Aç ayı oynamaz. Bunun bir fizik yasası olduğunu biliyoruz değil mi? Misal bir saat boyunca yüzebilmek istiyorsanız atıyorum 5 tane muz yemeniz lazım. Yoksa yüzemezsiniz, yakıtınız biter. Yakıta ihtiyacımız var. Bedenimiz yiyecek gibi bir tür enerjiyi hareket gibi başka bir enerjiye dönüştüren bir tür makine. O yüzden ayıların aç olmaması gerekiyor.
Arabalar da öyle. Yani elbette kullandığınız otomobilin modeli ve özelliklerine bağlı olarak az çok 100 kilometrede ne kadar yakıt tükettiğinizi bilirsiniz. Diğer bir deyişle benzin ya da motorin kullanarak siz ve sizinle birlikte belirli bir yükü bir yerden başka bir yere taşıyabilirsiniz. Enerjiyi başka tür bir enerjiye dönüştüren bir makine daha.
Arabalar ve biz. Aslında çok benziyoruz. Aynı fizik yasasına uyan iki makine.
Enerjinin Korunumu yasasına.
En basit haliyle enerjiyi baştan yaratamazsınız veya enerjiyi yok edemezsiniz der bize bu yasa. Ancak ve ancak bir biçimden diğerine dönüştürebilirsiniz. O kadar.
Ve evrendeki neredeyse her şey ama her şey bu temel yasaya uyar.
Ama niye ki? Yani amacı ne? Sıkıcı bir şekilde anlatılan bir konuyu daha daha iyi anlamak için gelin bakalım…
Öncelikle şunu aradan çıkaralım. Enerjinin korunumu yasası ile enerjinin korunması ya da tasarrufu aynı şeyler değil. Enerjinin korunması derken örneğin evinize ısı yalıtımı yapmak veya toplu taşıma kullanmaktan bahsediyoruz. Paradan tasarruf ederken dünyaya da bir faydamız olur bu sayede. Ancak enerjinin korunumu dediğimiz gibi tasarrufla alakalı değil tamamen enerjinin nereden geldiği ve nereden gittiği ile ilgilidir.
Önce ders kitaplarında karşılaştığımız tanımı ile başlayalım isterseniz. Şöyle derler:
Kapalı bir sistemde enerji miktarı sabittir. Sistem içinde mevcut olandan daha fazla enerji üretemez ve bulunan enerjiyi de yok edemezsiniz. Ancak enerjiyi bir biçimden diğerine dönüştürebilirsiniz.
Şimdi bunun ne ifade ettiğine bakalım.
Bir kere. Kapalı sistem derken şundan bahsediyoruz. Dışarıdan hiçbir türde enerji, güneş ışığı, ısı, veya herhangi bir enerjinin giremediği dışarısı ile etkileşimi sıfır olan bir kutu gibi düşünün.
Ve resmi tanımından çıkarırsak aslında tüm spor salonlarında veya motivasyon içerikli sayfaların kapak fotoğraflarında gördüğümüz “No pain, no gain” yani acı yoksa başarı da olmaz tabiri enerjinin korunumunu anlatırken kullanılabilir. Bir şey istiyorsanız bunun için çalışmanız gerekir. Bir şeyin gerçekleşmesi gerekiyorsa bunun için efor gereklidir. Yoksa newton’ın hareket yasalarını da işin içine katarsak hareket eden bir cisim hareket etmeye ve duran bir cisim durmaya devam eder.
Fizikle motivasyon derslerine hoş geldiniz J
Ama hala havada bu konu biliyorum. Gelin günlük yaşamdan örneklerle biraz daha yere indirelim.
Şimdi.
Çocukluğundan beri otomobillere meraklı, “petrolhead” olarak tabir edebileceğiniz birisi olarak elbette bu konuyu otomobillerle açıklamaya çalışayım.
Bir arabanız var. Gittiniz benzinlikten depoyu doldurdunuz. Şu anda elinizde neredeyse kapalı bir sistem var. Elinizdeki tüm enerji sıvı bir kimyasal olarak arabanızın deposunda bulunuyor. Arabayı çalıştırdınız ve yakıt motorunuza iletilerek oksijen ile birlikte yanıyor. Bu noktada kimyasal enerjiyi ısı enerjisine dönüştürüyorsunuz. Yanan yakıt ile ortaya çıkan sıcak ve genleşen gaz motorun silindirlerindeki pistonları itiyor ve bu sayede de ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmüş oluyorsunuz. Ardından pistonlar ne yapıyor? Birçok parça işin içinde elbet ama temelde krank milini, dişlileri ve tahrik milini çevirerek sonunda arabanın tekerleklerini döndürüyor ve sonunda kinetik enerji ortaya çıkıyor ve markete giderek süt alabiliyorsunuz bu sayede.
Fakat ne kadar sevsem de özellikle benzin-lpg-motorin ile çalışan taşıtların inanılmaz verimsiz olduğundan da bahsetmem gerekiyor. Otomobiller %100 verimli olsalardı az önce bahsettiğimiz aşamaları aradan çıkararak kimyasal enerjiyi doğrudan kinetik enerjiye dönüştürebilirdiniz. Fakat her bir aşamada, her bir enerji dönüşümünde ciddi enerji kaybı yaşanıyor.
Bir kısmı metallerin birbirine sürtmesi ve aşınması sonucunda sürtünme olarak kaybediliyor, bir kısmı ses olarak, evet ses olarak kaybediliyor. Ses de bir tür enerji ve bir kaynağı olmalı değil mi? Bunlardan arda kalan enerji de tamamen emrinize amade değil. Büyük bir kısmı hava direnci olarak kaybediliyor. Yani ilk başta yola çıktığınız enerji ile gittiğiniz yere vardığınızda elinizde kalan ve harcadığınız enerjiyi, kullandığınız kinetik enerjiyi, sürtünme, hava direnci, ses ve benzeri olarak kaybedilen enerjiyi birbirine eklediğinizde ilk başta yola çıktığınız enerjiyi bulursunuz.
Hatta şöyle hesaplayabiliriz.
%100 kimyasal enerjiniz var. Gerçek anlamda kullandığınız enerji maalesef bunun sadece %15’i kadardır. Yaklaşık %74’ü içten yanmalı motorlarda ısı enerjisi olarak kaybedilir. %6 kadarı örneğin klima gibi elektronik sistemlere kaybedilir, %5 kadarı da tahrik elemanlarından, yani tekerlekleri döndüren elemanlarda kaybedilir. Bu bile dediğim gibi otomobilleri ne kadar sevsem de artık eski tip motorlara elveda dememiz ve elektrikli otomobillere ve alternatif yakıtlara ve araçlara yönelmemiz gerektiğini gösteriyor.
Veya söylediğimiz gibi günlük hayatımızın her yerinde görüyoruz bu yasayı. Bir su ısıtıcısında su ısıttığınızda mesela. Prizden alınan elektrik enerjisi tabandaki ısıtma elemanına aktarılır. Buradan akım geçerken hızlıca ısınır ve elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüştürülmüş olur. Bu enerji de soğuk sıya aktarılır. Kısa bir süre sonra su kaynamaya başlar ve eğer düğmesi bozuksa ve kaynamaya devam ederse su buharlaşmaya başlar. Burada enerjinin korunumu nerede diye sorabilirsiniz. Gelen elektriğin çoğu suda ısı enerjisine dönüştürülür ancak bir kısmı sıvıyı buhara dönüştürmek için kullanılan gizli buharlaşma ısısı olarak kullanılır. Gelen elektrikten kaybedilen elektrik enerjisini ve sudan elde edilen toplam enerjiyi topladığınızda neredeyse aynı olduğunu görürsünüz. Ancak tam olarak aynı değildir. Neden? Çünkü su ısıtıcısı kapalı bir sistem değildir. Orijinal enerjinin bir kısmı sese dönüşür ve bir kısmı da gövdeden ısı olarak çevreye yayılır. Yani yine tam bir verim alamayız.
Peki biraz da doğrulama yapalım bu noktada. Yani bunun doğru olduğunu nereden biliyoruz değil mi? Şöyle ki. İlk olarak gayet mantıklı. Bu bir sebep değil tabi ki tek başına ama çok basit bir örnek olarak tek bir odunla yaktığınız ateş 1 saat boyunca yanıyorsa iki odun koyduğunuzda ne olur? 2 saat yanması beklenir elbette. Yani bu sisteme ne kadar enerji koyarsanız aldığınız enerji de o denli fazla olur. Sistemin kapalı olduğu varsayımı ile girdi ile çıktı eşit olur.
Ama bilim için “çünkü mantıklı” demek yeterli bir tez değil elbette. Yani kapalı sistemde başlangıçtaki ve bitişteki enerjinin eşit olduğunu nereden biliyoruz?
Bu soruyu cevaplamaya çalışan ilk insanlardan biri James Prescott Joule’dur.
Isının mekanik eşdeğeri adını verdiği değeri bulmak için ısı yalıtımlı bir kap içinde bulunan pervaneleri çevirmek için belirli bir ağırlık bulunan bir düzenek geliştiriyor.
Kullandığı ağırlığın potansiyel enerjisini hesaplıyor. Yani yerden yüksekliği nedeniyle sahip olduğu enerjiden bahsediyoruz. Ve tahminlerine göre bu ağırlık serbest bırakıldığında neredeyse bu potansiyel enerjinin tamamı su kabı içinde bulunan pervaneye aktarılıyordu. Bu pervane döndüğünde de kaptaki suyu karıştırarak ısıtıyordu. Bu sayede de belirli bir miktar suyu ısıtmak için ne kadar enerji gerektiğini hesaplayabilmişti. Ve gerçekten de hesaplamaları sayesinde suyun ne kadar enerji kazandığını bulmuştu. Bu da düşen ağırlığın kaybettiği enerji ile birebir aynıydı. İşte bu nedenle de enerji birimi olarak kendi isminden esinlenilerek Jul birimini kullanıyoruz.
Joule’un çalışmalarına esin kaynağı olan da Rumford Kontu olarak tanınan Benjamin Thompson’dır. Almanya’da ağır silah fabrikalarında çalışırken top atarlar delinirken ortaya çıkan ısının genel kanının aksine metalin gizli özelliklerinden biri olmadığını, delme işlemi sırasında ortaya çıkan sürtünme kaynaklı bir enerji dönüşümü olduğunu düşünmüştü. Joule da Rumford’dan bahsederken tespitlerinin farklı şekillerde olsa da çok benzer olduğunu söylemiştir.
Bu noktada kimi zaman “nükleer reaksiyonların” hiç yoktan enerji ürettiği ve enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiğini iddia edenler olabilir. Duymuş olabilirsiniz hatta. Güzel bir soru aslında.
Fakat hayır. Nükleer reaksiyonlar bu yasayı ihlal etmez.
İnanılmaz gelecek belki ama bunu da nereden biliyoruz biliyor musunuz? Burdan.
E=mc2. Nasıl güzel, nasıl basit, nasıl evrensel bir formül bu…
Neyse. Bol bol konuştuk ama özetle şunu söylüyor Einstein bize bu formülle. Enerji ve kütle aynı şeyler. Biliyorsunuz. Yani enerji korunumundan bahsederken kütlenin korunumundan da bahsediyoruz kimi zaman. Nükleer reasiyon bir dizi atomla başlayıp başka bir dizi farklı atomla devam ediyor. Bu parçalanma veya füzyon durumunda birleşme sırasında da ısı enerjisi de ortaya çıkıyor. Atomların reaksiyondan önceki ve sonraki kütlesini alıp üzerine de ortaya çıkan ısı enerjisini eklerseniz tam olarak eşit olduğunu göreceksiniz. Yani enerjinin korunumunun ihlal olmadığını. Kütle de bir tür enerji olduğu için aynı enerji gibi kütleyi de yoktan var vardan yok edemezsiniz haliyle.
Yine kendimi tutamayıp biraz oradan biraz buradan konuyu uzattım belki ama umarım açıklayıcı olmuştur.
Yani özetle ne kadar yüzmek istiyorsanız o kadar muz yemeniz gerekir diyebilir miyiz? Bence deriz.
Ve her zaman olduğu gibi.
Tekrar görüşene dek.
İyi ki varsınız.
Sevgiler…