אנרגיה

ברק הוא התמוטטות חשמלית של האוויר בידי שדה חשמלי חזק שהופך לזרם של אנרגיה. ההפרש בין המטענים באטמוספירה (אנרגיה אלקטרוסטטית-פוטנציאלית) משתנה לחום, אור וקול, שהן צורות אחרות של אנרגיה.

בפיזיקה, אֵנֶרְגִּיָּה היא גודל פיזיקלי סקלרי, שמציין את כמות העבודה היכולה להיעשות על ידי כוח, המסייע להבנה בכל תחומי הפיזיקה. לפי הגדרה כללית יותר, אנרגיה היא הגודל הפיזיקלי שנשמר כתוצאה מכך שחוקי הפיזיקה קבועים בזמן. בקיצור, יכולת לעשות עבודה כלשהי.

את האנרגיה ניתן לסווג לכמה מחלקות עיקריות, אנרגיה פוטנציאלית שהיא אנרגיה אצורה במערכת, אנרגיה קינטית הקשורה לתנועת גופים, ואנרגיה של שדות, שהיא אנרגיה הקשורה בקיומם של שדות־כח, למשל שדה אלקטרומגנטי או שדה כבידה. אנרגיה יכולה לעבור מגוף אחד לשני וללבוש צורות שונות, אולם חוק שימור האנרגיה קובע שסכום האנרגיה של כל הגופים והשדות במערכת סגורה הוא גודל קבוע, כלומר אינה נוצרת או נעלמת מאין.

המונח/השם

המונח 'אנרגיה' במשמעותו המודרנית נטבע על ידי הרופא והפיזיקאי הגרמני הרמן פון הלמהולץ כאשר ניסח את חוק שימור האנרגיה, שעל פיו אנרגיה אינה "נעלמת" או נוצרת מאין, אלא רק משנה את פניה,מה שאומר שכמות האנרגיה הקימת ביקום כולו אינה משתנה, כלומר הייתה קיימת תמיד.

מקור המלה ביוונית: energeia - עשייה; חיבור של מילים en - ב־ ו־ergon - עבודה.

האקדמיה ללשון העברית הציעה בשנת 1930 את המילה מֶרֶץ במקביל למילה אנרגיה, אך זנחה מילה זו כעבור עשור.

צורות שונות של אנרגיה

ניתן לסווג את האנרגיה לכמה מחלקות בסיסיות:

• אנרגיה קינטית (אנרגיית תנועה) - אנרגיה המצויה במערכת עקב תנועה של המערכת או של מרכיביה. את האנרגיה הקינטית ($E_{k}$) של מערכת בעלת מסה $m$ הנעה במהירות $v$ ניתן לתאר באמצעות הנוסחה: $E_{k}={\frac {1}{2}}{mv^{2}}$.

דוגמאות וסוגי משנה של אנרגיה קינטית:

• • אנרגיית חום - אנרגיה של חום וטמפרטורה שנובעת בעצם מתנועת החלקיקים שבחומר.
  • אנרגיה של זרם חשמלי - אנרגיה קינטית של האלקטרונים בחומר.
  • אנרגיה של קול (אנרגיה אקוסטית), זו האנרגיה הקינטית של המולקולות המתנודדות כתוצאה ממעבר גל קול.

• אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיה המשויכת למערכת המצויה במצב מסוים ואשר יכולה לעבור למצב אחר תוך שחרור אנרגיה קינטית.

דוגמאות וסוגי משנה של אנרגיה פוטנציאלית:

• • אנרגיה גרביטציונית כתוצאה מפעולת כוח הכובד - נובעת מהמיקום של הגוף בשדה כבידה רחב ומכוח הפועל בין שתי המסות.
  • אנרגיה פוטנציאלית אלסטית - אנרגיה האצורה בחומר אלסטי מתוח.
  • אנרגיה חשמלית - אנרגיה אצורה הנובעת מפעולת האינטראקציה האלקטרומגנטית, כלומר, מטענים שאינם נעים, אזור עשיר באלקטרונים מול אזור שבו אין הרבה אלקטרונים(חשמל סטטי).
  • אנרגיה כימית - אנרגיה חשמלית שאצורה בקשרים הכימיים בין האטומים והמולקולות.
  • אנרגיה גרעינית - אנרגיה האצורה בגרעיני האטומים, על פי העיקרון של הכוח הגרעיני החזק, שגורם למרכיבי הגרעין להיות קשורים.

• אנרגיה של שדות - הדוגמה הנפוצה ביותר של אנרגיה כזו היא אנרגיה של שדות אלקטרומגנטיים. מערכת של חלקיקים טעונים חשמלית ושדות מכילה אנרגיה גם בחלקיקים (אנרגיה במסה ואנרגיה קינטית) וגם בשדות האלקטרומגנטיים עצמם. פעולתם של כוחות אלקטרומגנטיים מעבירה אנרגיה בין החלקיקים לשדות ולהיפך.
• מסה - על פי תורת היחסות, יש אנרגיה האצורה במסה של חלקיקים. יתרה מזאת, מסתו של גוף המורכב מחלקיקים רבים, אינה פשוט סכום המסות של מרכיביו, אלא היא תלויה באנרגיה שלו. לפיכך, שינויים באנרגיה הפנימית של גוף יתבטאו כהפרש במסתו. תופעה זו משמעותית בתהליכים גרעיניים, בהם ניתן לחזות את האנרגיה שתשתחרר על ידי השוואת מסות הגרעינים המשתתפים בתהליך, ולפי נוסחתו של איינשטיין, E=mc². אף על פי כן, חשוב להבין כי המסה אינה אנרגיה - אך יש אנרגיה הקשורה במסה (באופן דומה לכך שמהירות אינה אנרגיה, אך יש אנרגיה הקשורה במהירות - אנרגיה קינטית).

פגם אחד בחלוקה הזו הוא, שאנרגיה של שדות ואנרגיה פוטנציאלית הן לעתים אותו הדבר (למשל במקרה של האנרגיה של גופים טעונים במצב אלקטרוסטטי), ולמעשה מהוות נקודות מבט שונות על אותו מצב פיזיקלי.

חוקי התרמודינמיקה

באנרגיה שולטים חוקי התרמודינמיקה:

• החוק הראשון של התרמודינמיקה, הכללה של חוק שימור האנרגיה, קובע כי במערכת סגורה, רמת האנרגיה הכללית נשמרת.
• החוק השני של התרמודינמיקה טוען כי רמת האנטרופיה במערכת סגורה אינה יכולה לקטון. פירושו המעשי של החוק הוא שלא ניתן לנצל את כל האנרגיה הזמינה - לא ניתן לחמם עצם חם על חשבון החום האגור בעצמים קרים יותר, ללא השקעת אנרגיה.

לחוקים אלו השלכות מרחיקות לכת בדבר זמינות האנרגיה לצרכים מעשיים, ובמהלך ההיסטוריה, אנשים שונים ניסו לבנות מכונות נצח - מכונות המפיקות אנרגיה רבה יותר מזו שהושקעה בהפעלתם. ניסיון זה מעולם לא צלח וקיומן של מכונות אלו עומד בניגוד לעקרונות פיזיקליים בסיסיים.

אנרגיה כיכולת לבצע עבודה

אנרגיה היא רק אחד מהגדלים שמגדירים מצב של מערכת. מדדים נוספים הם למשל מסה, טמפרטורה, נפח או לחץ. כאמור, האנרגיה לובשת צורות שונות שניתנות להמרה זו בזו. החוק הראשון של התרמודינמיקה, חוק שימור האנרגיה, קושר בין האנרגיה הכוללת של המערכת (או הגוף) לבין החום והעבודה שניתן לקבל מאנרגיה זו: $\ \Delta E=Q+W$. כאשר מעוניינים להסיק את הבית, שואפים ליצירת חום מרבי, ואילו כאשר מעוניינים בהנעת מכונית, למשל, שואפים לעבודה מרבית. מתוך החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה נובע כי רק חלק מן האנרגיה יכול להפוך לעבודה, בהתאם לנצילות הפקתה.

ביצוע עבודה גורם להמרת סוג אחד של אנרגיה לסוגים אחרים. למשל: כאשר שדה כבידה גורם לגוף ליפול, הוא ממיר את האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית של הגוף באנרגיה קינטית.

חום

המושג חום מתאר מעבר של אנרגיה מגוף אחד למשנהו, המתבצע דרך מספר גדול של תנועות מיקרוסקופיות אקראיות. מעבר חום בדרך כלל גורם לשינויים בטמפרטורה, על פי חוקי התרמודינמיקה. החום אינו צורת אנרגיה נפרדת. כדוגמה פשוטה, כאשר גז אידאלי מתחמם מעל להבה, כלומר הטמפרטורה שלו עולה, האנרגיה הקינטית של סך החלקיקים המהווים את הגז, עולה. מאחר שאת אותו אפקט ניתן להשיג על ידי דחיסה מכנית של הגז, כלומר ללא מעבר חום, ברור שאין טעם לחשוב על "החום שבתוך הגז". בשני המקרים האנרגיה של הגז היא קינטית, ובשני המקרים היא גדלה. ההבדל הוא באופן שבו מתרחש מעבר האנרגיה לתוך הגז.

יחידות מידה לאנרגיה

במערכת היחידות SI, יחידת המידה של אנרגיה חד קלרית היא ג'אול (J), כאשר ג'אול אחד היא האנרגיה הקינטית של מערכת שמסתה שני קילוגרם והיא נעה במהירות של מטר אחד בשנייה. כמו כן, ניתן להגדיר ג'אול אחד כעבודה שמבצע כוח של ניוטון אחד לאורך מטר אחד. בנוסף, ניתן להשתמש ביחידות של אלקטרון וולט (eV). אלקטרון וולט הוא האנרגיה הקינטית שמקבל אלקטרון כאשר הוא מואץ בהפרש מתחים של וולט אחד. $1eV\approx 1.6\times 10^{-19}J$. בתיאור תהליכים גרעיניים יחידה שימושית היא מגה אלקטרון וולט: $\ MeV=10^{6}eV$.

יחידות מידה נוספות לאנרגיה הן: קלוריה וארג.

ראו גם

• אנרגיה מכנית
• אנטרופיה
• אנתלפיה
• עבודה (פיזיקה)
• אנרגיה חלופית
• אנרגיה מתחדשת
• אנרגיית רוח
• אנרגיה גאותרמית
• אנרגיה גרעינית
• אנרגיה רדיואקטיבית

קישורים חיצוניים

• רמי אריאלי, אנרגיה בהיבט רב תחומי, מכון ויצמן למדע
• רמי אריאלי, אנרגיה איננה הכושר לעשות עבודה, מכון ויצמן למדע
• מלחמה בראי האנרגיה, סדרת שיחות בנושא מקורות האנרגיה בעולם והקשר ביניהם לבין מלחמות בין מעצמות בימינו ובמהלך ההיסטוריה, באתר הערוץ האקדמי
• יורם אורעד, בעין האנרגיה
• ארז גרטי, אנרגיה , במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 28 יוני 2011
• ארז גרטי, שיקולים אנרגטיים ברכבת ההרים, באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 22 ספטמבר 2011