Enerji Nedir ve Evrende Nasıl Çalışır?

Genel görelilik yazısında kütlenin enerjiden türeyen bir özellik olduğunu söyledim. Peki enerji nedir? Atomaltı parçacıklardan tutun da fillere, insanlara, makinelerle yıldızlara dek evrendeki bütün cisimlerin çalışması için gereken enerji nedir ve nereden geliyor? Enerji maddenin içsel bir özelliği mi, yakıt gibi depolanabilecek ayrı bir şey mi? Yoksa kütlenin enerjiden türemesi gibi enerji de maddenin bir özelliği mi? Enerjiyi nükleer füzyon, Noether teoremi ve termodinamik gibi birçok yazıda farklı açılardan ele aldım. Artık bunları toparlayıp birleştirmenin zamanı geldi.

Türkçede enerji nedir?

Bu soruyu yanıtlamak için enerjinin tanımını yapacağız ama dikkatli olmak lazım. Fizikte enerji terimini günlük dilden farklı kullanıyoruz ve Türkçemizde de enerjiyle ilgili birçok deyiş var. Örneğin “Bugün hiç enerjim yok. Yataktan kalkamıyorum…” İyi örnek ama bu bir tanım değil. Peki ya “Türkiye enerji üretiminde dışa bağımlıdır ve yurt dışından enerji almaktadır” tespiti? Vahim bir örnek ama bu da tanım değil. Biz burada fiziksel enerjiden söz ediyoruz.

Fiziksel enerji iş yapma yeteneği veya kapasitesidir ama bu kez de iş nedir diye sorabiliriz. Buna Türkiye’de gençlerin uzun zamandır arayıp da bulamadığı şeydir yanıtını verebilirsiniz ama fizikte iş yapmak parçacıklar, atomlar ve insanlar gibi cisimlerin yerini değiştirmektir. Fizikte işi enerji olmadan ve enerjiyi de iş olmadan tanımlayamayız. Dolayısıyla birinci ders: İş ve enerji maddenin birer özelliğidir. Bunlar fizikte sayısal değerlerle gösterilir; çünkü maddeyi meydana getiren parçacıklar gerçekten var olan fiziksel nesnelerdir. Fiziksel nesnelerin de fiziksel özellikleri vardır.

Örneğin elinize bir futbol topu alın. Bu topun bir konumu vardır ve ne kadar hızlı yer değiştirdiğine bakarak hız özelliğini de ölçebiliriz. Oysa hız konum ve hareketten türeyen bir özelliktir. Bir topun belirli sürede aldığı yoldur. Evet, hız=uzaklık/zaman olarak bu üç parametreyi birbirine göre hesaplayabiliriz ama uzaklık ile zaman fiziksel olarak hızdan türemez. Işık suda nasıl kırılır yazısında anlattığım gibi hız bunların bileşkesidir.

Özetle

Fiziksel özellikler nesneler hakkında bilmek istediğimiz şeyleri ölçmemizi sağlayan matematiksel değerlerdir. Bu durumda bizim de enerjiyi işle tanımlamak için enerjinin ve işin neyi ölçtüğünü bilmemiz gerekiyor (bu arada yukarıdaki gibi biraz bilim felsefesi de yaparsak fena olmaz 😊). İşin neyi ölçtüğünü anlatmak daha kolay olduğu için işten başlıyoruz:

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

İş ve enerji nedir?

İş genellikle belirli bir kuvvet uygulayarak bir nesne üzerinde yapılan şey olarak tanımlanır. Bu da özünde bir cismin yer değiştirmesini sağlamaktır. Örneğin masadaki kitabı sağdan sola iterek iş yapmış olursunuz. Kitabı itmek için de ona kuvvet uygularsınız. Kuvvetle kitabın ne kadar yer değiştirdiğini çarparsanız işi bulursunuz (W=fd denkleminde w (iş), f (kuvvet) ve d (uzaklıktır)). İş kitabı hareket ettirmek için harcanan enerjiye eşittir. Kuvvet ise kitabı itmek için onunla ne kadar şiddetli fiziksel etkileşime girdiğinizi gösterir. Bu nedenle kuvvet işin bileşenidir.

Bir fizik denklemindeki bütün parametreleri birbirine göre hesaplayabileceğinizi söyledim ama aynı zamanda bazı parametrelerin (özelliklerin) diğer parametrelerden türediğini ve bunun tersinin geçerli olmadığını da belirttim. Bu bağlamda iş ve enerji türedi özelliklerdir ama cismin yer değiştirmesi, yani hareket temel bir fiziksel özelliktir. Bu da gözlemlenebilir evrende hiç de şaşırtıcı olmayan bir şekilde uzay-zaman içinde tanımlanır (uzaklık uzaya ve belirli sürede alınan yol olarak hız da zamana bağlıdır).

Ancak şuna dikkat edin: İş enerjiye eşit değildir. İşi yapmak için harcanan enerjiye eşittir. Örneğin kitabı iterken enerjiyi yararlı bir iş yapmakta kullanmış olursunuz. Gerçi el freni çekilmiş bir otomobili yokuş yukarı sırtınızla itmeye kalkarsanız daha çok enerji harcarsınız ama aracı itemediğiniz için bu yararlı bir iş olmaz ve harcadığınız enerji işe sayılmaz. Buraya dek anlatılanları toparlarsak: İş yapabilmek için fiziksel güç kullanarak bir şeyi gerçekleştirmiş olmanız gerek.

Öyleyse iş neyi ölçer?

Bir işi yapmak için gerçekleştirdiğiniz fiziksel etkileşimleri ölçer. Kuvvet de bu etkileşimlerin şiddetini ölçer. Peki ya düşünmek? Hayal kurmak? Bunlar iş değil midir? Bir kitabı hayalinizde itmeyi düşünseniz bile bu da iştir; çünkü iş gerçekleşen fiziksel şeylerin VEYA öngörüde bulunuyorsanız gerçekleşecek olan fiziksel şeylerin ölçüsüdür. Bu durumda plan yapmak, hayal kurmak, yeni bir bilimsel teori için test edilebilen öngörülerde bulunmak, evren simülasyonu yapmak da iştir. Peki enerji nedir?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Enerji iş yapma potansiyelidir

Artık tanımlarımızı yerine oturtup birleştirebiliriz: 1) Enerji iş yapabilme yeteneği veya kapasitesidir. 2) İş olan veya olabilecek fiziksel şeylerin miktarıdır. 3) Bu durumda enerji potansiyel olarak gerçekleşebilecek, meydana gelebilecek fiziksel şeylerin miktarıdır. Termodinamik gereği enerjiyi yok edemez veya yoktan var edemezsiniz. İş yapmak için enerjiyi bir yerden alıp içinizden geçirmeniz ve sonra da uzaya vermeniz gerekir.

Örneğin halter kaldırmak için sıkı beslenerek enerji alırsınız. Sindirim sisteminizle ve hücrelerinizdeki mitokondrilerle kimyasal enerjiyi açığa çıkarıp kaslarınızı çalıştırarak halteri kaldırırsınız. Bu sırada yorulur, ısınır ve terlersiniz. Halteri yere bıraktığınız zaman bam diye çarpar. Yararlı iş yaparken kullandığınız enerjiyi atık ısı olarak ortama vermiş olursunuz. Bu entropiyle ilişkilidir ve entropiyi son olarak evrenin yok oluşunda anlattım ama özetle evrende entropi hep artar.

Bu nedenle uzayda bir yerde ve belirli sürede gerçekleşebilecek fiziksel şeylerin bir sınırı vardır. Bu üst sınır da enerjiyle ölçülür. Enerjiniz kadar çalışabilir ve iş yapabilirsiniz: Yükleri kaldırmak, yüzmek, tırmanmak, dans etmek, salıncakta sallanmak, el sallamak, koşmak, yerlerde sürünmek, sevişmek, su kaynatmak, elektrikle çarpılmak, kimyasal reaksiyonlar başlatmak, nükleer bomba patlatmak… Enerji potansiyeldir ve potansiyeli açığa çıkararak (kinetik enerji) evrende türlü işler yapabilirsiniz.

Örneğin bir kutuyu kaldırırken bedeninizdeki kimyasal enerjiyi yerçekimi enerjisine dönüştürüyor ve kutunun yukarı hareket etmesini sağlıyorsunuz. Bunu yaparken potansiyel enerjinizi kinetik enerjiye (hareket enerjisine) dönüştürüyorsunuz ama yerçekimi olduğu için kutuyu bıraksanız tekrar yere düşer. Demek ki kutuyu kaldırırken onun kinetik enerjisine de potansiyel enerjiye dönüştürüyorsunuz.

Yakıt ve enerji nedir?

Öyleyse enerji yakıt gibi bedeninizde veya bezin deposunda depolayabileceğiniz bir şey midir? Enerjiyi akıllı telefonunuzun lityum iyon pillerinde gerçekten depolayabilir misiniz? Daha doğrusu neyi depoluyorsunuz? Bunun için enerjiyi nasıl ölçtüğümüze bakalım. Sonuçta kutuyu kaldırırken potansiyel ve kinetik enerji, yerçekimi enerjisi, hatta ısı enerjisi işin içine girdi. Termodinamiğe göre enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremezsiniz. Bir kısmı atık ısı olarak uzaya kaçar (kutuyu ısıtır vb.).

Öyleyse enerjiyi nasıl ölçtüğümüzü görmek için yakıt ve enerji ilişkisini görelim.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Yakıt enerjiyi depolar

Bu kadarı hepimizin bildiği veya sezdiği şey ama depolanan enerjinin ne olduğu sorusu daha önemli. Nitekim enerjiyi konum veya uzaklık gibi direkt ölçmüyoruz. Bunun yerine başka şeyleri ölçerek enerjiyi bunlardan çıkarsıyoruz. Örneğin kütleçekim enerjisi için topun yerden yüksekliğini ölçüyoruz ve top yerden iki kat yüksekse iki kat fazla enerjiye sahip oluyor. Bu potansiyel enerjidir ve kinetik enerji için de topun hızını ölçüyoruz. Yine denkleme göre iki kat hız 4 kat enerji anlamına geliyor.

Demek ki sadece enerjiyi kullanırken değil, bir enerji türünü başka bir enerji türüne dönüştürerek de iş yapıyoruz. Sonuç olarak potansiyel enerji cisimlerin konumuna ve kinetik enerji de hızına bağlı oluyor. Unutmayın ki ister titreşen atomların ısı enerjisi olsun ister hızla giden bir otomobil, enerji evrende gerçekleşebilecek veya gerçekleşen fiziksel şeylerin ölçüsüdür.

Bu durumda nükleer enerji atom çekirdeklerini oluşturan proton ve nötronların, kimyasal enerji atomları birbirine bağlayan elektronların potansiyel enerjisidir ve ısı enerjisi de titreyerek hareket eden atomların kinetik enerjisidir. Konum ile hareket tüm bunları kapsadığı için her şeyi potansiyel ve kinetik enerjide toplayabiliriz. Öte yandan görelilik teorisinde gösterildiği gibi konumla hareket bakış açınıza bağlıdır. Örneğin farklı hızlardaki cisimlerin zamanı birbirine göre yavaşlar.

İlgili yazı: Tip III Uygarlıklar Antiyerçekimi ile Neler Yapabilir?

 

Kinetik ve potansiyel enerji nedir?

Sonuç olarak yakıt yukarıdaki enerji formlarından birini özel bir potansiyel enerji kombinasyonuyla depolar. Örneğin hidrojeni kimyasal olarak yakabilirsiniz (roket yakıtı) veya hidrojen atomlarını kaynaştırıp helyum üretebilirsiniz (nükleer füzyon). Seyreltilmiş uranyum içeren özel zırh delici mermiler üretebilir ve bunların normalden ağır olmasıyla tank zırhlarını delebilirsiniz (kinetik enerji). Uranyumu yüksek konsantrasyonlarda parçalayarak nükleer enerji üretebilirsiniz.

Buna ek olarak lityum iyon pillerde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlarla pilde depolanan enerjiyi elektrik olarak açığa çıkarabilirsiniz. Sözün özü enerji kendi başına bir varlık değildir. Hareket halindeki maddeden türeyen bir özelliktir. Radyoaktif bozunumdan sorumlu zayıf nükleer kuvvet için de aynı şey geçerlidir ki detayları için elektrozayıf kuvvete bakabilirsiniz. Gerçi kuantum fiziğinde konum, momentum ve kinetik enerji arasındaki ilişki tam olarak çözülmediği için bunu ayrıca yazacağım.

Her durumda gözlemlenebilir evrende madde ve enerji sınırlıdır ve bu yüzden boşluktan bedava enerji çekerek sonsuza dek çalışan devridaim makinesi yapamazsınız. Peki maddenin kökeni parçacık mı yoksa enerji mi? Onu da şimdi okuyabilir, Noether Teoremi uyarınca her şeye rağmen enerji yok etmek mümkün mü diye sorabilir ve güneş enerjisinin asıl kaynağının hidrojen olup olmadığına bakabilirsiniz. Ancak bu konu burada bitmedi. Elinizdeki yazının ardından size enerjinin korunumunu ve kuantum fiziğinde enerjinin ne olduğunu anlatacağım. O yazı gelene dek tatilde bilimle kalın.

Enerji nedir dersek

¹Energy conditions in general relativity and quantum field theory
²Goldstone Equivalence and High Energy Electroweak Physics
³Transformation equations for the kinetic energy of tardyons and photons: Filling the gap in special relativity literatüre (pdf)
⁴Relativistic kinematics for reactions involving masslessparticles (pdf)