Ana içerik

Enerji ve iş nedir?

Burada, fizikte iş ve enerjinin ne olduğunu ve bunlar arasındaki ilişkiyi öğreniyoruz.

Enerji ve iş nedir?

Enerji kelimesini günlük hayatta sık sık kullanırız. Bu kelimeyi birçok anlama gelecek şekilde kullansak da, fizikte ayrı bir anlamı vardır.

Enerji, bir şeyin iş yapabilme yeteneğinin ölçülmesidir. Maddesel bir varlık değildir. Enerji birçok biçimde depolanabilir ve ölçülebilir.

Genelde insanların enerji tüketiminden bahsettiğini duysak da, aslında enerji asla tamamen yok olmaz. Enerji bir formdan bir diğer forma transfer olur ve bu süreçte iş yapar. Bazı enerji formları diğerlerinden daha az yararlıdır—örneğin, düşük seviyede ısı enerjisi. Enerji tüketimi yerine, örneğin kömür, petrol veya rüzgar gibi enerji kaynaklarının tüketiminden veya azalmasından bahsetmek daha yerinde olur.

Hızlanan bir mermide, bununla ilişkili ölçülebilir miktarda enerji vardır; bu, kinetik enerji olarak bilinir. Mermi bu enerjiyi kazanmıştır; çünkü süreçte kimyasal potansiyel enerjisinin bir kısmını kaybetmiş olan barut tarafından mermi üstünde iş yapılmıştır.
Sıcak bir fincan kahvede, ölçülebilir miktarda ısıl enerji vardır; bunu mikrodalga fırının yaptığı işten sağlamıştır, fırın ise elektrik ağından elektrik enerjisi sağlamıştır.

Uygulamada, ne zaman enerjiyi bir biçimden başka biçime geçirmek için iş yapılsa, enerji her zaman ısı ve ses gibi başka türlerine de dönüşür yani bir kısmı kaybolur. Örneğin normal bir ampul elektrik enerjisini görünen ışığa dönüştürmede yalnızca %3 verimliyken, bir insan besinlerden aldığı kimyasal enerjiyi %25 oranında bir verimlilikle işe dönüştürür.

Enerjiyi ve işi nasıl ölçeriz?

Fizikte enerjiyi ve yapılan işi ölçmek için kullanılan standart birim juldur. Jul J sembolüyle gösterilir. Mekanikte 1 jul, bir nesneye 1 Newton büyüklükte kuvvet uygulanarak nesneyi 1 metre uzaklığa hareket ettirdiğinde transfer edilen enerjidir.

Muhtemelen karşılaşmış olduğunuz bir başka enerji birimi kaloridir. Genelde, bir gıda maddesindeki enerji miktarı, paketin arkasında kalori cinsinden yazılıdır. Örneğin 60 gramlık bir çikolata parçasında yaklaşık 280 kalori enerji bulunur. Bir kalori, 1 kg suyu 1

^{\circ}

daha sıcak hâle getirmek için gereken enerji miktarıdır.

Bu 4184 jule eşittir; buna göre bir kalıp çikolatada 1,17 milyon jul veya 1,17 MJ depolanmış enerji vardır. Bu, çok fazla jul demek!

Bir kalıp çikolatayı eritmek için, ağır bir kutuyu ne kadar itmem gerekir?

Bir çikolata parçasını yediğimiz için vicdan azabı duyduğumuzu ve fazladan aldığımız 280 kaloriyi yakmak için ne kadar egzersiz yapmamız gerektiğini bulmak istiyoruz. Basit bir egzersiz türü düşünelim: aşağıdaki Şekil 1'de gösterildiği gibi, ağır bir kutuyu bir odada itmek gibi.

Kendimizle kutunun arasında bir banyo tartısı kullanarak, 500 N kuvvetle itebileceğimizi bulabiliriz. Bunu yaparken, süratimizi ölçmek için bir kronometre ve bir mezura kullanırız. Bunun 0,25 metre/saniye olduğunu buluruz.

Buna göre, çikolatayı yakmak için kutuya ne kadar iş yapmalıyız? İşin (

W

) tanımı aşağıda verilmiştir:

W = F \cdot Δ x

Çikolatadaki enerjiyi yakmak için yapmamız gereken iş

E = 280 cal \cdot 4184 J / cal = 1, 17 MJ

'dur.

Buna göre, kutuyu hareket ettirmemiz gereken mesafe, yani

Δ x

şudur:

\begin{aligned} W & = F \cdot Δ x \\ 1, 17 MJ & = (500 N) \cdot Δ x \\ \frac{1, 17 \times 10^{6} J}{500 N} & = Δ x \\ 2.340 m & = Δ x \end{aligned}

Unutmayın, vücudumuz besinlerden elde ettiğimiz depo enerjisini %25 verimlilikte işe dönüştürüyor. O zaman, harcayacağımız asıl enerji kutuya uygulanan işin dört katıdır. Bu yüzden kutuyu yalnızca 585 m gibi bir mesafede iteriz. Verilen 0,25 m/s süratle şuna ulaşırız:

\frac{585 m}{0, 25 m / s} = 2340 s

Alıştırma: Şekil 1'de görülen, kutuya uyguladığımız kuvvetin başlangıçta düşürüldüğünü ama biz ısındıkça sabit bir değere doğru arttığını varsayalım. Örneğin; aşağıdaki grafikte gördüğümüz gibi kutu uzağa itildikçe -başka bir deyişle

x

büyüdükçe- kuvvet,

F

, ilk 30 m için artmaktadır (Şekil 2 aşağıdadır). Kuvvetin değiştiği aralıkta yapılan işi nasıl bulabiliriz?

Eğer kuvvet sabit değilse, yapılan işi belirlemenin bir yolu, problemi değişimin ihmal edilebilir olduğu küçük bölümlere ayırmak ve her bölümde yapılan işi toplamaktır. Hız-süre grafiklerine bakarken öğrendiğimiz gibi, bunu geometriyi kullanarak eğrinin altındaki alanı hesaplayarak yapabiliriz.

Bir kuvvetin yaptığı iş, bir kuvvet konum grafiğinin altındaki alana eşittir. Şekil 2'de, yapılan iş şu olacaktır:

İlk

30 m

yer değiştirme için,

(200 N \cdot 30 m) + \frac{1}{2} ((500 N - 200 N) \cdot 30 m) = 10500 J

Benzer şekilde, son 40 m'lik yer değiştirme için yapılan iş şöyle olacaktır:

500 N \cdot 40 m = 20, 000 J

Düz itmiyorsak ne olur?

Bu problemleri çözerken dikkat etmemiz gereken bir şey var. Önceki denklem

W = F \cdot Δ x

, uyguladığımız kuvvetin hareketle aynı yönde olmadığı durumları dikkate almaz.

Örneğin kutuyu iple ittiğimizi düşünün. Bu durumda ip ve yer arasında bir açı oluşacaktır. Bu durumla başa çıkmak için, uygulanan kuvvetin yatay ve düşey bileşenlerini birbirinden ayırmak üzere üçgen çizeriz.

Buradaki anahtar nokta, kuvvetin sadece yer değiştirmeye paralel olan bileşeninin (

F_{| |}

) nesneye karşı iş yapmasıdır. Yukarıda gösterilen kutu örneğinde, kutu yatay olarak yer değiştirildiği için uygulanan kuvvetin sadece yatay bileşeni (

F cos (θ)

) iş yapmaktadır. Bu da, θ açısıyla uygulanan bir kuvvet tarafından kutuya karşı yapılan işin daha genel eşitliğinin şu şekilde yazılabilmesi anlamına gelir:

W = F_{| |} \cdot Δ x

W = (F \cos θ) \cdot Δ x

Bu genelde şöyle yazılır:

W = F Δ x \cos θ

Alıştırma: Kutuyu çekmek için bir ip kullandığımızı ve iple yer arasındaki açının 30º olduğunu varsayın. Bu kez, ipi 500 N kuvvetle çekiyoruz. Eğer kutuyu aynı 585 m boyunca çekersek, bu kez ne kadar çikolata parçası yiyebiliriz?

Kutuya yapılan işi aşağıdaki formülü kullanarak bulabiliriz:

W_{kutuya} = F Δ x cos θ = (500 N) (585 m) cos 30^{\circ}

W_{kutuya} = 253.312 J

Ve daha önce insanların yiyeceklerden depolanan enerjiyi yaklaşık %25'lik bir verimle işe dönüştürdüklerini iddia ettiğimizden, harcadığımız gerçek enerji kutuya yapılan işin dört katı kadar olmalıdır. Yani, vücutlarımız tarafından yapılan toplam iş yaklaşık şu kadar olur:

W_{beden tarafından} = 4 \times W_{kutuya} = 4 \times 253.312 J

W_{beden tarafından} = 1.013 .248 J

Makalede daha önce 280 Kalorilik bir şekerlemede depolanmış enerji miktarının

1, 17 \times 10^{6}

Jul'e eşit olduğunu bulmuştuk.

Buna göre, kişinin yaptığı işin şekerlemedeki enerjiye oranını alarak, şekerlemenin hangi oranının yakıldığını bulabiliriz. Başka şekilde söylersek:

çubuk şekerin kesri = \frac{W_{beden tarafından}}{E_{çubuk şeker}} = \frac{1.013 .248 J}{1, 17 \times 10^{6} J} = 0, 87

Buna göre, kutuya yaptığınız iş bir şekerlemenin kalorisinin yaklaşık % 87'sini yakacaktır.

Uyarı: Dürüst olalım, bedenin herhangi bir süreçte gerçekte yaktığı kalori miktarı pek çok faktöre (örneğin metabolizma, kineziyoloji, vs.) bağlı olacaktır. Dolayısıyla sonucumuz kesin bir değerden ziyade, kaba bir kestirim olarak düşünülmelidir.

Peki ya ağırlık kaldırmak?

Önceki örneklerde bir zemin üzerinde çektiğimiz kutuya iş uyguluyorduk. Böyle yaparak aslında bir sürtünme kuvvetine karşı geliyorduk.

Sık yapılan başka bir antrenman türü ise ağırlık kaldırmadır. Ağırlık kaldırmada, sürtünme yerine yer çekimi kuvvetine karşı çalışırız. Newton yasalarını kullanarak,

m

kütleli bir ağırlığı düz yukarıya kaldırarak bizden

h

yukarıda bir rafa koymak için gereken

F

kuvvetini bulabiliriz:

F = m g

Konumdaki değişiklik—önceki

Δ x

— yüksekliktir; dolayısıyla bu durumda ağırlığı kaldırarak yaptığımız iş şöyledir:

W = m g h

Ağırlığı kaldırmada yaptığımız alıştırma, enerjinin yer çekimi potansiyel enerjisi olarak depolanmasıyla sonuçlandı. Bu potansiyel enerji olarak adlandırılır; çünkü, herhangi bir anda ağırlık tekrar yere düşerken, serbest bırakılma potansiyeline sahiptir.

Ağırlığa karşı pozitif iş yaptık çünkü kuvvetimizi ağırlığın yer değiştirmesi ile aynı yönde uyguladık, yani yukarı doğru. Ağırlık kaldırılırken ağırlığa karşı kütle çekimi tarafından yapılan iş negatifti, çünkü kütle çekim kuvveti yer değiştirme ile zıt yönlüydü. Ayrıca, kaldırmadan sonra ağırlık durağan olduğundan, yaptığımız işi kütle çekim tarafından yapılan işin tamamen sıfırladığını biliyoruz. Bizim tarafımızdan yapılan iş

m g h

, kütle çekim tarafından yapılan iş ise

- m g h

'dir. Kinetik enerjiyi incelerken bunun hakkında daha fazla konuşacağız.

Tamam, şimdi bazı sayılar koyalım ve 50 kg'lık bir ağırlığı 0,5 m'lik bir yüksekliğe kadar kaldırarak o çikolata parçasının ne kadarını eriteceğimizi bulalım. Ağırlığa yapılan iş şöyledir:

W = (50 kg) (9, 81 m / s^{2}) (0, 5 m) = 245, 25 J

Tamamdır, buna göre bu kaç tane 280 kalorilik —yani,

1, 17 \times 10^{6}

jul—çikolata parçasıdır? Bakalım, 245,25 J yaklaşık

\frac{1}{4770}

çikolata parçasıdır. Ancak hatırlayın, bedenlerimiz sadece yaklaşık % 25 oranında verimlidir dolayısıyla kişi tarafından yapılan iş bunun dört katıdır, yaklaşık 981,8 J. Bu da

\frac{1}{1190}

çikolata parçası eder. Dolayısıyla, eğer bu ağırlığı her 2 saniyede bir kaldırabilirsek, bu çikolata parçasının tamamını yakmak için 2380 saniye yani 40 dakika çok sıkı çalışmamız gerekecek!

İpucu: Bunun gibi denklemler üstünde çalışırken, birimlerin istenen sonucu verdiğinden emin olmak daima iyi bir fikirdir. Sol taraftaki birimlerin tümü, sağdaki birimlere eşit olmalıdır. 1 J'un, 1 N.m yazmanın sadece başka bir yolu olduğunu hatırlayın.

F = m a

olduğundan, 1 N'ın 1

kg \frac{m}{s^{2}}

yazmanın sadece başka bir yolu olduğunu biliyoruz. Dolayısıyla, tümünü bir araya getirdiğimizde, enerjinin birimi J bununla aynıdır:

1 Jul = 1 N \cdot m

1 Jul = 1 kg \frac{m}{s^{2}} \cdot m = 1 kg \frac{m^{2}}{s^{2}}

Buna göre, birisi 1 joule dediğinde, bu 1

kg \frac{m^{2}}{s^{2}}

için bir kısaltmadır.

Peki ya ağırlığı sadece sabit tutarsak?

İş kavramı ile ilgili insanların kafalarını sıkça karıştıran unsurlardan biri de, bir ağırlığı kafamızın üstünde kütle çekim kuvvetine karşı sabit tuttuğumuzu düşünmemizden kaynaklanıyor. Ağırlığı belirli bir mesafe boyunca hareket ettirmiyoruz, dolayısıyla ağırlığa karşı bir iş yapılmamış oluyor. Bu sonuca ağırlığı bir masanın üzerine yerleştirerek de ulaşabiliriz; bu durumda masanın ağırlığın pozisyonunu korumak için bir iş yapmadığı açıktır. Buna karşın, tecrübelerimizden de bildiğimiz üzere aynı şeyi biz yaptığımızda zamanla yoruluruz. O zaman burada neler oluyor?

Anlaşılan vücudumuz ağırlığı havada tutmak için gereken gerilimi sağlamak amacıyla kaslarımıza karşı iş yapıyor. Vücut bunu her kasa art arda sinir sinyalleri göndererek yapıyor. Her sinyal, kasın anlık olarak kasılıp gevşemesine neden oluyor. Bütün bunlar, sadece en başta küçük seğirmeleri fark edebileceğimiz kadar hızlı gerçekleşiyor. Ancak en sonunda kasta kullanıma hazır yeterli kimyasal enerji kalmıyor ve artık ağırlığı yukarıda tutamıyor. Böylece titremeye başlıyoruz ve sonunda dinlenmek zorunda kalıyoruz. Yani, iş yapılıyor ancak ağırlığa karşı yapılmıyor.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Sıralama ölçütü:

yusfcolak7
8 gün önce önce paylaşıldı. yusfcolak7 kullanıcısının ''Kalori açıklanırken yazım'...' gönderisini görmek için direkt link
Kalori açıklanırken yazım yanlışı yapıldığını düşünüyorum.
Bu düğme kayıt sayfasına yönlendirirBu düğme kayıt sayfasına yönlendirir
(1 oy)
Cevap

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.

Fizik Kütüphanesi

Konu: Fizik Kütüphanesi > Ünite 5