فصل ۸: انرژی و تبدیل‌های آن

در زبان روزمره، فعالیت‌هایی همچون دویدن در بازی فوتبال، ضربه زدن به توپ و گرفتن آن را «بازی کردن» می‌گوییم. اما نشستن پشت میز و خواندن کتاب، نوشتن و اندیشیدن را «کارکردن» می‌نامیم. همچنین شست‌وشوی ظرف و چیدن دیوار را نیز کارکردن می‌گوییم. یعنی هر مفهومی که در ذهن ما از کار داریم، در علوم با این معناهای روزمره یکسان نیست.

در درس علوم، مفهوم کار را چنان تعریف می‌کنیم که اندازه‌گیری آن با استفاده از ابزارهایی مانند نیروسنج، مترنواری، زمان‌سنج و ترازو ممکن باشد. به عبارت دیگر، دانشمندان «کار» را طوری تعریف کرده‌اند که بتوان مقدار آن را با عدد بیان کرد و عامل‌های مؤثر در آن را اندازه گرفت. این دقیقاً همان کاری است که در فصل اندازه‌گیری با دیگر کمیت‌ها انجام دادیم.

در آزمایش صفحهٔ قبل دیدید که وقتی به جسمی نیرو وارد می‌کنیم و جسم به‌آرامی جابه‌جا می‌شود، به‌سادگی می‌توان مقدار نیرو و جابه‌جایی را اندازه گرفت. یکی از عامل‌های مؤثر در انجام کار، نیرویی است که به جسم وارد می‌شود؛ وارد کردن نیرو به یک جسم ممکن است سبب شروع حرکت، سریع‌تر شدن حرکت، کُند شدن حرکت، توقف حرکت، تغییر شکل یا تغییر جهت حرکت آن شود (شکل ۱ کتاب). علاوه بر نیرو، جابه‌جایی یا تغییر مکان جسم نیز یکی دیگر از عامل‌های مهم در انجام کار است؛ به این ترتیب می‌توان گفت: «اگر نیروی واردشده بر جسم سبب جابه‌جایی جسم شود، کار انجام می‌شود» (شکل ۲). در شکل ۲-الف نیروی افقی سبب جابه‌جایی افقی و در شکل ۲-ب نیروی عمودی سبب جابه‌جایی عمودی جسم شده است؛ توجه کنید که نیرو و جابه‌جایی در یک جهت‌اند.

مثال کتاب: شکل زیر وزنه‌برداری را نشان می‌دهد که با وارد کردن نیرویی به اندازهٔ ۲۰۰۰ نیوتون، وزنه را ۱/۸ متر بالا می‌برد. کار انجام‌شده توسط این وزنه‌بردار چقدر است؟ با جای‌گذاری مقدارها در رابطهٔ کار داریم: کار = ۲۰۰۰ N × ۱/۸ m = ۳۶۰۰ ژول. یعنی وزنه‌بردار روی وزنه، ۳۶۰۰ ژول کار انجام داده است.

در علوم پایهٔ ششم آموختید که انرژی به شکل‌های گوناگون مانند حرکتی، گرمایی، نورانی، صوتی و شیمیایی وجود دارد و می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود (شکل ۵ کتاب). کتاب چند نمونهٔ آشنا را نشان می‌دهد: انرژی شیمیایی سوخت کشتی را به حرکت درمی‌آورد، انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در چوب هنگام سوختن به گرمایی و نورانی تبدیل می‌شود و انرژی الکتریکی تلویزیون به نورانی، صوتی و گرمایی تبدیل می‌شود.

شکل ۵ و فعالیت جعبهٔ کلمهٔ کتاب: چند تبدیل آشنای انرژی.

انرژی پتانسیل به شکل‌های دیگری هم دارد. انرژی ذخیره‌شده در انواع سوخت‌ها و مواد غذایی از نوع انرژی پتانسیل شیمیایی است. همچنین هرگاه یک نوار الاستیکی، یک فنر یا کمان یک تیر را بکشیم، انرژی پتانسیل کشسانی در آن‌ها ذخیره می‌شود (شکل ۷-ب). وقتی نوار الاستیکی یا فنر یا کمان کشیده‌شده را رها می‌کنیم (شکل ۷-پ)، انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره‌شده در آن‌ها می‌تواند به شکل انرژی جنبشی آزاد شود.

در علوم پایهٔ ششم دیدیم که انرژی ذخیره‌شده در خوراکی‌ها به شکل انرژی شیمیایی است و مقدار آن را می‌توان با واحد کیلوژول (kJ) یا کیلوکالری (kcal) بیان کرد. در هر گرم از غذایی که می‌خوریم، مقداری انرژی شیمیایی نهفته است؛ برای مثال در هر گرم شیر معمولی ۲/۷ کیلوژول انرژی شیمیایی ذخیره شده است که آن را به صورت ۲/۷ kJ/g بیان می‌کنیم. معمولاً انرژی خوراکی‌های بسته‌بندی‌شده را برحسب کیلوکالری می‌نویسند و هر ۱ کیلوکالری معادل ۴۲۰۰ ژول است.

جدول ۱ کتاب: انرژی شیمیایی نهفته در یک گرم از بعضی از غذاهای آمادهٔ مصرف — روغن نباتی بیشترین و گوجه‌فرنگی کمترین مقدار را دارند.

بدن ما همواره به انرژی نیاز دارد. ما هنگام راه رفتن، دویدن، خندیدن و صحبت کردن انرژی مصرف می‌کنیم. وقتی آرام نشسته‌ایم، بدن ما در حال مصرف انرژی است و حتی موقع خواب هم انرژی مصرف می‌کند تا قلب و شش‌های ما به کار ادامه دهند (شکل ۹). اما وقتی بیدار می‌شویم، انرژی بیشتری مصرف می‌کنیم؛ بعضی کارها مثل دویدن، پریدن یا کارهای سخت به انرژی زیادی نیاز دارند.

نمودار ۱ کتاب: متوسط انرژی مورد نیاز افراد متفاوت در یک شبانه‌روز — پسران و مردان به‌طور طبیعی به انرژی بیشتری نیاز دارند.