با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا به مبحث انرژی درونی از کتاب فیزیک دهم (۱) بپردازیم. این مقاله برای دانش آموزان متوسطه دوره اول برای کتاب علوم تجربی نیز مفید خواهید بود.
قبل از مطالعه این مقاله، پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید:
- کار نیروی ثابت – فیزیک دهم (۱)
- قضیه کار و انرژی – فیزیک دهم (۱)
- پایستگی انرژی مکانیکی – فیزیک دهم (۱)
فهرست مطالب این نوشته
کار و انرژی درونی
مطابق با شکل زیر، خودرویی را در نظر بگیرید که با تندی v در مسیری مستقیم در حال حرکت است. خودرو با دیدن مانع ترمز شدید کرده که در نتیجه آن، چرخ‌های خودرو قفل شده و روی آسفالت کشیده می‌شود (جا ماندن خط ترمز روی آسفالت).
همان‌طور که می‌دانیم، در این فرآیند نیرویی اصطکاک که بر خلاف جهت جابه‌جایی خودرو به آن وارد می‌شود (زاویه میان نیروی اصطکاک و جهت جابه‌جایی ۱۸۰ درجه است)، روی خودرو کار منفی انجام داده و منجر به کاهش سرعت و نهایتاً ایستادن خودرو می‌شود. در اینجا به نظر شما انرژی جبنشی خودرو کجا رفته است یا به چه صورت تلف شده؟
جهت پاسخ به این سوال، قانون پایستگی انرژی را به یاد آورید. این قانون بیان می‌کند که انرژی از بین نمی‌رود و تنها از فرمی به فرم دیگر تبدیل می‌شود. با توجه به این جمله، انرژی جنبشی خودرو باید به فرم دیگری از انرژی در آمده باشد. در اینجا نیاز است تا نوع دیگری از انرژی موسوم به انرژی درونی را تعریف کنیم.
انرژی درونی یک جسم، مجموع انرژی‌های ذره‌های تشکیل دهنده آن جسم است. عموماً با گرم‌تر شدن یک جسم، انرژی درونی آن بیشتر می‌شود. چرایی این امر را می‌توان اینگونه بیان کرد که گرما باعث افزایش دامنه نوسانات اتم‌های یک جسم یا به طور کلی افزایش جنب و جوش مولکول‌های آن می‌شود. لازم به ذکر است که انرژی درونی یک جسم، هم به تعداد ذرات تشکیل دهنده جسم و هم به انرژی هر ذره بستگی دارد. با این اوصاف بدیهی است که هر چه تعداد ذرات تشکیل دهنده و انرژی هر ذره بیشتر باشد، انرژی درونی جسم نیز بیشتر است.
در مثال ترمز گرفتن خودرو، از آنجایی که در حین عمل ترمز شدید به دلیل افزایش اصطکاک بین لاستیک و سطح زمین، لاستیک و سطح زمین گرم‌تر شده‌اند و در نتیجه انرژی درونی هر دو افزایش پیدا می‌کند. پس می‌توان گفت که در اثر کار نیروی اصطکاک (کار منفی)، انرژی جنبشی خودرو به انرژی درونی لاستیک‌های آن و سطح جاده تبدیل می‌شود. لازم به ذکر است که در این گونه موارد، اصطلاحاً گفته می‌شود که انرژی تلف شده است.
اصطلاح انرژی تلف شده از این حیث به کار می‌رود که در عمل نمی‌توان انرژیی که به انرژی درونی تبدیل شده را بازیافت و دوباره استفاده کرد.
پایسته نبودن انرژی مکانیکی در حضور اتلاف انرژی
مطابق با شکل زیر، جسمی را در نظر بگیرید که پس از طی کردن مسیری مشخص، انرژی مکانیکی آن از \(E_{1}\) به \(E_{2}\) تغییر می‌کند. همان‌طور که می‌دانید، به مجموع انرژی جبنشی و انرژی پتانسیل گرانشی جسم، انرژی مکانیکی گفته می‌شود.
در صورتی که در طول مسیر نیروهای اصطکاک و نیروی مقاومت هوا را در نظر بگیریم (انجام کار منفی این نیروها روی جسم)، بخشی از انرژی مکانیکی جسم به انرژی درونی جسم، سطح مسیر و هوا تبدیل می‌شود. حال اگر کار انجام شده توسط این نیروی‌های اتلافی را با \(W_{f}\) نشان دهیم، در این صورت خواهیم داشت:
\(\large W_{f} = E_{2} – E_{1}\)
\(\large W_{f} = (U_{2} + K_{2})-(U_{1} + K_{1})\)
\(\large W_{f} = \Delta U – \Delta K\)
رابطه فوق بدین معنی است که در حضور نیروهای اتلافی (نظیر اصطکاک و مقاومت هوا)، انرژی مکانیکی جسم یا سیستم (سامانه) پایسته نمی‌ماند و تغییر می‌کند. پیشتر عنوان کردیم که این کاهش انرژی به صورت افزایش انرژی درونی جسم و محیط اطراف (مسیر و هوا) در می‌آید. عموماً به نیروهای اتلافی که باعث می‌شوند انرژی مکانیکی سیستم پایسته نشود، نیروهای ناپایستار می‌گویند.
به یاد داشته باشید تنها در صورتی که از تلفات صرف نظر کنیم می‌توانیم رابطه \(E_{2} = E_{1}\) را برای مسئله مذکور بنویسیم.
قانون پایستگی انرژی
این قانون را پیشتر در ابتدای مقاله تعریف کردیم. این قانون بیان می‌کند که در یک سامانه منزوی (ایزوله)، یعنی سامانه‌ای که نه از محیط اطراف خود انرژی می‌گیرد و نه به محیط اطراف خود انرژی می‌دهد، انرژی را نمی‌توان خلق و یا نابود کرد؛ بلکه تنها می‌توان انرژی را از یک فرم به فرمی دیگر تبدیل کرد. تا به امروز هیچ استثنایی برای قانون پایستگی انرژی عنوان نشده است.
امیدواریم تا مقاله انرژی درونی مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.
دیدگاهتان را بنویسید