در مورد قانون پایستگی انرژی چه میدانید

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.

فهرست مطالب

تاریخچه :

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 ادامه :

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 بتا :

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 قت انرژی از هیچ به جود 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

بیگ بنگ: این اصل که به عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می شود، یکی از قوی ترین اصول علمی است که ظاهرا مویی لای درزش نمی رود. به حدی در تاریخ این اصل علمی، قدرتمند ظاهر شده است که امانوئل کانت، فیلسوف مشهور آلمانی آنرا یک اصل پیش از تجربه می دانست، یعنی شبیه قوانین ریاضی بی نیاز و مستقل ازتجربه. البته نظر کانت در مورد اصول تحلیلی همچون ریاضی درست است، اما در مورد قانون بقای انرژی رد شده است، این قانون واقعا از هفت خوان رستم تجربه رد شده است.

فیلسوفان یونان باستان همچون تالس(Thales of Mile us) و امپدوکلس (Empedocles) اشاراتی فلسفی به قانون پایستگی داشته اند. در قرن شانزدهم، گالیله از طریق حرکت آونگ که انرژی پتانسیل آن به جنبشی و برعکس تبدیل می شود، اشاره کوچکی به این موضوع داشته است. در اواخر همان قرن، لایبنیتز آلمانی (Go f ied Leib iz) اولین تلاش را برای فرموله کردن پایستگی انرژی جنبشی در غیاب اصطکاک انجام داد. در همان زمان قانون بقای تکانه (مومنتوم) حتی با وجود اصطکاک کاربردی شده بود. به زودی مهندسین و شیمیدانها به این نتیجه رسیدند که قانون مومنتوم برای محاسبات عملی کافی نیست. از طرفی فرمول لایبنیتز هم در عمل کارایی چندانی نداشت چون اصطکاک معمولا همه جا بود و انرژی جنبشی گم می شد! پس از کش و قوسهای زیاد سرانجام در سال ۱۸۳۸ کارل فریدریش موهر اولین دکترین پایستگی انرژی را بیان کرد که در آن به کلمه فیزیکی کرافت (انرژی یا کار) اشاره شده است، وی ادامه می دهد که بسته به شرایط، انرژی می تواند به صورت حرکت ، میل ترکیبی شیمیایی، جاذبه، الکتریسیته، نور و مغناطیس ظاهر شده و از یک شکل به اشکال دیگر در آید.

با تلاش دانشمندانی از جمله ژول گرما نیز وارد معادله و صورتی از انرژی شد. در سال ۱۸۵۰ ویلیام رنکین اسکاتلندی برای اولین بار از عبارت ” قانون بقای انرژی” استفاده کرد. فرآیند رسیدن به این قانون در مفهوم ترمودینامیک نیز نتیجه نیم قرن تلاش و سعی و خطا بوده است. با این وجود معنای علمی آن با تلاش دانشمندانی همچون ویلیام رانکین ، جرمان هس روسی، جولیوس مایر آلمانی و از همه مهم تر کلازیوس آلمانی به بار نشست. امروزه پایستگی انرژی به عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می شود : انرژی یک سیستم منزوی ثابت است. آدمی کمی وسوسه می شود که نظر کانت را در مورد پایستگی انرژی بپذیرد، به نظر می رسد که دانشمندان هر جا که انرژی گم می شده است، با یافتن یک مفهوم یا معادله جدید آن را نجات داده اند! اگر انرژی جنبشی گم شود، مفهوم گرما به داد آن می رسد. اگر گرما گم شود، می توان نور را وارد معادله کرد. اگر همه اینها گم شد، انرژی پتانسیل وارد کارزار می شود. آیا به راستی اینگونه است؟

اگر تبدیل انرژی به صورتهای مختلف یک طرفه باشد این موضوع درست است. فرض کنید انرژی گرمایی گم شود و دانشمندان برای نجات بقای انرژی،نور را عامل آن بدانند. اگر نور نتواند به گرما یا صورت دیگری از انرژی تبدیل شود، معادله جدید صرفا قصد نجات پایستگی انرژی را دارد. اما تا زمانیکه صورتهای مختلف انرژی بتوانند به یکدیگر تبدیل شوند، قانون پایستگی کاملا تجربی و کاربردی است! در طول تاریخ قانون پایستگی انرژی بارها تهدید شده است. برخی از این تهدیدها شبه علمی و برخی کاملا علمی بوده است. در ادامه به بررسی برخی از این تهدیدها می پردازیم.

محرکهای دائمی : در دوره ای از تاریخ اروپا رقابتی بین مخترعین برای ساخت یک محرک دائمی ایجاد شده بود. شاید بتوان این تلاش را شبیه کوشش کیمیاگران برای تبدیل فلزی همچون مس به طلا دانست. البته تفاوت آن این است که امروزه با لیزر می توان کیمیاگری کرد و حتی از هیدروژن به طلا رسید، اما هیچکس به فکر ساخت محرک دائم نیست! به نظر می رسید که یک مخترع به نام اورفیرئوس آلمانی که نام واقعیش بسلر بود، سرانجام توانست محرک دائمی را بسازد. ماشین او چرخ بزرگ با اتصالات نسبتا پیچیده ای بود که دائم می چرخید. حتی در آزمایشهای دقیقی که به عمل آمد، معلوم شد که این چرخ چندین روز می چرخد، اما طولی نکشید که حیله مخترع فاش شد. ایشان به طور زیرکانه محفظه ای را طراحی کرده بود که شخصی در آن پنهان می شد و در زمان مناسب چرخ را می چرخاند! در زمانیکه همه از امکان ساخت محرک دائمی نامید شده بودند،در سال ۱۸۰۰ میلادی یک مخترع هوشمند ساعتی ساخت که بدون کوک دائما کار می کرد، اما واقعیت این است که کوک آن توسط اختلاف در فشار هوا انجام می شد و خطری برای قانون بقای انرژی ایجاد نمی کرد. (جزئیات آنرا در مرجع ۱ ص ۹۳ بخوانید.)

همچنین در سال ۱۹۰۳ میلادی پروفسور استرت دستگاهی موسوم به ساعت رادیومی اختراع کرد که ظاهرا بدون حقه و فریب می تواند حداقل هزار سال از خود تحرک ظریفی نشان دهد. امروزه دیگر کسی برای محرکهای دائمی و نقض قانون بقای انرژی تلاش نمی کند. همانطور که یک جرثقیل نمی تواند خودش را بلند کند، انرژی نیز نمی تواند از هیچ به وجود آید. از اتفاقاتی که سبب گم شدن انرژی در سیستمها می شد، دانشمندان به تعریف سیستم منزوی رسیدند. یعنی سیستمی که تبادل انرژی با محیط خود ندارد. این نوع سیستم در ذهن و نوشتن ساده به دست می آید، اما در آزمایشگاهها موضوع فرق می کند. خیلی باید دقت کنید تا از منزوی بودن و یا میزان تبادل انرژی سیستم با محیط مطمئن شوید. امروزه نقض پایستگی انرژی در یک سیستم به معنای عدم دقت در منزوی کردن آن است. در هر حال دانشمندان ، این مراحل را نیز پشت سر گذاشته بودند اما خبر نداشتند که جرم و انرژی نیز قابل تبدیل به یکدیگرند. معادله مشهور E = MC2اینشتین این آمادگی را برای تعریف دقیق تر سیستم های منزوی داد.

در واکنشهای رادیو اکتیویته که اورانیوم به عناصر سرب و هلیوم تجزیه می شود، مقداری از جرم در طرف دوم معادله گم می شود که به صورت کمی طبق معادله یاد شده به انرژی تبدیل میشود. در جوش هسته ای نیز زمانیکه هیدروژن به هلیوم تبدیل می شود، با محاسبات جرم اتمی معلوم می شود که جرم هلیوم حاصله کمتر از هیدروژنهاست. این جرم نیز به انرژی تبدیل می شود. جرم خورشید در هر ثانیه چند تن کم می شود. انرژی معادل آن همان نوری است که به فضا منتشر می کند. البته اگر ترازویدقیق داشتیم نیازی نبود که معادله انیشتین را در واکنشهای هسته ای جستجو کنیم. اگر شما یک طبقه بالا بروید، معادل انرژی صرف شده بر جرمتان افزوده می شود و برعکس (آیا می توانید مقدار آن را حساب کنید؟) ! البته نه به این معنا که ذراتی به بدن اضافه می شود، بلکه برجرم تک تک اتمهای بدن اضافه می شود! جرم یک فنر کشیده یا جمع شده معادل انرژی ذخیره شده، بیشتر از همان فنر در حالت عادی است.

تلاشی بتا : این واکنش هسته ای یکی از قویترین تهدیدها در تاریخ، علیه پایستگی انرژی بود. از طرفی یکی از بهترین نمونه ها برای نشان دادن تجربیو کاربردی بودن این قانون است. در یک واکنش رادیو اکتیویته ( مانند تجزیه کربن ۱۴ به نیتروژن ۱۴) نوترون تجزیه شده و به پروتون و الکترون تبدیل می شود. دانشمندان به وضوح دریافتند که سمت راست معادله کاهش انرژی نشان می دهد!در مواجهه با این انحراف، نیلز بور حاضر به پذیرفتن نقض بقای انرژی در سطح زیر اتمی شده بود، در عوض ولفگانگ پائولی اتریشی برای تصحیح انحراف، ذره ای را به سمت راست واکنش اضافه نمود. تا اینجای کار مشکلی نیست، اماپائولی اذعان داشت که این ذره هیچگاه شناسایی نخواهد شد، یعنی دقیقا تلاش برای نجات پایستگی انرژی به هر بهایی! اینکار اشتباه است و امیدوارم در فلسفه علم به آن بپردازیم.

کشف پاد نوترینو یعنی شبیه همان ذره ای که پائولی به واکنش اضافه کرد، فرض علمی و البته شتاب زده بور را باطل کرد. به این ترتیب یک بار دیگر قانون پایستگی انرژی سربلند بیرون آمد. اما آیا این همه ماجراست؟! امروزه خطری بزرگتر در کمین این قانون نشسته است. اگر توپی که همچون قانون اول نیوتن قرار است با سرعت یکنواخت حرکت کند، بدون نیروی شناخته شده ای بر سرعتش اضافه شود، شما چه نتیجه ای می گیرید؟ اولین نتیجه نقض بقای انرژی است، این اتفاق نه برای یک توپ که برای تمامی کهکشانها جاری است. کهکشانها نه تنها از همدیگر دور می شوند، بلکه مدتهاست که بر سرعتشان نیز اضافه می شود. اگر قرار باشد اصول جاری علمی را پایدار نگه داریم، ناچاریم همچون دانشمندان برای آن مسئولی ناشناخته تعریف کنیم:

انرژی تاریک، انرژیی که برخلاف تلاشی بتا سهم آن در واکنش کم نیست و طبق محاسبه دانشمندان بیش از ۷۰ % جهان را تشکیل می دهد و مسئول دور کردن کهکشانها با سرعتی فزاینده از یکدیگر و واپاشی ماده و دنیا در آینده است. طبعا دانشمندان، همچون پائولی نامی برای آن انتخاب کرده و آن را در یک سوی معادله قرار داده اند، اما برخلاف وی به یافتن آندر آینده امیدوارند. ما هم منتظر خواهیم بود!

نویسنده : احمد مصدر- عضو پیوسته بیگ بنگ

منابع:

فیزیک برای سرگرمی ، پرلمان یاکوف ، ترجمه احسان قوام زاده

Co se va io of e e gy His o yFi s law of he mody amicsBe a decay His o yh ps:www.you ube.comwa ch?v=uqAA_D9Mi_Ih ps:www.you ube.comwa ch?v=LK ieVc6O7Ah ps:www.you ube.comwa ch?v=THT_BAdKe6g