Enerji biçimleri

Enerji biçimleri, iki ana grubu ayrılabilir: kinetik enerji ve potansiyel enerji. Diğer enerji türleri bu iki enerji türünün karışımdan elde edilir.

Yukarıdaki listedeki enerji biçimleri bilinenlerdir. Enerji biçimlerinin tümünü kapsamaz. Fizikçiler, enerjinin korunumu yasası gereğince yeni biçimler keşfedebilir. Bu yeni biçim, karanlık enerji sonucunda da oluşabilir.

Klasik mekanik, bir alan bulunan cismin pozisyonundan dolayı depoladığı enerji olan potansiyel enerji ile, cismin hareketinin sonucu oluşan kinetik enerjiyi birbirinden ayırır. Hem pozisyon hem de hareket bir referans çerçevesine göre görecelidir ve şöyle belirtilir: bu daha çok (ve aslında) dünya yüzeyinde seçilen keyfi bir sabit noktadır. Yani karasal referans çerçevesidir.

Mekanik enerji (sembolleri; EM veya E) birçok biçimde ifade edilir. Fakat çoğunlukla potansiyel enerji (Ep, V, U veya ?) ve kinetik enerji (Ek veya T) içinde sınıflandırılır. Potansiyel enerji teriminin çok geniş kullanımı vardır. Çünkü, kütleçekim, elektrostatik ve manyetik alanlar gibi tüm kuvvet alanlarında bulunur. Potansiyel enerji, bir kuvvet alanındaki herhangi bir cismin pozisyonundan dolayı elde edilen kazancı ifade eder.

Esneklik enerjisi, bir yayı sıkıştırmak veya germek için gereken iş olarak tanımlanır. Bir yay veya Hooke yasasına uyan diğer herhangi bir sistemteki F germe/sıkıştırma kuvveti, x germe/sıkıştırma mesafesi ile orantılıdır.

Eğer k sabit olmazsa yukarıdaki eşitlik hatalı olur. Hook yasası, sabit şartlar altındaki kimyasal bağların davranışları için iyi bir yaklaşımdır. Örneğin, bağlar kopmadığında veya şekil değiştirmediğinde.

Özellikle, farklı maddelerin yüzey gerilimi farklı olduğundan dolayı temasları esnasında karışım olmaz. Boş bir yüzey, örneğin kılcal yüzey, hareket ettirilirse çok küçük bir enerji açığa çıkar.

Örneğin bir minimal yüzey, mümkün olan en küçük enerji barındırabilir. Bu enerji yüzeyin alanı ile orantılıdır. Bu sonuca göre, küçük boyutlu sabun köpükleri minimal yüzeye sahiptir (küçük boyut kütleçekim etkilerini azaltır ve genişlik basıncı arttırır. Köpüğün yüzey enerjisi minimum olmasına rağmen, köpük minimal yüzeye sahip değildir).

Ses, her mekaniksel ortamda yayılabilen bir mekaniksel titreşim biçimidir. Ses enerjisi daha çok insan kulağının sese karşı duyarlılığı ile ilgilidir. Büyük kulak kepçesi, ses titreşimlerini daha iyi toplar. Kulak kepçesinin yakaladığı ses yükseltilerek kulak zarı tarafından orta kulaktaki örs, çekiç ve üzengi kemikleri aracılığı ile iç kulaktaki salyangoz organına aktarılır. Salyangoz akustik dalgayı beynin yorumlayabileceği elektriksel işarete dönüştürmekle görevlidir. Bu aktarma ve elektriksel işarete çevirme işlemleri, insan duyma sisteminin karakteristik özelliklerinin ana belirleyicisidir.

Burada, r iki kütle arasındaki mesafe ve G yerçekimi sabitidir ve değeri 6,6742(10) × 10−11 m³ kg−1 s−2'dir. Bu durumda sıfır potansiyel referans noktası, iki kütle arasındaki sonsuz mesafedir.

Termal enerji (maddenin gaz, plazma, katı, gibi bazı halleri), partiküllerin rastgele mikroskopik hareketi ile ilgili enerjidir. Örneğin, monoatomik gaz halinde gaz atomları hareketten dolayı yalnızca kinetik enerjiye sahiptir. Molekül halinde gazda dönme ve titreşim enerjisi oluşur. Sıvı ve katı hallerinde de (atomların etkileşiminden dolayı) potansiyel enerji vardır.

Burada Cv, sistemin ısı kapasitesidir. Eğer sistem hal değişimi altında ise bu eşitlik geçersiz olur. Örneğin buz erimesi esnasında ısıda bir azalma olmaksızın sistem ısıyı tutar.

Burada df, serbestlik derecesi sayısı ve kB,Boltzmann sabitidir. Toplam termal enerji gazın toplam iç enerijine eşit olmalıdır. Fakat moleküller arası potansiyel enerji bu teoriye dahil değildir. kBT ifadesi, istatistiksel mekaniğinde çok sık kullanılır.

İkinci bir düzeltme entropideki, (S) değişiklik için yapılır. S, kimyasal bir tepkimenin bir yer kaplayıp kaplamadığı dikkate alınarak uygulanır. Bu Gibbs serbest enerjisini (G) verir. Düzeltme, kaybolan enerjiyi elde etmek için gereken enerjidir.

Burada V is the gerilim (volt olarak), Q yük (coulomb olarak), I akım (amper olarak), t akımın aktığı süre (saniye olarak), P güç (watt olarak) ve R direnci (ohm olarak).

Mikrodalgalar, ışık veya gama ışınları gibi elektromanyetik ışınımlar, elektromanyetik enerji akışını ifade eder. Elektromanyetik alanın manyetik ve elektrik bileşenlerinde uygulanan yukarıdaki ifadeler EM alandaki hem enerji yoğunluğu hem de akışı ile hesaplanır. Sonuçta, elektromanyetik alanın enerji akısını tanımlayan Poynting vektörü SI biriminde şöyle hesaplanır.

Burada h değeri 6,6260693(11)×10−34 J.s olan Planck sabitidir, ν ışınım frekansıdır. Bu elektromanyetik enerji büyüklüğü, genellikle bir foton olarak adlandırılır. 270–520 yJ enerji büyüklüğüne sahip foton görünür ışık yayar ve bu da 160–310 kJ/mol'a eşdeğerdir. Bu değer zayıf kimyasal bağ oluşturur.

Güneş enerjisi olarak adlandırılan güneşteki enerji, bu enerji dönüşüm biçimine örnektir. Güneşte hidrojen füzyon sürecinde, güneş "maddesi"nin yaklaşık 4 milyon tonu bir saniyede ışığa dönüşerek uzaya yayılır. Fakat bu süreç esnasında her ne kadar protonlar nötrona dönüşse bile proton ve nötron sayıları toplamı değişmez. Bu sistemde yayılan ışık (bir sistem gibi düşünülürse), elektromanyetik ışınım sonucu bir saniyede "kaybolan" yaklaşık 4 milyon ton kütleyi kendisi tutar ve onu uzaya taşır. Bu süreçte dönüştürülen helyum çekirdeğinin her biri, dönüştürülen dört protondan daha hafiftir. Güneşin nükleer potansiyel enerjisi ışığa dönüştüğü esnada hiçbir parçacık kaybolmaz.