"Enerji yoktan var olmaz, var olan enerji de yok olmaz, sadece bir biçimden diğerine dönüşür." Muhtemelen okul yıllarınızda bu cümleyi defalarca duymuşsunuzdur. Ancak bu basit görünen ifadenin arkasında, evrenin işleyişini anlamamızı sağlayan devasa bir prensip yatıyor: Enerjinin korunumu yasası.
TEMEL PRENSİP
Enerjinin korunumu yasası, kapalı bir sistemdeki toplam enerjinin zamanla sabit kaldığını söyler. Enerji bir formdan diğerine dönüşebilir - mesela kinetik enerjiden potansiyel enerjiye, ya da kimyasal enerjiden ısı enerjisine - ama toplam miktar hiçbir zaman değişmez.
Matematiksel olarak bir mekanik sistemde bu şöyle ifade edilir:
E_toplam = KE + PE = sabit
Burada KE kinetik enerji, PE ise potansiyel enerjidir. Kinetik enerji formülü:
KE = (1/2)·m·v²
Potansiyel enerji (yerçekimi için) formülü:
PE = m·g·h
Burada m kütle, v hız, g yerçekimi ivmesi (yaklaşık 9,8 m/s²) ve h yüksekliktir.
SARKAÇ ÖRNEĞİYLE AÇIKLAMA
Bir sarkacı düşünün. Sarkaç en yüksek noktasındayken (uç noktalarda) anlık olarak durur - hızı sıfırdır, dolayısıyla kinetik enerjisi de sıfırdır. Ama o noktada yerden en yüksekte olduğu için potansiyel enerjisi maksimumdur.
Sarkaç aşağı doğru salınırken potansiyel enerji azalır, kinetik enerji artar. En alt noktada (denge noktasında) yükseklik minimumdur, dolayısıyla potansiyel enerji minimumdur, ama hız maksimumdur, yani kinetik enerji maksimumdur.
Sürtünme ve hava direnci olmadığını varsayarsak, herhangi bir andaki toplam enerji hep aynı kalır:
(1/2)·m·v₁² + m·g·h₁ = (1/2)·m·v₂² + m·g·h₂
Sayısal bir örnek yapalım: 2 kg'lık bir sarkaç topu, 1,25 metre yükseklikten serbest bırakılıyor. En alt noktadaki hızı nedir?
En üstte: KE=0, PE = m·g·h = 2 × 9,8 × 1,25 = 24,5 Joule
En altta (h=0): PE=0, tüm enerji kinetik enerjiye dönüşür
(1/2)·m·v² = 24,5
(1/2)×2×v² = 24,5
v² = 24,5
v = √24,5 ≈ 4,95 m/s
ENERJİ TÜRLERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ
Günlük hayatta karşılaştığımız pek çok olay, aslında enerji dönüşümlerinden ibarettir:
Bir araba motorunda, benzinin kimyasal enerjisi yanma yoluyla ısı enerjisine, ardından mekanik enerjiye (hareket) dönüşür. Bu süreçte enerjinin bir kısmı da sürtünme nedeniyle ısıya (kullanılamayan enerji) dönüşür - ama toplam enerji miktarı değişmez, sadece kullanışlı formdan daha az kullanışlı forma geçer.
Güneş panelleri, güneşin ışık enerjisini (elektromanyetik enerji) elektrik enerjisine dönüştürür. Bir pilde depolanan kimyasal enerji, bir devrede elektrik enerjisine, sonra bir ampulde ışık ve ısı enerjisine dönüşür.
Bir şelaleden düşen suyun potansiyel enerjisi önce kinetik enerjiye, hidroelektrik santralinde türbinler aracılığıyla mekanik enerjiye, jeneratörlerde ise elektrik enerjisine dönüştürülür.
TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASIYLA İLİŞKİSİ
Enerjinin korunumu yasası aslında termodinamiğin birinci yasasının daha genel bir ifadesidir. Termodinamikte bu yasa şöyle yazılır:
ΔU = Q - W
Burada ΔU iç enerji değişimi, Q sisteme verilen ısı, W ise sistemin dışarıya yaptığı iştir. Bu denklem, bir sisteme verilen ısının bir kısmının iş yapmak için kullanılabileceğini, geri kalanının ise iç enerjiyi artıracağını söyler.
NEDEN "MÜKEMMEL MAKİNE" İMKANSIZ?
Enerjinin korunumu yasası, sürekli hareket makinelerinin (perpetuum mobile) neden mümkün olmadığını da açıklar. Eğer bir makine dışarıdan enerji almadan sonsuza kadar çalışabilseydi ve üstüne bir de iş üretebilseydi, bu enerjinin yoktan var olması anlamına gelirdi ki bu, evrenin en temel yasalarından birine aykırıdır. Tarih boyunca sayısız mucit "sürekli hareket makinesi" icat ettiğini iddia etmiş, ama hiçbiri bu temel yasayı aşamamıştır.
Enerjinin korunumu, sadece bir fizik dersi konusu değil, mühendislikten ekolojiye, astrofizikten günlük yaşamdaki enerji tasarrufu tartışmalarına kadar her yerde karşımıza çıkan, evrenin en sağlam ve en test edilmiş yasalarından biridir.