מהי אנרגיה?

היקום מורכב מחומר בצורות שונות, וכל צורות החומר מכילות אנרגיה. צורות האנרגיה השונות על פני כדור הארץ מקורן בשמש - מקור האנרגיה האולטימטיבי. צמחים לוכדים אנרגיית אור מהשמש, ובאמצעות תהליך הפוטוסינתזה, ממירים אותה לאנרגיה כימית. ניתן לרתום אנרגיה מאוחסנת זו מצמחים בדרכים רבות. למשל, אכילת מוצרים צמחיים כמזון מספקת אנרגיה לתפקוד גופנו, ושריפת עצים או פחם (צמחים מאובנים) מייצרת חום וחשמל. לכן, מכיוון שכל השינויים בחומר כרוכים בשינויים באנרגיה, חיוני להבין כיצד אנרגיה זורמת מצורה אחת לאחרת.

אנרגיה מוגדרת כיכולת לעשות עבודה. העבודה נעשית כאשר כוח המופעל על עצם גורם לעצם לנוע כנגד כוח מתנגד. לדוגמה, העבודה נעשית כאשר שולחן נדחק על פני החדר כנגד ההתנגדות מהרצפה.

ניתן לחלק אנרגיה לשני סוגים עיקריים - אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה קינטית. אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה הקשורה למיקום היחסי, להרכבו או למצבו של האובייקט. אנרגיה קינטית היא האנרגיה הקשורה לתנועת האובייקט. לדוגמה, מים המוחזקים מאחורי הסכר הם בעלי אנרגיה פוטנציאלית בשל מיקומם מעל הקרקע. כאשר הוא זורם כלפי מטה דרך גנרטורים, הוא צובר אנרגיה קינטית, אותה ניתן להפעיל לייצור חשמל בתחנת כוח הידרואלקטרית.

אנרגיה פוטנציאלית

אנרגיה פוטנציאלית ידועה גם כאנרגיה במנוחה או אנרגיה מאוחסנת. סוגים נפוצים של אנרגיה פוטנציאלית כוללים את האנרגיה הפוטנציאלית הכבידה המאוחסנת בתפוח התלוי על עץ, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית האצורה באובייקט עקב משיכה או דחיה של מטענים חשמליים, או האנרגיה הפוטנציאלית הכימית האצורה בקשרים בין אטומים ומולקולות. . בנוסף, האנרגיה הגרעינית המאוחסנת בגרעין אטום והאנרגיה האלסטית המאוחסנת בקפיץ מתוח בשל תצורתו הם סוגים של אנרגיה פוטנציאלית.

בדרך כלל, אובייקטים או מערכות עם אנרגיה פוטנציאלית גבוהה נוטים להיות פחות יציבים, ובכך נעים לעבר רמות אנרגיה נמוכות יותר כדי להשיג יציבות. לדוגמה, ליסוד הרדיואקטיבי אורניום-235 (U²³⁵) יש גרעין לא יציב. כדי להשיג יציבות, הוא מתפצל ליסודות קטנים יותר אך יציבים ומשחרר את האנרגיה הגרעינית האצורה. לאחר מכן ניתן להשתמש באנרגיה המשתחררת הזו לייצור חשמל בתחנות כוח גרעיניות.

אנרגיה קינטית

כמות האנרגיה הקינטית של האובייקט תלויה במסה ובמהירות שלו. שקול שני כדורים בעלי מסות שונות מתגלגלים במישור מורד משופע באותה מהירות. לכדור הכבד יותר תהיה יותר אנרגיה קינטית. באופן דומה, כאשר שני כדורים מאותה מסה מתגלגלים במישור מורד משופע במהירויות שונות, לכדור שזז מהר יותר יש יותר אנרגיה קינטית.

קיימות גם צורות שונות של אנרגיה קינטית, כולל אנרגיה מכנית, חשמלית, קרינה, קול ואנרגיה תרמית. אנרגיה מכנית קשורה לתנועה של האובייקט. ככל שהאובייקט זז מהר יותר, כך יש לו יותר אנרגיה מכנית. לדוגמה, כדור שנורה מאקדח או מים הזורמים במורד הסכר הם דוגמאות לאנרגיה מכנית. אנרגיה חשמלית מיוחסת לזרימת מטענים חשמליים, כפי שנצפתה במקרה של פגיעות ברק במהלך סופות רעמים או מעגלים ומכשירים חשמליים יומיומיים. אנרגיית קרינה היא צורה של אנרגיה קינטית הנעה כגלים אלקטרומגנטיים וניתן לחוות אותה בצורה של אור וחום. אור השמש הוא דוגמה לאנרגיה קורנת.

אנרגיה תרמית קשורה לתנועה אקראית של אטומים ומולקולות. כאשר האטומים והמולקולות באובייקט נעים או רוטטים במהירות, יש להם אנרגיה קינטית ממוצעת גבוהה יותר (KE), ונאמר שהאובייקט "חם". כאשר האטומים והמולקולות נעים לאט, יש להם KE ממוצע נמוך יותר, והאובייקט מוגדר כ"קר". לפיכך, ניתן לצפות באנרגיה תרמית דרך שינויי הטמפרטורה של עצם. בהנחה שלא מתרחשת תגובה כימית או שינוי פאזה (כגון התכה או אידוי), הגדלת כמות האנרגיה התרמית בדגימת חומר תגרום לטמפרטורה שלו לעלות. באופן דומה, בהנחה שלא מתרחשת תגובה כימית או שינוי פאזה (כגון עיבוי או הקפאה), הפחתת כמות האנרגיה התרמית בדגימת חומר תגרום לירידה בטמפרטורה שלו.

חוק שימור האנרגיה

ניתן להמיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת, אך סך האנרגיה הקיימת לפני שינוי תמיד קיימת בצורה כלשהי גם לאחר שינוי. התבוננות זו באה לידי ביטוי כחוק שימור האנרגיה. חוק שימור האנרגיה קובע שאנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת, למרות שניתן לשנות אותה בצורה. לפיכך, האנרגיה הכוללת של המערכת נשארת קבועה. לדוגמה, אנרגיה כימית (סוג של אנרגיה פוטנציאלית) מאוחסנת במולקולות המרכיבות את הבנזין. כאשר בנזין נשרף בתוך הצילינדרים של מנוע המכונית, התוצרים הגזים המתרחבים במהירות של תגובה כימית זו יוצרים אנרגיה מכנית (סוג של אנרגיה קינטית) כאשר הם מניעים את בוכנות הצילינדר.

טקסט זה מותאם מתוך Openstax, Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics.