10. SINIF FİZİK · ÜNİTE 6 · ENERJİ BİÇİMLERİ

Enerji biçimleri ihtiyaç doğrultusunda birbirine dönüştürülebilir. Bu sayede çeşitli teknolojik ürünleri çalıştırabilmek için dönüştürülen enerjilerden yararlanılır.

Evlerde kullanılan teknolojik ürünlerin birçoğu elektrikle çalışsa da bu aletlerle elde edilen enerji biçimleri farklılık gösterir. Örneğin saç kurutma makinesi elektrik enerjisini ısı ve mekanik enerjiye dönüştürür.

Bir önceki ünitede enerjiyi iş yapabilme yeteneği diye tanımlamıştık. Bu ünite o tanımın devamı: enerji hangi kılıklarda bulunur ve bu kılıklar birbirine nasıl dönüşür?

Bir cismin sahip olduğu mekanik enerji, o cismin hareketi ile kazandığı kinetik enerji ve bulunduğu konum dolayısıyla sahip olduğu potansiyel enerjinin toplamıdır.

Hidroelektrik santrallerde ve barajlarda biriken suyun sahip olduğu potansiyel enerji, suyun hareketi ile kinetik enerjiye dönüşür. Bu durum akarsu üzerine bir sistem kurulmasıyla da elde edilebilir. Böylece suyun mekanik enerjisi, türbinlerle elektrik enerjisine dönüştürülür.

Kayak yapan bir sporcunun mekanik enerjisi, hızı dolayısıyla sahip olduğu kinetik enerjisi ile konumu dolayısıyla sahip olduğu potansiyel enerjisinin toplamına eşittir. Çeşitli şekillerde elde edilen mekanik enerji ile iş yapılabilir ya da elektrik enerjisi üretilebilir.

Bir nükleer santralde enerji dört kez kılık değiştirir. Aşağıdaki zincir bu dönüşümü sırasıyla gösteriyor:

Şemadaki her ok bir dönüşümdür ve her dönüşümde bir miktar enerji ısı olarak kaybolur. Bu yüzden reaktörde açığa çıkan enerjinin tamamı elektriğe dönüşmez.

Sıcaklıkları farklı olan maddeler bir araya geldiklerinde ya da birbirlerine temas ettiklerinde aralarında enerji alışverişi olur. Bu alışveriş esnasında alınan ya da verilen enerjiye ısı denir.

Isı, sistemin moleküllerinin, atomlarının ve elektronlarının hareketleri sonucu ortaya çıkar.

Cisimleri oluşturan moleküllerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına iç enerji denir. Mutlak sıfırın üzerinde bir sıcaklığa sahip olan her sistemin iç enerjisi vardır.

Bir enerji biçimi olan ısının SI’da birimi jouledür (J). Günlük hayatta ısı için sıklıkla kalori birimi de kullanılır.

Ayrım: ısı ile sıcaklık aynı şey değildir. Isı aktarılan enerjidir ve birimi joule’dür; sıcaklık ise moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür ve birimi °C ya da K’dir. Bir bardak kaynar su ile bir kova ılık suyun sıcaklıkları farklıdır, ama kovadaki suyun iç enerjisi daha büyük olabilir.

Mutlak sıcaklık (mutlak sıfır), teorik olarak mümkün olan en düşük sıcaklıktır ve −273,15 °C olarak tanımlanır. Termodinamiğin temel kavramlarından biri olan mutlak sıfır, K (Kelvin) ölçeğinde 0 K değerine karşılık gelir. Bu sıcaklık değerinde moleküllerin termal hareketlerinin olmadığı ve kinetik enerjilerinin sıfır olduğu kabul edilir.

Bir malzemenin sıcaklığının mutlak sıfıra düşürülmesi imkânsız olsa da gelişmiş yöntemler kullanılarak laboratuvar ortamında mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara ulaşılabilmektedir.

Eklenen çevirme: Kelvin ile Celsius arasındaki bağıntı T(K) = t(°C) + 273,15’tir. Buzun erime sıcaklığı 0 °C = 273,15 K, suyun kaynama sıcaklığı 100 °C = 373,15 K olur. İki ölçekte bir derecelik aralık aynıdır; yalnız başlangıç noktaları farklıdır.

Işık, belli bir kaynaktan çıkan, dalgalar hâlinde yayılan bir enerji biçimidir. Işık yayarak görülebilen cisimlere ışık kaynağı denir.

Güneş ve diğer yıldızlar doğal, lambalar ise yapay ışık kaynaklarına örnektir. Güneş’te gerçekleşen nükleer tepkimeler ile hidrojen atomları helyum atomlarına dönüşürken elektromanyetik radyasyon olarak çok büyük bir enerji açığa çıkar. Açığa çıkan bu enerji foton adı verilen parçacıklarla taşınır.

Güneş, elektromanyetik spektrumun düşük enerjili radyo dalgalarından yüksek enerjili gama ışınlarına kadar bütün dalga boylarında her saniye ışık yayar.

Işık, fotosentez sürecinde bitkiler tarafından kullanılarak kimyasal enerjiye dönüştürülür ve ekosistemin temel enerji kaynağını oluşturur. Ayrıca güneş panelleri aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülerek yenilenebilir enerji üretiminde kullanılır. Lazer teknolojilerinde, tıpta ve haberleşme sistemlerinde de ışıktan faydalanılır.

Ses; katı, sıvı ve gaz ortamındaki moleküllerin titreşmesi sonucunda meydana gelir ve dalgalar hâlinde yayılır.

Ses, iletimi için maddesel bir ortama ihtiyaç duyduğundan boşlukta yayılmaz. Sesin iletilmesi sırasında ortamdaki moleküllerin yeri değişmezken enerji bir molekülden diğerine aktarılır. Sesin oluşabilmesi için bir ses kaynağına ihtiyaç vardır.

Ses iletimi sırasında enerjinin bir kısmı ortamdaki taneciklerin birbiriyle çarpışması sonucu çoğunlukla ısıya dönüşür.

Sesin bir enerji olduğunu gösteren olaylar: bazı opera sanatçılarının sesleri ile ince yapılı bardakları titreştirebilmesi; tıpta kullanılan yüksek frekanslı ses dalgaları (ultrason) ile böbrek taşlarının kırılması.

Ses başka enerji biçimlerine dönüştürülebilir. Yüksek ses kaynağının etrafındaki cisimlerin titreşmesi, sesin kinetik enerjiye dönüşmesine örnektir. Mikrofonların yapısında bulunan piezoelektrik malzemeler ses dalgalarına maruz kaldığında elektrikle yüklenir; bu olay sesin elektrik enerjisine dönüşebildiğini gösterir.

Işık ile sesin en keskin farkı budur: ışık boşlukta yayılır (Güneş’ten bize öyle gelir), ses yayılmaz. Uzayda hiçbir patlamanın sesi duyulmaz.

Elektrik enerjisi, iletken telin uçları arasına uygulanan potansiyel fark dolayısıyla serbest elektronların ve iyonların hareketi sonucunda açığa çıkan enerjidir.

Elektrik enerjisi, amaca uygun olarak başka enerji biçimlerine dönüştürülebilmesi özelliği ile günlük hayatta en çok kullanılan enerji biçimidir. Evlerde, iş yerlerinde ve endüstriyel tesislerde aydınlatma, ısıtma, soğutma gibi amaçlarla kullanılır; son yıllarda otomobillerde de kullanılmaya başlanmıştır.

Elektrik enerjisi; termik, nükleer ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıyla elde edilen ikincil bir enerjidir. Elektriğin depolanarak istenen zamanda kullanılabilmesi enerji verimliliğini artırır.

“İkincil enerji” ne demek? Doğada hazır bulunmaz; başka bir enerji biçiminden üretilir. Kömür, uranyum, su, rüzgâr ve güneş birincil kaynaklardır; elektrik ise onlardan elde edilen ikincil üründür. Bu yüzden “elektrik üretmek” demek aslında “başka bir enerjiyi elektriğe çevirmek” demektir.

Bir otomobilde radyo, far, buji, akü ve arabanın kendisi hangi enerji biçimlerini temsil eder?

Radyo ses, far ışık, buji elektrik enerjisini; akü kimyasal, araba ise mekanik enerjiyi temsil etmektedir.

Kimyasal enerji; ses, ışık ve elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Akü kullanımıyla kimyasal enerji elektrik enerjisine çevrilir; bu enerji aracın elektronik sistemlerini ve motoru çalıştırmak için kullanılır. Motorun çalışmasıyla yakıttaki kimyasal enerji mekanik enerjiye dönüşür ve araç hareket eder. Bu dönüşümler sırasında sürtünmelerden dolayı ısı açığa çıkar.

Benzerlik ve farklılık: akünün çalışması sırasında dönüşen enerji biçimleri aynı kaynaktan elde edilme ve birbirine dönüşme konusunda benzerlik gösterirken taşınma ve uygulama alanları konusunda farklılık gösterir.

Bursa Büyükşehir Belediyesi tarafından Bursa’nın 17 ilçesinden toplanan evsel katı atıklar, ham madde olarak kullanılarak ekonomiye kazandırılmaktadır. Toplanan katı atıkların açığa çıkardığı metan gazından elektrik elde edilmektedir. Yapılan bu çalışmalarla 2022 yılında 67 milyon 337 bin 616 kWh elektrik üretimi gerçekleştirilmiştir. Türkiye’nin birçok şehrinde bu yöntemle elektrik üretilmektedir.

Zincir şöyle: atıktaki kimyasal enerji → metan gazı yakılınca ısı → buhar → türbinde mekanik enerji → jeneratörde elektrik enerjisi. Bir önceki ünitede öğrendiğin hesapla, 67,3 milyon kWh yaklaşık 242 trilyon joule eder.

Enerji dönüşümlerinden yararlanılarak fizik, elektronik, kimya, malzeme, mekanik ve tıp alanlarının kapsamına giren çalışmalarla giyilebilir birçok elektronik cihaz geliştirilmiştir. Bunlardan biri olan işitme cihazı mikrofonu, sesin enerjisini kullanarak elektrik sinyali üretir ve bu sinyali yükselterek kullanıcının kulağına gönderir.

Bir kaynaktan elde edilen enerji biçimleri, diğer enerji biçimlerine dönüştürülerek kullanılır. Gıdalardaki kimyasal enerji metabolizma yoluyla termal enerjiye, daha sonra hareket enerjisine dönüştürülür. Işık; fotosentez ile kimyasal enerjiye, güneş panelleri ile ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu dönüşüm sırasında sistemdeki bir enerji biçimi azalırken başka bir enerji biçimi artar.

1. Isı ↔ Sıcaklık. Isı bir enerjidir ve aktarılır; birimi joule’dür. Sıcaklık ise moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin ölçüsüdür; birimi °C ya da K’dir. “Isı derecesi” diye bir şey yoktur.

2. Işık ↔ Ses. İkisi de dalgalar hâlinde yayılır ve ikisi de bir enerji biçimidir. Ama ses maddesel ortam ister, ışık istemez. Bu tek fark, “boşlukta yayılır mı” sorusunun cevabını belirler.

Bir de şu: nükleer enerji yalnız “bölünme” demek değildir. Yıldızlarda hafif çekirdeklerin birleşmesi de nükleer enerji üretir — Güneş’in ışığı buradan gelir.

Rastgele bir enerji biçimi ya da dönüşüm sorusu gelir; doğru cevabı seçersin. Yanlışta gerekçe hemen görünür.