قانون پایستگی انرژی (اصل بقای انرژی) چیست ؟
در یک سیستم ایزوله (سیستمی که هیچ تبادل انرژی و ماده با محیط بیرون ندارد) مقدار انرژی ثابت است. انرژی نه به وجود می آید و نه از بین می رود بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود. با بیان نظریه نسبیت انیشتین، انرژی و جرم چون به هم وابسته اند قانون پایستگی جرم و انرژی ارائه شد. این قانون از نظر علمی یکی از قوی ترین قانون هاست. قدرت این اصل به حدی است که فیلسوف یونانی، امانوئل کانت آن را یک اصل پیش از تجربه (بی نیاز از تجربه) می خواند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به توضیح این قانون می پردازد.
تاریخچه قانون پایستگی انرژی (اصل بقای انرژی)
اولین بار در قرن هفدهم فیلسوف و ریاضی دان آلمانی به نام لایبنیتز به نیروی زنده یا انرژی و پایستگی آن اشاره کرد. در سال ۱۸۰۷ فیزیک دان انگلیسی به نام یانگ کلمه انرژی را به کار گرفت. او گفت در فرآیندهای مکانیکی (در غیاب اصطکاک) مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل ثابت است اما به هم می توانند تبدیل شوند. در اواسط قرن نوزدهم قانون اول ترمودینامیک به طور هم زمان توسط مایر، ژول و هلمهولتز به طور جداگانه مطرح شد. قانون اول ترمودینامیک همان قانون پایستگی انرژی است که در صورت وجود اصطکاک و گرما نیز صادق است.
در سال های ۱۸۵۶-۱۸۶۵ با معرفی انرژی الکترومغناطیسی توسط ماکسول قانون پایستگی انرژی در سه زمینه مکانیک، ترمودینامیک و الکترومغناطیس تعریف شد. در اواخر قرن نوزدهم قانون پایستگی انرژی، همه انرژی های شناخته شده تا آن زمان (گرما، مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی و تابشی) را شامل می شد. تا اینکه در آغاز قرن بیستم با بیان نظریه نسبیت توسط آلبرت انیشتین این تئوری که قانون پایستگی انرژی از قانون پایستگی جرم جدا نیست توسط این دانشمند بزرگ ارائه شد و قانون پایستگی جرم – انرژی – تکانه خطی بیان شد.
تعریف قانون پایستگی انرژی
در جهان هستی همواره واکنش های مختلفی در حال انجام است. یا مواد با یکدیگر ترکیب شده و مواد جدیدی ساخته می شود یا ترکیبات مختلف به مواد دیگر تجزیه می شود. در این حین ممکن است ویژگی های فیزیکی زیادی مثل حجم، چگالی، مقاومت گرمایی و الکتریکی تغییر کند. اما جرم و انرژی در سیستم منزوی ثابت و پایسته خواهد بود.
کمیت های بسیاری در فیزیک ثابت و پایسته (یعنی با گذشت زمان تغییر نمی کنند) هستند. کمیت های انرژی، تکانه و تکانه زاویه ای از این قبیل هستند که از پایستگی آن ها می توان برای پیش بینی فرآیندهای فیزیکی استفاده کرد. انرژی ممکن است به صورت های دیگری چون پتانسیل، گرمایی، الکتریکی و گرانشی تبدیل شود اما مقدار آن ثابت است. بر اساس این قانون جرم می تواند به انرژی و بالعکس انرژی به جرم البته با سرعت بسیار (در حد سرعت نور) بالا تبدیل شود.
توجه :
اصل بقای انرژی فقط در سیستم های ایزوله (منزوی) نسبت به محیط تعریف می شود. اگر توپی روی سطحی که اصطکاک دارد حرکت کند چون سطح روی توپ کار انجام می دهد و از آن انرژی می گیرد از قانون پایستگی انرژی اطاعت نمی کند. قانون پایستگی انرژی در کتاب های درسی علوم پایه هفتم و نهم و فیزیک پایه دهم آورده شده است.
سیستم چیست
به مجموعه ای از اشیا به عنوان مثال یک جسم که تاثیرات فیزیکی مثل نیرو (به عنوان مثال حرکت جسم) در آن بررسی می شود سیستم می گویند. به جهان اطراف سیستم به جز سیستم، محیط می گویند. سیستم و محیط توسط مرز سیستم از هم جدا می شود. وقتی یک بادکنک بادشده در هواست، بادکنک سیستم، هوای اطراف آن محیط و پوسته بادکنک مرز بین سیستم و محیط است. سیستم منزوی و ایزوله که برای تعریف قانون بقای انرژی لازم است، سیستمی است که با محیط بیرون تبادل ماده و انرژی نداشته باشد.
انرژی چیست
به توانایی انجام کار انرژی می گویند که انواع مختلفی چون انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل، انرژی گرمایی، انرژی الکترومغناطیسی، انرژی شیمیایی، انرژی الکتریکی و انرژی هسته ای دارد. اصل پایستگی انرژی با ثابت بودن مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل بیان می شود و این بقای انرژی تا زمانی خواهد بود که نیروهای پایستار عمل کنند و انرژی کل همیشه باقی است. برای انجام هر کاری حتی حرکت کردنمان به انرژی احتیاج داریم. انرژی هرجسم جنبش ذرات بنیادی آن است که از معادله معروف انیشتین (E = mc۲) مقدار آن به دست می آید.
تلاش برای نقض قانون پایستگی انرژی
در گذشته یک مخترع آلمانی به نام اورفیرئوس چرخی با اتصالات پیچیده ساخت که دائم می چرخید (محرک دائمی). حتی با چندین آزمایش معلوم شد این چرخ دائم می چرخد. اما خیلی زود مشخص شد که این مخترع حیله کرده و شخصی را در محفظه ای جدا گذاشته تا این چرخ را بچرخاند. او نتوانست قانون پایستگی انرژی را نقض کند. همچنین در سال ۱۸۰۰ ساعتی ساخته شد که بدون کوک کار می کرد. اما مشخص است که بر اثر اختلاف فشارهوا کوک این ساعت انجام می شود و این گزینه نیز قانون بقای انرژی را نقض نمی کند.
تلاشی دیگر برای نقض قانون پایستگی انرژی واکنش رادیواکتیو (تجزیه کربن) است که وقتی نوترون در اثر تجزیه تبدیل به الکترون و پروتون می شود کاهش انرژی در سمت راست معادله مشاهده شد. نیلز بور با این واکنش قانون بقای انرژی را نقض شده می دانست اما پائولی ذره ای به سمت راست واکنش اضافه کرد و گفت این ذره کشف نخواهد شد. اما پادنوترینو با کشف ذره ای شبیه ذره گفته شده پائولی به این ناقض قانون بقای انرژی پایان داد. بر طبق این قانون هیچ وقت انرژی از هیچ به وجود نمی آید و اگر در آزمایش این قانون نقض شود علت فقط در درست و دقیق منزوی نکردن سیستم و خطای آزمایش است.
کاربرد قانون پایستگی انرژی در فیزیک
وقتی انرژی در یک سیستم پایاست، در یک فرآیند در فیزیک انرژی ابتدایی و انتهایی براساس قانون پایستگی انرژی که انرژی از بین نمی رود برابر قرار داده می شود و بر این اساس می توان یک کمیت را به دست آورد. به عنوان مثال وقتی جرم متصل به فنر فشرده شده که دارای انرژی پتانسیل است رها شود، این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. با مساوی قرار دادن این دو انرژی سرعت جرم به دست می آید.
قانون پایستگی انرژی را تعریف کنید علوم هفتم
انرژی کل یک سیستم همیشه حفظ می شود و فقط می توان آن را از شکلی به شکل دیگر تبدیل کرد. با تبدیل یک شکل انرژی به شکل دیگر، مقدار زیادی از انرژی ما را هدر می دهد. بنابراین ما باید از منابع انرژی خود به طور گسترده استفاده کنیم که به آن صرفه جویی در انرژی می گویند. مشخص است که انرژی مکانیکی کل سیستم ثابت می ماند اگر نیروهایی که بر روی سیستم وارد می شوند ماهیت محافظه کارانه داشته باشند. انرژی بالقوه و انرژی جنبشی با یکدیگر در حال تبادل هستند. در مورد نیروهای غیر محافظه کار، این انرژی ها به مقداری انرژی دیگر مانند گرما، نویز و غیره تبدیل می شوند. در مورد سیستمی که از جهان خارج جدا شده است، انرژی کل ثابت می ماند. در یک سیستم ایزوله، انرژی نه می تواند ایجاد شود و نه از بین می رود. انرژی کل ثابت می ماند. می توان آن را از یک فرم به فرم دیگر تبدیل کرد. اصول بقای انرژی قابل اثبات نیست، اما هیچ تخلفی از این قانون مشاهده نشده است. بنابراین، با برهان پذیرفته شده است.
برای یک سیستم ایزوله، اتلاف انرژی در بخشی از سیستم با افزایش مقدار مساوی انرژی در قسمتی دیگر از سیستم همراه است. این اصل هنوز اثبات نشده است، اما هیچ استثنایی از این اصل هنوز توسط فیزیکدانان مواجه نشده است، بنابراین آن را درست می دانند. قانون بقای انرژی بیان می کند که انرژی را نمی توان ایجاد یا از بین برد، بلکه فقط می تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود. این اصل برای سیستم های بسته، که در آن انرژی کل در طول زمان ثابت می ماند، اعمال می شود. بقای انرژی توسط شواهد تجربی، مانند آزمایش چرخ دست و پا زدن ژول، و مفاهیم نظری مانند بیانیه لاگرانژ مبنی بر حفظ انرژی در صورتی که انرژی پتانسیل به زمان بستگی نداشته باشد، پشتیبانی می شود.
