فهرست مندرجاتمکانیک و ترمودینامیک
قانون پایستگی انرژی چیست؟
[قبل] [بعد]
براساس قانون پایستگی انرژی مقدار انرژی یک جسم (سیستم) همواره ثابت است، مگر آن که به آن انرژی داده یا از آن گرفته شود.
مقدار انرژی در جسم طبق قانون پایستگی انرژی همیشه ثابت است. ولی ممکن است از نوعی به نوع دیگر و یا از صورتی به‌صورت دیگر تبدیل شود. به‌عنوان مثال اگر جسمی در بالای برجی قرار داشته باشد و این جسم به‌طرف پایین رها شود مقدار انرژی جسم در بالا با مقدار انرژی جسم در پایین برابر است ولی نوع انرژی از پتانسیل به نوع جنبشی تبدیل شده است. پیامد دیگر این قانون این است که ماشین حرکت دائمی تنها هنگامی کار می‌کند که هیچ انرژی‌ای به پیرامون خود ندهد. اگر انرژی‌ای که دستگاه به پیرامون خود می‌دهد بیشتر از انرژی‌ای باشد که می‌گیرد و جرم دستگاه هم ثابت بماند، چنین دستگاهی نمی‌تواند برای همیشه کار کند.[۱]
[↑] قانون پایستگی انرژی چیست؟
این اصل که به‌عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می‌شود، یکی از قوی‌ترین اصول علمی است که ظاهراً مویی لای درزش نمی‌رود. به‌حدی در تاریخ این اصل علمی، قدرتمند ظاهر شده است که امانوئل کانت، فیلسوف مشهور آلمانی آنرا یک اصل پیش از تجربه می‌دانست، یعنی شبیه قوانین ریاضی بی‌نیاز و مستقل از تجربه. البته نظر کانت در مورد اصول تحلیلی همچون ریاضی درست است، اما در مورد قانون بقای انرژی رد شده است، این قانون واقعاً از هفت‌خوان رستم تجربه رد شده است.
فیلسوفان یونان باستان همچون تالس(Thales of Miletus) و امپدوکلس (Empedocles) اشاراتی فلسفی به قانون پایستگی داشته‌اند. در قرن شانزدهم، گالیله از طریق حرکت آونگ که انرژی پتانسیل آن به جنبشی و برعکس تبدیل می‌شود، اشاره کوچکی به این موضوع داشته است. در اواخر همان قرن، لایبنیتز آلمانی (Gottfried Leibniz) 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 معمولاً همه‌جا بود و انرژی جنبشی گم می‌شد! 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 می‌دهد که بسته به شرایط، انرژی می‌تواند به‌صورت 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 اولین‌بار 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 مهم‌تر کلازیوس آلمانی به بار نشست. امروزه پایستگی انرژی به‌عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می‌شود: انرژی یک سیستم منزوی ثابت است. آدمی کمی وسوسه می‌شود که نظر کانت را در مورد پایستگی انرژی بپذیرد، به‌نظر می‌رسد که دانشمندان هر جا که انرژی گم می‌شده است، با یافتن یک مفهوم یا معادله جدید آن را نجات داده‌اند! اگر انرژی جنبشی گم شود، مفهوم گرما به داد آن می‌رسد. اگر گرما گم شود، می‌توان نور را وارد معادله کرد. اگر همه این‌ها گم شد، انرژی پتانسیل وارد کارزار می‌شود. آیا به راستی این‌گونه است؟
اگر تبدیل انرژی به صورت‌های مختلف یک‌طرفه 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 صرفاً قصد نجات پایستگی انرژی را دارد. اما تا زمانی‌که صورت‌های مختلف انرژی بتوانند به یکدیگر تبدیل شوند، قانون پایستگی کاملاً تجربی و کاربردی است! در طول تاریخ قانون پایستگی انرژی بارها تهدید شده است. برخی از این تهدیدها شبه علمی و برخی کاملاً علمی بوده است. در ادامه به بررسی برخی از این تهدیدها می‌پردازیم.
محرک‌های دائمی : در دوره‌ای 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 می‌توان کیمیاگری کرد و حتی از هیدروژن به طلا رسید، اما هیچ‌کس به‌فکر ساخت محرک دائم نیست! به‌نظر می‌رسید که یک مخترع به‌نام اورفیرئوس آلمانی که نام واقعیش بسلر بود، سرانجام توانست محرک دائمی را بسازد. ماشین او چرخ بزرگ با اتصالات نسبتاً پیچیده‌ای بود که دائم می‌چرخید. حتی در آزمایش‌های دقیقی که به عمل آمد، معلوم شد که این چرخ چندین روز می‌چرخد، اما طولی نکشید که حیله مخترع فاش شد. ایشان به‌طور زیرکانه محفظه‌ای را طراحی کرده بود که شخصی در آن پنهان می‌شد و در زمان مناسب چرخ را می‌چرخاند! 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 می‌کرد، اما واقعیت این است که کوک آن توسط اختلاف در فشار هوا انجام می‌شد و خطری برای قانون بقای انرژی ایجاد نمی‌کرد.
هم‌چنین در سال ۱۹۰۳ میلادی پروفسور استرت دستگاهی موسوم به ساعت رادیومی اختراع کرد که ظاهراً بدون حقه و فریب می‌تواند حداقل هزار سال از خود تحرک ظریفی نشان دهد. امروزه دیگر کسی برای محرک‌های دائمی و نقض قانون بقای انرژی تلاش نمی‌کند. همان‌طور که یک جرثقیل نمی‌تواند خودش را بلند کند، انرژی نیز نمی‌تواند از هیچ به‌وجود آید. از اتفاقاتی که سبب گم‌شدن انرژی در سیستم‌ها می‌شد، دانشمندان به تعریف سیستم منزوی رسیدند. یعنی سیستمی که تبادل انرژی با محیط خود ندارد. این نوع سیستم در ذهن و نوشتن ساده به‌دست می‌آید، اما در آزمایشگاه‌ها موضوع فرق می‌کند. 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 به‌معنای عدم دقت در منزوی کردن آن است. در هر حال دانشمندان ، این مراحل را نیز پشت‌سر گذاشته بودند اما خبر نداشتند که جرم و انرژی نیز قابل تبدیل به یکدیگرند. معادله مشهور E = MC2 اینشتین این آمادگی را برای تعریف دقیق‌تر سیستم‌های منزوی داد.
در واکنش‌های رادیو اکتیویته که اورانیوم به عناصر سرب و هلیوم تجزیه می‌شود، مقداری از جرم در طرف دوم معادله گم می‌شود که به‌صورت کمی طبق معادله یاد شده به انرژی تبدیل می‌شود. در جوش هسته‌ای نیز زمانی‌که هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شود، با محاسبات جرم اتمی معلوم می‌شود که جرم هلیوم حاصله کم‌تر از هیدروژن‌هاست. این جرم نیز به انرژی تبدیل می‌شود. جرم خورشید در هر ثانیه چند تن کم می‌شود. انرژی معادل آن همان نوری است که به فضا منتشر می‌کند. البته اگر ترازوی سوپر دقیق داشتیم نیازی نبود که معادله انیشتین را در واکنش‌های هسته‌ای جستجو کنیم. اگر شما یک طبقه بالا بروید، معادل انرژی صرف شده بر جرمتان افزوده می‌شود و برعکس (آیا می‌توانید مقدار آن را حساب کنید؟) ! البته نه به این معنا که ذراتی به بدن اضافه می‌شود، بلکه برجرم تک تک اتم‌های بدن اضافه می‌شود! جرم یک فنر کشیده یا جمع شده معادل انرژی ذخیره شده، بیشتر از همان فنر در حالت عادی است.
تلاشی بتا: این واکنش هسته‌ای یکی از قوی‌ترین تهدیدها در تاریخ، علیه پایستگی انرژی بود. از طرفی یکی از بهترین نمونه‌ها برای نشان دادن تجربی و 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 می‌شود. دانشمندان به‌وضوح دریافتند که سمت راست معادله کاهش انرژی نشان می‌دهد! 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، ذره‌ای را به‌سمت راست واکنش اضافه نمود. تا این‌جای کار مشکلی نیست، اماپائولی اذعان داشت که این ذره هیچگاه شناسایی نخواهد شد، یعنی دقیقاً 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 ذره‌ای که پائولی به واکنش اضافه کرد، فرض علمی و البته شتاب‌زده 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 شده‌ای بر سرعتش اضافه شود، شما چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟ اولین نتیجه نقض بقای انرژی است، این اتفاق نه برای یک توپ که برای تمامی کهکشان‌ها جاری است. کهکشان‌ها نه تنها از همدیگر دور می‌شوند، بلکه مدت‌هاست که بر سرعت‌شان نیز اضافه می‌شود. اگر قرار باشد اصول جاری علمی را پایدار نگه‌داریم، 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 می‌دهد 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 داده‌اند، اما برخلاف وی به یافتن آندر آینده امیدوارند. ما هم منتظر خواهیم بود!
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی گردآوری و ارسال شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]- فرزاد علمى، قانون پایستگی انرژی چیست؟، سایت علمی، سرگرمی و آموزشی باهوش
[٢]- احمد مصدر (عضو پیوسته بیگ بنگ)، قانون پایستگی انرژی، شبکۀ فیزیک هوپا (انجمن فیزیکدانان جوان ایران).
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□ سایت علمی، سرگرمی و آموزشی باهوش
□ شبکۀ فیزیک هوپا (انجمن فیزیکدانان جوان ایران)
