אנרגיה

בפיזיקה, אֵנֶרְגִּיָּה היא גודל פיזיקלי סקלרי, שמציין את כמות העבודה היכולה להיעשות על ידי כוח. המושג "אנרגיה" מסייע להבנה בכל תחומי הפיזיקה. לפי הגדרה כללית יותר, אנרגיה היא הגודל הפיזיקלי שנשמר כתוצאה מכך שחוקי הפיזיקה קבועים בזמן. ובמובן אחר, הכושר לבצע עבודה.

ברק הוא התמוטטות חשמלית של האוויר בידי שדה חשמלי חזק. ההפרש בין המטענים באטמוספירה (אנרגיה אלקטרוסטטית־פוטנציאלית) משתנה לחום, אור וקול, שהם צורות אחרות של אנרגיה.

במילים פשוטות, אנרגיה היא סכום של כמה מספרים ("סוגי אנרגיה") שתמיד נשמר קבוע, ושימושית בגלל התכונה הזו: אם יש עלייה באחד מסוגי האנרגיה, ניתן להבין שהייתה ירידה זהה בסך סוגי האנרגיה האחרים, ומכאן ניתן לגזור מסקנות. לדוגמה, עבור משקולת במסה של 1 קילוגרם שנופלת בריק, מידת האנרגיה (שנמדדת ביחידות ג'ול) שווה לביטוי $9.81h+{\frac {1}{2}}v^{2}$ כאשר h גובה המשקולת מהקרקע (במטרים) ו-v מהירותה (במטרים לשנייה). החלק הראשון של הביטוי נקרא "אנרגיה פוטנציאלית" ותלוי בגובה המשקולת, והחלק השני נקרא "אנרגיה קינטית" ותלוי במהירותה. סכומם הוא "סך האנרגיה", ואם הוא ידוע בתחילת הנפילה של גוף, ניתן למצוא את מהירות הנפילה של המשקולת בכל גובה. זאת משום שירידה בגובה מלווה בירידה באנרגיה הפוטנציאלית, ולכן האנרגיה הקינטית צריכה לעלות באותה מידה, וניתן לחלץ מכאן את המהירות.

באופן דומה, עבור תופעות שונות (כמו אור, קול, חום, חשמל, תנועה, שינוי מיקום וכו') ניתן לשייך מספרים שתלויים ב'עוצמת' התופעה וסכומם קבוע. כך לדוגמה כדי לתכנן מנורה שמפיצה כמות מסוימת של אור וחום, אפשר לדעת כמה לכמה חשמל נזדקק; זאת משום שהגדלת אנרגיית האור והחום תצטרך להיות מלווה באיבוד אנרגיה מסוג אחר.

סוגי האנרגיה השונים מסווגים בכמה מחלקות עיקריות: אנרגיה פוטנציאלית היא גודל שתלוי במיקום של גופים (כמו בדוגמה בפסקה הקודמת), אנרגיה קינטית קשורה לתנועתם, ואנרגיה של שדות, שהיא אנרגיה הקשורה בקיומם של שדות־כוח, למשל שדה אלקטרומגנטי.

המונח

המונח 'אנרגיה' במשמעותו המודרנית נטבע על ידי הרופא והפיזיקאי הגרמני הרמן פון הלמהולץ כאשר ניסח את חוק שימור האנרגיה, שעל פיו אנרגיה אינה "נעלמת" או נוצרת מאין, אלא רק משנה את פניה (כלומר, יכולה לעבור מגוף אחד לשני וללבוש צורות שונות), מה שאומר שכמות האנרגיה הקיימת ביקום כולו אינה משתנה, כלומר הייתה קיימת תמיד.

מקור המלה ביוונית: energeia – עשייה; חיבור המילים en ("ב־") ו־ergon ("עבודה, פעולה"). בלטינית: actualis, מ־actus (מעשה). בעברית של ימי הביניים: "בפועל" – מה שקיים (ביוונית: dynamis). "בכוח" – מה שאפשרי אך לא קיים (בלטינית: potentialis).

האקדמיה ללשון העברית הציעה בשנת 1930 את המילה מֶרֶץ במקביל למילה אנרגיה, אך זנחה מילה זו כעבור עשור.

צורות שונות של אנרגיה

ניתן לסווג את האנרגיה לכמה מחלקות בסיסיות:

• אנרגיה קינטית (אנרגיית תנועה) – אנרגיה המצויה במערכת עקב תנועה של המערכת או של מרכיביה. את האנרגיה הקינטית ($E_{k}$) של מערכת בעלת מסה $m$ הנעה במהירות $v$ ניתן לתאר באמצעות הנוסחה: $E_{k}={\frac {1}{2}}{mv^{2}}$.

דוגמאות וסוגי משנה של אנרגיה קינטית:

• אנרגיית חום – אנרגיה של חום וטמפרטורה שנובעת בעצם מתנועת החלקיקים שבחומר.
• אנרגיית זרם חשמלי – אנרגיה קינטית של האלקטרונים בחומר.
• אנרגיית קול (אנרגיה אקוסטית), זו האנרגיה הקינטית של המולקולות המתנודדות כתוצאה ממעבר גל קול.

• אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיה המשויכת למערכת המצויה במצב מסוים ואשר יכולה לעבור למצב אחר תוך שחרור אנרגיה קינטית.

דוגמאות וסוגי משנה של אנרגיה פוטנציאלית:

• אנרגיה גרביטציונית כתוצאה מפעולת כוח הכובד – נובעת מהמיקום של הגוף בשדה כבידה רחב ומכוח הפועל בין שתי המסות. את האנרגיה הפוטנציאלית ($E_{p}$) של מערכת בעלת מסה $m$ הנופלת מגובה $h$ בתאוצה $g$, ניתן לתאר באמצעות הנוסחה: $E_{p}={m}{g}{h}$. (הכבידה בכדור-הארץ היא בקירוב $g=9.81{\frac {m}{s^{2}}}$).
• אנרגיה פוטנציאלית אלסטית – אנרגיה האצורה בחומר אלסטי מתוח.
• אנרגיה חשמלית – אנרגיה אצורה הנובעת מפעולת האינטראקציה האלקטרומגנטית, כלומר, מטענים שאינם נעים, אזור עשיר באלקטרונים מול אזור שבו אין הרבה אלקטרונים (חשמל סטטי).
• אנרגיה כימית – אנרגיה חשמלית שאצורה בקשרים הכימיים בין האטומים והמולקולות.
• אנרגיה גרעינית – אנרגיה האצורה בגרעיני האטומים, על פי העיקרון של הכוח הגרעיני החזק, שגורם למרכיבי הגרעין להיות קשורים.

• אנרגיה של שדות – הדוגמה הנפוצה ביותר של אנרגיה כזו היא אנרגיה של שדות אלקטרומגנטיים. מערכת של חלקיקים טעונים חשמלית ושדות מכילה אנרגיה גם בחלקיקים (אנרגיה במסה ואנרגיה קינטית) וגם בשדות האלקטרומגנטיים עצמם. פעולתם של כוחות אלקטרומגנטיים מעבירה אנרגיה בין החלקיקים לשדות ולהפך.
• מסה – על פי תורת היחסות, יש אנרגיה האצורה במסה של חלקיקים. יתרה מזאת, מסתו של גוף המורכב מחלקיקים רבים, אינה פשוט סכום המסות של מרכיביו, אלא היא תלויה באנרגיה שלו. לפיכך, שינויים באנרגיה הפנימית של גוף יתבטאו כהפרש במסתו. תופעה זו משמעותית בתהליכים גרעיניים, בהם ניתן לחזות את האנרגיה שתשתחרר על ידי השוואת מסות הגרעינים המשתתפים בתהליך, ולפי נוסחתו של איינשטיין, E=mc². אף על פי כן, חשוב להבין כי המסה אינה אנרגיה, אך יש אנרגיה הקשורה במסה (באופן דומה לכך שמהירות אינה אנרגיה, אך יש אנרגיה הקשורה במהירות – אנרגיה קינטית).

פגם אחד בחלוקה הזו הוא, שאנרגיה של שדות ואנרגיה פוטנציאלית הן לעיתים אותו הדבר (למשל במקרה של האנרגיה של גופים טעונים במצב אלקטרוסטטי), ולמעשה מהוות נקודות מבט שונות על אותו מצב פיזיקלי.

חוקי התרמודינמיקה

באנרגיה שולטים חוקי התרמודינמיקה:

• החוק הראשון של התרמודינמיקה, הכללה של חוק שימור האנרגיה, קובע כי במערכת סגורה, רמת האנרגיה הכללית נשמרת.
• החוק השני של התרמודינמיקה טוען כי רמת האנטרופיה במערכת סגורה אינה יכולה לקטון. פירושו המעשי של החוק הוא שלא ניתן לנצל את כל האנרגיה הזמינה – לא ניתן לחמם עצם חם על חשבון החום האגור בעצמים קרים יותר, ללא השקעת אנרגיה.

לחוקים אלו השלכות מרחיקות לכת בדבר זמינות האנרגיה לצרכים מעשיים, ובמהלך ההיסטוריה, אנשים שונים ניסו לבנות מכונות נצח – מכונות המפיקות אנרגיה רבה יותר מזו שהושקעה בהפעלתם. ניסיון זה מעולם לא צלח וקיומן של מכונות אלו עומד בניגוד לעקרונות פיזיקליים בסיסיים.

אנרגיה כיכולת לבצע עבודה

אנרגיה היא רק אחד מהגדלים שמגדירים מצב של מערכת. מדדים נוספים הם למשל מסה, טמפרטורה, נפח או לחץ. כאמור, האנרגיה לובשת צורות שונות שניתנות להמרה זו בזו. החוק הראשון של התרמודינמיקה, חוק שימור האנרגיה, קושר בין האנרגיה הכוללת של המערכת (או הגוף) לבין החום והעבודה שניתן לקבל מאנרגיה זו: $\Delta E=Q+W$. כאשר מעוניינים להסיק את הבית, שואפים ליצירת חום מרבי, ואילו כאשר מעוניינים בהנעת מכונית, למשל, שואפים לעבודה מרבית. מתוך החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה נובע כי רק חלק מן האנרגיה יכול להפוך לעבודה, בהתאם לנצילות הפקתה.

ביצוע עבודה גורם להמרת סוג אחד של אנרגיה לסוגים אחרים. למשל: כאשר שדה כבידה גורם לגוף ליפול, הוא ממיר את האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית של הגוף באנרגיה קינטית.

חיסכון באנרגיה

חיסכון באנרגיה משמעותו ניצול כמות מזערית של אנרגיה לביצוע עבודה. אמנם כמות האנרגיה הדרושה לביצוע עבודה מסוימת היא קבועה, אך כמות האנרגיה שתיצרך בפועל תלויה מאוד בנצילות המערכת. כך, למשל, להרתחה של ליטר מים בטמפרטורת חדר של 20 מעלות צלזיוס נדרשת כמות קבועה וידועה של אנרגיה, אך בכל שיטה לביצוע הפעולה - בקומקום חשמלי, על מבער גז או על גחלים תנוצל כמות שונה של דלק ותופק כמות שונה של אנרגיית חום. בקרב אורגניזמים מתבטא החיסכון באנרגיה בביצוע פעולות תוך ניצול מזערי של קלוריות - קלוריות שמקורן במזון.

למעשה, המשמעות האמיתית של חיסכון באנרגיה היא חיסכון במשאבים, ובפרט בדלק (בפעילות אנושית) או במזון (בטבע).

חום

המושג חום מתאר מעבר של אנרגיה מגוף אחד למשנהו, המתבצע דרך מספר גדול של תנועות מיקרוסקופיות אקראיות. מעבר חום בדרך כלל גורם לשינויים בטמפרטורה, על פי חוקי התרמודינמיקה. החום אינו צורת אנרגיה נפרדת. כדוגמה פשוטה, כאשר גז אידיאלי מתחמם מעל להבה (כלומר הטמפרטורה שלו עולה), סך האנרגיה הקינטית של כל החלקיקים המהווים את הגז, עולה. מאחר שאת אותה התוצאה ניתן להשיג על ידי דחיסה מכנית של הגז, כלומר ללא מעבר חום, ברור שאין טעם לחשוב על "החום שבתוך הגז". בשני המקרים האנרגיה של הגז היא קינטית, ובשני המקרים היא גדלה. ההבדל הוא באופן שבו מתרחש מעבר האנרגיה לתוך הגז.

יחידות מידה לאנרגיה

במערכת היחידות הבינלאומית, יחידת המידה של אנרגיה היא ג'ול (J), כך שג'ול אחד הוא (למשל) מידת האנרגיה הקינטית של מערכת שמסתה שני קילוגרם והיא נעה במהירות של מטר אחד בשנייה. ניתן להגדיר ג'ול אחד גם כעבודה שמבצע כוח של ניוטון אחד לאורך מטר אחד.

יחידה מקובלת נוספת לאנרגיה היא האלקטרון וולט (eV). אלקטרון וולט הוא מידת האנרגיה הקינטית שמקבל אלקטרון כאשר הוא מואץ בהפרש מתחים של וולט אחד. $1eV\approx 1.6\times 10^{-19}J$. בתיאור תהליכים גרעיניים, יחידה שימושית היא מגה אלקטרון וולט: $\ MeV=10^{6}eV$.

יחידות מידה נוספות לאנרגיה הן: קלוריה וארג.

בצריכה ביתית ובאגירה עבור רשתות חשמל גדולות משתמשים בקילוואט שעה: יחידת מידה לאנרגיה השווה להספק של קילוואט אחד במשך שעה.

ראו גם

• אנרגיה מכנית
• אנטרופיה
• אנתלפיה
• עבודה (פיזיקה)
• אנרגיה חלופית
• אנרגיה מתחדשת
• אנרגיית רוח
• אנרגיה גאותרמית
• אנרגיה גרעינית
• אנרגיה רדיואקטיבית

קישורים חיצוניים

• יורם אורעד, בעין האנרגיה
• ארז גרטי, אנרגיה , במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 28 יוני 2011
• אנרגיה איננה הכושר לעשות עבודה. תרגום למאמר שפורסם בעיתון The Physics Teacher. המאמר עוסק בהגדרה של מושג האנרגיה.
• ארז גרטי, שיקולים אנרגטיים ברכבת ההרים, באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 22 ספטמבר 2011
• מלחמה בראי האנרגיה, רשימת השמעה, באתר יוטיוב – סדרת שיחות בנושא מקורות האנרגיה בעולם והקשר ביניהם לבין מלחמות בין מעצמות בימינו ובמהלך ההיסטוריה, מאת הערוץ האקדמי
• אנרגיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)