kuvvetin büyüklüğü, kütlesi (ra) ile Yer’in çekim gücünün topta oluşturduğu ivmenin (g) çarpımına eşittir; kuvvetin doğrultusu ise, kütleçekimsel potansiyel enerjinin artış doğrultusunun tersinedir. Bir boyutlu durumda topun üzerinde etkiyen kuvvet (F), kütleçekimsel potansiyel enerjinin uzaklığa göre türevine eşittir. Buna göre:
Üç boyutlu durumda ise, potansiyel enerji ile kuvvet arasındaki bağıntı, vektör gösterimleriyle yazılır (vektör değerleri kaim harflerle belirtilir). Potansiyel enerjinin gradyantı V Ep olarak gösterilir ve buna göre F = VEp bağıntısı kurulur. Ama VEp, bileşenlerin toplamının kısa yazılış biçimidir; yani, F^’nin x’e göre kısmi türevi (d Epld x), Ep nin x ekseni üzerindeki değişimi ve ı bu eksen üzerindeki birim vektör olarak kabul edilir ve benzer simgeler öteki eksenler için de kullanılırsa,
biçiminde gösterilir. Sonuç bir vektör büyüklüğüdür. Bu bağıntı, potansiyel enerjinin genel tanımıdır.
Potansiyel enerjinin öteki biçimleri, cisimlerin ve cisimlerin içinde yer aldıkları sistemlerin özelliklerine bağlıdır. İki kütle (ra ve m') arasındaki kütleçekimi düşünülecek olursa, bunların birbiri üzerinde uyguladığı çekim kuvveti, G evrensel kütleçekimi sabiti (6,673 x 10-11 nt-m2/kg2) ve r cisimlerin arasındaki uzaklık olması koşuluyla, F=Gmm'lr2 biçimindedir. Buradan potansiyel enerji Ep = Gmm'/r olarak elde edilir. Metre-kilogram-saniye sisteminde potansiyel enerjinin birimi newton-metre ya da joule olarak anılır.

Yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim enerjisi. Elektrostatikte, etkileşim halindeki yüklü parçacıkların birbirleri üzerinde uyguladıkları kuvvet, Coulomb yasasıyla verilir; buna göre, yüklü iki parçacık (q\ ve <72) arasındaki kuvvet (F), yüklerin çarpımıyla doğru, parçacıkların arasındaki uzaklığın (r) karesiyle ters orantılıdır. Metre-kilogram-saniye sisteminde kuvvetin birimi newton, yüklü parçacıkların birimi coulomb ve uzaklığın birimi metredir. Yüklerin işareti aynıysa, parçacıklar birbirini iter, ayrıysa çeker. Coulomb yasasına göre, belirli bir noktada, birim yük üzerinde etkiyen toplam kuvvete elektrik alanı (F) denir.

Kuvantum mekaniği kavramları.

Atomlara ilişkin enerji tanımlarında kuvantum mekaniğinden yararlanılır. Kuvantum mekaniğine göre, belirli parçacıklar için ancak belirli momentum değerleri olanaklıdır ve bu izinli değerler Planck sabiti (h=6,6262 x 1034 jo- ule-saniye) uyarınca değişir. Bu nedenle, bir atomun çekirdeği çevresinde dönen bir elektronun toplam enerjisi, sabit izinli değerlere sahiptir.
Bir elektronun, yüksek bir enerji düzeyinden daha düşük bir enerji düzeyine geçmesi, bir miktar enerjinin, bir elektromagnetik ışınım fotonu biçiminde salınmasına yol açar. Fotonun özgün frekansı (v), geçiş sırasında salman enerjinin (F) Planck sabitine bölünmesiyle elde edilir (v = E/h). Tüm elektromagnetik ışınımlar, enerjileri ve frekansları yukarıdaki bağıntıda verilen biçimde olan fotonlardan oluşur. Fotonun momentumu ise, enerjisinin ışık hızına (c) olan oranına eşittir. Momentum kavramı, Comp- ton saçılımı, yani bir foton ile bir elektron arasında gerçekleşen esnek çarpışma olayından da anlaşılacağı üzere son derece önemlidir. Bu problem, enerjinin ve momentumun korunumlu olduğu varsayılarak ve fotonun enerji ve momentumu yukarıdaki bağıntılar uyarınca alınarak, klasik iki cismin çarpışması yöntemleriyle çözülür.

Enerjinin ve kütlenin eşdeğerliği.

Hız çok büyüdükçe, devinim halindeki kütlenin kinetik enerjisinin V^rav2 formülüyle tanımlanması geçersizleşir. Bu durumda Einstein’ m görelilik yasası uygulanır. Buna göre kinetik enerji (Ek), cismin düşük‘ hızdaki kütlesinin (m0) ve ışık hızının (c) karesinin, hızın (v) karesini ışık hızının karesine bağın- tılayan bir orantıyla çarpımına eşittir:

Bu denklem, v’nin küçük değerleri için Vı mqv2 biçimini alır. Bir cismin değişken görelilikli kütlesi (ra), düşük hızlardaki ya da durağan haldeki kütlesi (rao) ile v2 ile c2 arasındaki bağıntıyı kuran orantının çarpımı biçiminde ifade edilebilir:

Cismin hızı, ışık hızına yaklaştıkça, görelilikli kütlenin (m) sonsuza yaklaşacağını belirten bu ifade, kinetik enerji denklemine yerleştirildiğinde,

bağıntısı elde edilir. Bu bağıntı yeniden düzenlenirse,

bağıntısı ortaya çıkar. Buna göre, cismin kinetik enerjisi arttıkça, görelilikli kütlesi de artar. Ayrıca enerji, kütle ile ışık hızının karesi olarak ifade edildiğinde, kütlenin ve enerjinin eşdeğerliği açıkça ortaya çıkar. Bu ilişki yalnızca kinetik enerji için değil, tüm öteki enerji biçimleri için de geçerlidir.
Enerji kaynakları. Birincil enerji kaynakları çekirdek kaynaşması, çekirdek bölünmesi, radyoaktiflik ve Yer ile Ay’ın devinimidir. Tüm enerji biçimlerinin kökenleri bunlardır.
Güneş’teki enerji, hidrojeni ve öteki hafif elementleri daha ağır elementlerle kaynaştıran termonükleer tepkimelerle açığa çıkar. Yer’i aydınlatan, Yer’e ve uzaya tükenmez bir enerji sağlayan ışınım enerjisinin kaynağı budur. Yer atmosferindeki rüzgârlar güneş enerjisinin ısıl etkileri sonucunda oluşur. Hatta akarsuların taşıdığı enerji de, Güneş ışınımının dolaylı bir sonucudur. Öte yandan bölünebilir çekirdek yakıtlar da önemli bir enerji kaynağıdır. Örneğin bir uranyum atomunun çekirdeğinin bölünmesi sonucunda açığa çıkan enerji, bir benzin molekülünün yakılmasıyla elde edilen enerjinin milyonlarca katı kadardır.

Başta ağır elementlerinki olmak üzere çoğu radyoaktif izotop kararsızdır ve bozunum sürecinde enerji salar. Bu tür bir enerji salımı doğada toryum ve uranyum elementlerinin etkinliği sonucunda gelişir; öte yandan aynı olgu, çekirdek kaynaşması ve öteki nükleer yöntemlerle yapay olarak elde edilebilir. Bu nedenle, bozunma hızı ve enerji üretimi özellikleri değişik çok sayıda doğal ya da yapay radyoaktif izotop vardır. Doğal radyoaktif izotoplar Yer’in çok küçük bir bölümünü oluşturur ama açığa çıkarttıkları enerji, Yer’in iç bölümünün yüksek sıcaklığını koruyacak yeterliktedir. Yer’deki jeotermal buhar kuyularından elde edilen enerjinin kaynağı bu radyoaktif etkinliktir.

Birincil kaynaklardan sürekli olarak yeniden yaratılan enerjiye, yenilenebilir enerji denir. Bunlar, Güneş enerjisi, rüzgârların ve akarsuların içerdiği enerji, jeotermal enerji, gelgit enerjisi, ağaçlardan ve öteki bitkilerden sağlanan yakıtlar ile denizlerdeki ısıl gradyanların içerdiği olanaklı enerji kaynaklarıdır. Bu yenilenebilir kaynakların içerdiği toplam enerji miktarı, dünya enerji gereksiniminin çok üstünde olmasına karşın, bunun ancak çok küçük bir bölümü uygun maliyetlerle elde edilebilmektedir. Bu nedenle de bu kaynaklar, dünya enerji talebinin ancak küçük bir kesimini karşılayabilmektedir.

Fosil yakıtlar (kömür, linyit, turba, petrol ve doğal gaz) ise, yenilenemeyen enerji kaynaklarıdır. Günümüzde bu kaynaklara ilişkin yeni yataklar bulunmakla birlikte, rezervleri sonsuz değildir.