موضوع مقاله: انرژی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # انرژی | مقدمه: در فیزیک، انرژی (از واژه یونانی ἐνεργός، به معنی فعالیت، عملیات) یا کارمایه، خاصیت کمیتی است که به شکل انجام کار یا گرما یا نور در یک جسم یا سامانه فیزیکی دیده می‌شود. | ## بخش 1: انرژی | انرژی، کمیتی بنیادین است که برای توصیف وضعیت یک ذره، جسم یا سامانه به آن نسبت داده می‌شود. در سامانهٔ استاندارد بین‌المللی یکاها یکای انرژی ژول است که برابر است با اندازهٔ کاری که نیروی ۱ نیوتون در جابجا کردن یک جسم به اندازهٔ یک متر انجام می‌دهد. ِ تا به امروز گونه‌های متفاوتی از انرژی شناخته شده که با توجه به شیوهٔ آزادسازی و اثرگذاری به دسته‌های متفاوتی بخش‌بندی می‌شوند که از آن‌ها می‌توان انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل (گرانشی، الکتریکی، مغناطیسی)، انرژی گرمایی، انرژی شیمیایی، انرژی هسته‌ای و انرژی نورانی را نام برد. در فیزیک انرژی را به دو بخش تقسیم می‌کنند: اکسرژی (بخش سودمند انرژی) انرژی (بخش قابل تبدیل انرژی (انرژی در واقع به نوعی از انرژی تبدیل می‌شود که در آن شرایط برای ما ممکن است سودمند یا ناسودمند باشد . عامل، حامل و منبع همه گونه انرژی‌هایی که بشر از آن استفاده می‌کند (انرژی مواد فسیل، انرژی آبی و غیره) خورشید است، به جز انرژی هسته‌ای. برپایهٔ نظریهٔ نسبیت مجموع «جرم و انرژی» پایدار و تغییرناپذیر است (و آن را قانون پایستگی انرژی می‌نامند)؛ بدین معنا که انرژی از شکلی به شکل دیگر یا به جرم تبدیل شود ولی هرگز زاییده یا نابود نمی‌شود. بر پایهٔ تئوری نور بقای جرم و انرژی پیامدی از این اصل است که قوانین فیزیکی در گذر زمان بدون تغییر می‌مانند. انرژی هر جسم (برپایهٔ نسبیت خاص) جنبش ذرات بنیادی آن جسم است و اندازهٔ آن از معادلهٔ شناخته‌شدهٔ آلبرت اینشتین به‌دست می‌آید: (باید توجه کرد که این معادله تنها انرژی موجود ذرات را نشان می‌دهد و نه دیگر گونه‌های انرژی (مانند جنبشی یا پتانسیل). انرژی توانایی انجام کار است یعنی ما برای اینکه بتوانیم کارهای خود را انجام دهیم یا حتی حرکت کنیم به انرژی نیاز داریم. سرچشمهٔ این اصل همانگونه که در مکانیک بکار می‌رود به‌دست کار گالیله و آیزاک نیوتن فهمانیده شد. در واقع هنگامی‌که کار به عنوان حاصلضرب نیرو و تغییر مکان تعریف می‌شود، این تعریف تقریباً به‌طور خود کار از قانون دوم حرکت نیوتن تبعیت می‌کند. چنین مفهومی تا سال ۱۸۲۶ یعنی زمانی‌که ریاضی‌دان شناخته‌شدهٔ فرانسوی معرفی شد، وجود نداشت. واژهٔ نیرو (از نظر لاتین) نه تنها از دیدگاه مفهوم آن به‌دست نیوتن در قوانین حرکتش توصیف شد، بلکه در کمیت‌هایی که اکنون به عنوان کار و انرژی سینتیک (جنبشی) و پتانسیل (نهفته) تعریف می‌شوند بکار می‌روند. این ابهام برای مدت زمانی گسترش هر اصل کلی را در مکانیک در ورای قوانین حرکت نیوتنی مسدود نموده بود. حالت‌ها انرژی کل یک سامانه می‌تواند به انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل یا ترکیب‌هایی از آن‌ها بخش‌بندی شود. انرژی جنبشی با حرکت یک شیء یا اجزای آن تعیین می‌شود و انرژی پتانسیل بیان‌گر پتانسیل یک شیء برای حرکت است و معمولاً تابع موقعیت آن درون میدان است؛ یا ممکن است در آن ذخیره شده باشد. +برخی از حالت‌های انرژی که یک جسم یا سامانه می‌تواند داشته باشدنوع انرژیتوضیحاتمکانیکیانرژی ماکروسکوپیک منسوب به یک سامانه که مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی استالکتریکیانرژی پتانسیل ناشی از میدان‌های الکتریکیمغناطیسیانرژی پتانسیل ناشی از میدان‌های مغناطیسیگرانشیانرژی پتانسیل ناشی از میدان‌های گرانشیشیمیاییانرژی پتانسیل ناشی از پیوندهای شیمیاییگرماییانرژی جنبشی حرکت میکروسکوپیک ذره‌هاکشسانیانرژی پتانسیل ناشی از تغییر شکل یک مادههسته ایانرژی پتانسیلی که باعث بستگی ذرات هسته‌ای هاستانرژی یونشانرژی پتانسیلی که باعث بستگی الکترون به اتم یا مولکول آن است انرژی جنبشی هریک از کمیت‌های در معادلات بالا یک انرژی جنبشی است، اصطلاحی که به وسیلهٔ لرد کلوین در ۱۸۵۹ شناخته شد: این معادله نشان می‌دهد که کار انجام شده بر روی جسم در شتاب دادن آن از یک سرعت نخستین به سرعت پایانی معادل تغییر در انرژی جنبشی جسم است. | ## بخش 2: انرژی | بر عکس چنانچه یک جسم متحرک به‌دست عمل یک نیروی مقاوم کند شود، کار انجام شده به وسیلهٔ جسم معادل تغییرش در انرژی جنبشی خواهد بود. در سامانهٔ استاندارد بین‌المللی یکاها که یکای جرم به کیلوگرم و سرعت به متر بر ثانیه است، انرژی جنبشی دارای یکای کیلوگرم در توان‌دوی متر بر توان‌دوی ثانیه است از آنجایی که کیلوگرم متر بر توان‌دوی ثانیه به یکای نیوتن بیان می‌شود، انرژی جنبشی به نیوتن متر یا ژول بیان می‌گردد که همان یکای کار خواهد بود. در دستگاه مهندسی انگلیسی، انرژی جنبشی به بیان می‌شود؛ بنابراین یکای انرژی جنبشی در این دستگاه عبارت خواهد بود از در اینجا برای هماهنگی ابعاد، قراردادن ثابت بعدی ضروری است. انرژِی پتانسیل مفهوم انرژی پتانسیل میدان الکتریکی :توانایی انجام کار به خاطر داشتن موقعیت در میدان نیروی پایستار را انرژی پتانسیل الکتریکی گویند. مفهوم انرژی پتانسیل گرانشی :توانایی انجام کار به خاطر داشتن موقعیت در میدان نیروی گرانش (نیروی گرانش پایستار است، یعنی به گذرگاه ربط ندارد بلکه به جایگاه نخستین و دوم مربوط است) را انرژی پتانسیل گرانشی گویند چنانچه جسمی با جرم معینی از یک ارتفاع نخستین به ارتفاع پایانی بالا رود، نیرویی دست‌کم برابر وزنش در جهت بالا باید بر آن اعمال شود در این معادله شتاب گرانشی از محلی به محل دیگر متفاوت است. حداقل کار نیاز برای بالا بردن جسم، حاصلضرب این نیرو و تغییر ارتفاع خواهد بود : معادله(۲) از معادله بالا می‌بینیم که کار انجام شده بر روی جسم برای بالا بردن آن برابر تغییر در انرژی پتانسیل است. بر عکس، چنانچه جسمی در برابر یک نیروی مقاوم برابر وزنش پایین آورده شود، کار انجام شده به وسیلهٔ جسم برابر تغییر در انرژی پتانسیل است. معادله (۱) شکل مشابهی با معادله (۲) دارد و هر دو مبین این واقعیت هستند که کار انجام شده برابر تغییر در کمیتی است که شرایط جسم را در ارتباط با محیطش توصیف می‌نمایید. در هر دو حالت کار انجام شده را می‌توان به وسیله وارون نمودن فرایند و بازگرداندن جسم به شرایط نخستینش بازیابی نمود. این مشاهده طبیعتاً به این تصور انجامیده می‌شود که چنانچه کار اعمال شده بر روی جسم در شتاب دادن آن یا در بالا بردن آن را بتوان بازیابی نمود، پس این جسم به وسیله خاصیتی چون سرعتش یا ارتفاعش باید دارای استعداد یا ظرفیت انجام این کار باشد این فرضیه در مکانیک جسم جامد آنچنان به خوبی ثابت شده است که ظرفیت یک جسم برای انجام کار نام انرژی به دادن اختصاص یافته است، نامی که از واژهٔ یونانی اقتباس شده و به معنی انجام کار است و بنابراین کار شتاب‌دهنده یک جسم باعث تغییر در انرژی جنبشی آن می‌شود. و کار انجام یافته بر روی یک جسم برای بالا آن باعث تغییر در انرژی پتانسیل آن می‌شود، و یا بنابراین انرژی پتانسیل چنین تعریف می‌شود: در سامانهٔ استاندارد بین‌المللی یکاها، که جرم به کیلوگرم، ارتفاع به متر و شتاب گرانشی به متر بر توان‌دوی ثانیه است، انرژی پتانسیل دارای یکای کیلوگرم-توان‌دوی متر بر توان‌دوی ثانیه است. در دستگاه مهندسی انگلیسی، یکای انرژی پتانسیل فوت در پوند نیرو خواهد بود این بار نیز ثابت بعدی برای هماهنگی ابعاد افزوده می‌شود. اصل پایستگی جرم و انرژی در هر یک از آزمایش‌ها فرایندهای فیزیکی، تلاش برای یافتن یا تعریف کردن کمیت‌هایی است که بدون توجه به تغییرات رخ داده شده، ثابت بمانند. استفاده مهم قانون بقای جرم به عنوان یک اصل کلی در علم پیشنهاد می‌نماید که اصول بیشتر بقاء می‌باید دارای اندازهٔ قابل مقایسه‌ای باشد؛ بنابراین گسترش مفهوم انرژی به‌طور گویا منتهی به اصل بقایش در فرایندهای مکانیکی شد. در صورتی‌که به جسمی در هنگام بالا رفتن انرژی داده شود، پس از آن این جسم می‌باید این انرژی را در خود نگهدارد تا کاری را که تواناست انجام دهد. جسمی که فراز نموده و مجاز به سقوط آزاد است، آنقدر انرژی جنبشی کسب می‌نماید که به همان اندازه انرژی پتانسیل از دست می‌دهد به‌طوری‌که ظرفیت آن برای انجام کار بدون تغییر می‌ماند. برای یک جسم در حال سقوط آزاد، می‌توان نوشت: اعتبار این معادله به وسیلهٔ آزمایش‌های بی‌شماری تأیید شده است. | ## بخش 3: انرژی | موفقیت در کاربرد آن برای اجسام در حال سقوط آزاد منتهی به تعمیم اصل بقای انرژی برای استفاده در همه فرایندهای مکانیکی خالص شده است. اشکال دیگری از انرژی مکانیکی افزون بر انرژی جنبشی و پتانسیل گرانشی امکانپذیر است. از آنجائیکه فنر بعداً می‌تواند این کار را دربرابر یک نیروی مقاوم بیرونی انجام دهد، پس فنر دارای ظرفیت انجام کار است. انرژی شکل مشابهی در یک نوار لاستیکی کشیده شده یا در یک میله کج شده در ناحیه کشسانی موجود است. برای افزایش عمومیت اصل بقای انرژی در مکانیک، ما به کار بالاخص به عنوان شکلی از انرژی می‌نگریم. این به‌طور وضوح مجاز است زیرا تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل برابر کار انجام گرفته در تولید آنهاست (معادلات ۱ و ۲). هنگامی‌که کاری انجام گیرد لکن هم‌زمان جای دیگری کار ظاهر نشود، به‌شکل دیگری از انرژی تبدیل می‌شود. زمانی‌که کاری صورت می‌گیرد، این کار به وسیلهٔ محیط بر روی دستگاه یا بالعکس انجام می‌شود و انرژی از محیط به دستگاه یا بالعکس انتقال می‌یابد تنها در خلال این انتقال است که شکلی از انرژی به عنوان کار موجود می‌باشد. برای نمونه انرژی جنبشی تابعی از سرعت نسبت به محیط است و انرژی پتانسیل تابعی از ارتفاع نسبت به یک سطح مقایسه می‌باشد. چنانچه جریان الکتریکی از یک مقاومت می‌گذرد، انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می‌شود. اگر جریان از یک وسیله برقی بگذرد، اندازه‌ای از انرژی الکتریکی به انواع دیگر انرژی تبدیل می‌گردد (و اندازه‌ای از آن همواره با تبدیل شدن به گرما هدر می‌رود). مقدار انرژی یک جریان الکتریکی به روش‌های مختلف قابل بیان است در فرمول بالا V اختلاف پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت، I جریان الکتریکی بر حسب آمپر، t زمان بر حسب ساعت، R مقاومت الکتریکی بر حسب اهم، E انرژی الکتریکی بر حسب وات ساعت، P توان الکتریکی بر حسب وات است. اصل حفاظت از انرژی در معماری هر ساختمان باید به گونه‌ای طراحی و ساخته شود که نیاز آن به سوخت فسیلی به کمترین اندازهٔ ممکن برسد. ضرورت پذیرفتن این اصل در دوره‌های گذشته بدون هیچ شک و تردیدی با توجه به شیوه ساخت و سازها انکار ناپذیر می‌باشد و شاید تنها به سبب گوناگونی بسیار زیاد مصالح و فناوری‌های جدید در دوران معاصر چنین اصلی در ساختمان‌ها به دست فراموشی سپرده شده است و این بار با استفاده از مصالح گوناگون ویا با ترکیب‌های مختلفی از آنها، ساختمان‌ها، محیط را با توجه به نیازهای کاربران تغییر می‌دهند. اشاره به نظریه مجتمع زیستی نیز خالی از لطف نمی‌باشد، که از فراهم آوردن سر پناهی برای در امان ماندن در برابر سرما یا ایجاد فضایی خنک برای سکونت افراد سرچشمه می‌گیرد، به این دلیل و همچنین وجود عوامل دیگر مردمان ساختمان‌های خود را به خاطر مزایای متقابل فراوان در کنار یکدیگر بنا می‌کردند. | ## جمع‌بندی | ساختمان‌هایی که در تعامل با اقلیم (بوم) محلی و در تلاش برای کاهش وابستگی به سوخت فسیلی ساخته می‌شوند، نسبت به کاشانه‌های عادی امروزی، حامل تجربیاتی منفرد و مجزا بوده و در نتیجه، به عنوان تلاشهای نیمه کاره برای آفریدن معماری سبز مطرح می‌شوند.