انرژی پتانسیل و جنبشی چیست؟ – تعریف و انواع آن ها

از شکل های مختلف انرژی که ظاهر می شوند دو شکل معمول و رایج آن انرژی پتانسیل و جنبشی می باشند.

در بیان مفهوم انرژی پتانسیل و جنبشی می توان گفت که جسم با توجه به مکان و شکلی که دارد، دارای انرژی ذخیره ای باشد به آن انرژی پتانسیل و به انرژی حرکتی، انرژی جنبشی گفته می شود. در کتب علوم پایه هفتم و فیزیک پایه دهم، تعریف انرژی پتانسیل و جنبشی و تبدیل آن ها به خوبی اشاره شده است. اما این که انرژی چیست و صورت های انرژی پتانسیل و جنبشی چگونه محاسبه شده و دارای چه انواعی هستند، با مطالعه این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به طور مختصر مشخص می شود.

انرژی چیست؟

توانایی انجام کار در علم فیزیک به معنای انرژی می باشد. به عبارتی وقتی صحبت از انرژی یک ماده می شود، منظور ظرفیت توانایی آن ماده در انجام کار می باشد. با توجه به اصل بقای انرژی، انرژی نه از بین می رود و نه از بین می رود، بلکه فقط می تواند از یک صورت به صورتی دیگر تبدیل شده و یا می تواند بین مواد انتقال پیدا کند. به عنوان مثال با خوردن غذا و خوراکی، انرژی موجود در آن ها به بدن فرد منتقل می شود. انرژی دارای انواع مختلف انرژی پتانسل و جنبشی، انرژی شیمیایی، مکانیکی، حرارتی، هسته ای، صوتی، الکترومغناطیسی، گرانشی و یونیزاسیون می باشد. در این مقاله به بررسی انرژی پتانسیل و جنبشی می پردازیم.

انرژی پتانسیل چیست؟

انرژی که در یک جسم ذخیره می شود، به دلیل موقعیتی که نسبت به اشیاء دیگر، بار الکتریکی یا عوامل دیگر دارد به نام انرژی پتانسیل می باشد. در مثالی ساده به موقعیتی که یک کودک در حال تاب بازی دارد توجه می کنیم. هنگامی که این کودک در بالاترین حالت تاب قرار دارد، بیشترین مقدار انرژی پتانسیل را دارد. انرژی پتانسیل برابر صفر خواهد بود زمانی که کودک در نزدیک ترین حالت به زمین قرار دارد. یا وقتی توپی از یک ارتفاعی به حال آویزان قرار گرفته، به دلیل ارتفاع خود، انرژی در خود ذخیره کرده است که به نام انرژی پتانسیل می باشد. در واقع نیروهای گرانش و کشسانی هستند که باعث ایجاد انرژی پتانسیل می شوند.

وقتی جسمی در یک موقعیت دارای انرژی پتانسیل می باشد، به دلیل نیروی خلرجی است که به آن وارد شده است. اگر این نیرو حذف شود، جسم از حالت خود خارج شده و انرژی پتانسیل، صرف انجام کار می شود.

انرژی جنبشی چیست

انرژی که جسم به دلیل حرکت دارا می باشد به نام انرژی جنبشی می باشد. باد، هواپیمای در حال حرکت، آب جاری و … دارای انرژی جنبشی می باشند. وقتی یک توپ را از ارتفاع بالا رها کنیم، انرژی جنبشی تولید می شود. برای شتاب دادن به یک جسم و انجام کار توسط آن، با یک نیروی جدید، انرژی به جسم منتقل می شود. با این انرژی، جسم شروع به حرکت و شتاب گرفتن می کند. انرژی منتقل شده همان انرژی جنبشی می باشد. وقتی چند آونگ در کنار هم قرار گرفته باشند، با وارد کردن نیرو به آونگ اول، حرکت کرده و به آونگ بعد برخورد کرده و به همان ترتیب، به آونگ های بعدی، این انرژی منتقل می شود. در واقع می توان گفت که انرژی جنبشی بین دو جسم جابجا می شود.

انرژی های گرمایی و نورانی نمونه ای از انرژی های جنبشی هستند و انرژی مکانیکی هم می تواند به به شکل انرژی جنبشی و هم به شکل انرژی پتانسیل باشد. مثال در این مورد گلوله ای است که اول ساکن بوده و دارای انرژی پتانسیل، اما با رها شدن و در حال سقوط، دارای انرژی جنبشی می شود.

طریقه محاسبه انرژی پتانسیل و جنبشی

هر کدام از انرژی های پتانسیل و جنبشی به عواملی بستگی دارند که با تغییر وضعیت آن عوامل، دارای مقدارهای متفاوتی خواهند بود. بنابر این عوامل و تغییر وضعیت ها، برای محاسبه انرژی پتانسیل و جنبشی دارای فرمول های خاصی می باشند که در زیر با توضیح به این فرمول ها می رسیم.

محاسبه انرژی پتانسیل

توپ گذاشته شده در زمین هیچ انرژی پتانسیلی به دلیل نداشتن ارتفاع، ندارد. اما با بالا بردن توپ و رها کردن آن، انرژی پتانسیل گرانشی آن کار انجام می دهد. بنابراین ارتفاع یکی از عواملی است که انرژی پتانسیل به آن بستگی داشته و یک رابطه مستقیمی دارند. یعنی با بالا رفتن ارتفاع، انرژی پتانسیل زیاد می شود. طبق رابطه زیر داریم :

U = mgh

در این رابطه U برابر انرژی پتانسیل گرانشی، m جرم جسم، g شتاب گرانشی و برابر با ۹,۸ متر بر مجذور ثانیه می باشد و مقدار ثابتی است و h ارتفاعی است که جسم از زمین دارد. در این رابطه، انرژی پتانسیل گرانشی بر حسب ژول، جرم بر حسب کیلوگرم، شتاب گرانشی بر حسب متر بر مجذور ثانیه و ارتفاع بر حسب متر خواهد بود.

محاسبه انرژی جنبشی

جسمی که در حال حرکت باشد مانند توپ در حال سقوط، دارای انرژی جنبشی می باشد. این انرژی به عواملی چون جرم جسم و سرعت حرکت آن بستگی دارد. به طوری که انرژی جنبشی جسم سنگین تر بیشتر از جسم سبک تر خواهد بود و بین انرژی جنبشی و جرم جسم رابطه مستقیم برقرار است. دومین عامل مجذور سرعت می باشد که در رابطه مستقیم با انرژی جنبشی است. هر چه جسم سرعت بیشتری داشته باشد، انرژی جنبشی بزرگتری خواهد داشت. فرمول محاسبه به شکل زیر است :

k = ½ mv^۲

در این رابطه جرم بر حسب کیلوگرم، سرعت بر حسب متر برثانیه و انرژی جنبشی بر حسب ژول خواهد بود.

توجه :

طبق رابطه اگر سرعت جسم دو برابر شود، انرژی جنبشی ۴ برابر می شود. انرژی جنبشی همیشه یا مثبت است و یا صفر، چون با مجذور سرعت متناسب است. اما سرعت می تواند مثبت یا منفی باشد.

انواع انرژی پتانسیل

انواع انرژی های پتانسیل از انواع نیروهایی است که به آن وارد می شود. به عنوان مثال انرژی پتانسیل کشسانی، نتیجه کار نیروی کشسانی و انرژی پتانسیل گرانشی، نتیجه کار ناشی از نیروهای گرانشی می باشد. انرژی پتانسیل دارای انواع مختلفی است که به توضیح برخی از آن ها می پردازیم.

انرژی پتانسیل گرانشی

انرژی که در یک جسم در ارتفاع مشخص وجود داشته که نشان دهنده کار غالب بر نیروی گرانش می باشد به عنوان انرژی پتانسیل گرانشی تعریف می شود. به عبارتی دیگر، این انرژی در نتیجه حرکت یک جسم در خلاف نیروی گرانشی، در جسم ذخیره می شود. چون این انرژی در نتیجه جاذبه بین زمین و جسم ایجاد می شود، با فاصله گرفتن جسم از زمین، مقدار آن زیاد می شود. به طوری که کمترین انرژی گرانشی در مرکز زمین و بیشترین آن در بی نهایت فاصله جسم از زمین، بر آن وارد می شود. آب پشت سد مثالی است که دارای انرژی پتانسیل گرانشی می باشد. انرژی پتانسیل گرانشی رابطه مستقیمی با ارتفاع دارد.

انرژی پتانسیل کشسانی فنر

فنری که نسبت به حالت تعادل خود در حالت فشرده و یا کشیده وجود دارد، دارای انرژی پتانسیل ذخیره شده می باشد. این انرژی، پتانسیل کشسانی می باشد که وقتی فنر از این حالت خارج شود، به حالت تعادل خود برمی گردد.

انرژی الکتریکی

به کار ناشی از نیروی کولن، انرژی پتانسیل الکتریکی گفته می شود.

انرژی پتانسیل شیمیایی

انرژی پتانسیل شیمیایی صورتی دیگر از انرژی پتانسیل می باشد که نتیجه پیوندهای شیمیایی بین اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده مواد می باشد. تبدیل انرژی شیمیایی به انواع دیگری از انرژی مانند گرما به واسطه سوختن مواد سوختنی و یا هضم مواد غذایی، می تواند رخ دهد. همچنین انرژی الکتریکی با واکنش های الکتروشیمیایی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود و یا عمل فتوسنتز تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی را انجام می دهد. انرژی پتانسیل ذخیره شده در فسیل ها نمونه ای از انرژی های شیمیایی می باشد.

انرژی پتانسیل هسته ای

به انرژی که درون ذره های موجود در هسته اتم است، انرژی پتانسیل هسته ای می گویند. نیروی هسته ای قوی باعث اتصال ذرات هسته به هم شده و اما نیروهای هسته ای ضعیف، برای انفجارها و تشعشعاتی مانند بتا می تواند انرژی پتانسیل لازم را فراهم کند.

مثال برای انرژی پتانسیل شیمیایی

تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی شیمیایی چگونگی تشکیل پیوندهای شیمیایی توسط مولکول های ترکیب را نشان می دهد. در ادامه به مثال هایی در این زمینه اشاره می کنیم.

باتری

باتری بر اساس اصل الکتروشیمیایی عمل می کند که در آن انرژی از الکتریکی به شیمیایی و بالعکس تبدیل می شود. باتری انرژی پتانسیل الکتریکی را در یک حالت شیمیایی در ذرات ثابت خود در طول شارژ نگه می دارد. در مقابل، واکنش شیمیایی انرژی الکتریکی را در طول تخلیه تحویل می دهد. یعنی انرژی شیمیایی هر دو شکل را دارد. یعنی انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی. وقتی انرژی در پیوندهای شیمیایی ذرات ثابت نگه داشته می شود، انرژی پتانسیل شیمیایی است. انرژی پس از شکستن پیوندهای ذرات در هنگام واکنش با ذرات دیگر آزاد می شود. به انرژی جنبشی شیمیایی تبدیل می شود که از طریق حرکت ذرات باعث کار می شود.

سلول الکترولیت

سلول الکترولیت کاتد و آند را به عنوان الکترودهای حل شده توسط محلول شیمیایی به نام الکترولیت محصور می کند. در انرژی الکتریکی ورودی، یک فرآیند الکترولیز باعث تجزیه ترکیبات شیمیایی در الکترودها می شود که باعث ایجاد یک واکنش شیمیایی ردوکس غیر خود به خودی می شود و انرژی شیمیایی را در سلول تحویل می دهد.

تبدیل از انرژی الکتریکی به شیمیایی به دلیل اکسیداسیون و کاهش واکنش های شیمیایی در هر دو الکترود اتفاق می افتد. برخلاف سطوح، یک واکنش شیمیایی بین دو الکترود اتفاق می افتد. به همین دلیل است که مواد متفاوت به دلیل جاذبه الکترواستاتیکی بین پیوندهای شیمیایی خود انرژی شیمیایی دارند.

زغال سنگ و چوب

فرآیند احتراق پیوندهای بین مولکول هایی را که انرژی پتانسیل شیمیایی را در سطح ذخیره می کنند، می شکند. پیوندهای شکسته انرژی را آزاد می کنند به طوری که ذرات ساکن به مولکول های هوای اطراف واکنش نشان می دهند تا عنصر شیمیایی دیگری بسازند.