Τρίτη, 12 Μαΐου 2009

Τι είναι ενέργεια ;

.
« Τι είναι ενέργεια ;
Σε αυτό το κεφάλαιο, αρχίζουμε μια πιο λεπτομερή μελέτη των διαφορετικών  όψεων της Φυσικής, αφού έχουμε τελειώσει την περιγραφή μας των πραγμάτων γενικώς. Για να παρουσιάσουμε τις ιδέες και το είδος των συλλογισμών που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη θεωρητική Φυσική, θα εξετάσουμε τον πιο βασικό νόμο της Φυσικής, τη διατήρηση της ενέργειας.
Υπάρχει ένα γεγονός, ή αν θέλετε, ένας νόμος, που κυβερνά όλα τα φυσικά φαινόμενα που είναι γνωστά ως σήμερα. Δεν υπάρχει γνωστή εξαίρεση σε αυτόν το νόμο- είναι ακριβώς μέχρι τώρα όπως ξέρουμε. Ο νόμος λέγεται διατήρηση της ενέργειας. Δηλώνει ότι υπάρχει μια συγκεκριμένη ποσότητα, που καλούμε ενέργεια, που δεν αλλάζει στις ποικίλες αλλαγές που υποβάλλεται η φύση. Αυτή είναι μια εντελώς αφηρημένη ιδέα, γιατί είναι μια μαθηματική αρχή. Λέει ότι υπάρχει μια αριθμητική ποσότητα που δεν αλλάζει όταν συμβαίνει κάτι. Δεν είναι περιγραφή ενός μηχανισμού, ή κάτι υπαρκτό. Είναι απλώς ένα  παράξενο γεγονός με το οποίο μπορούμε να υπολογίσουμε κάποιους αριθμούς και όταν τελειώσουμε να παρατηρούμε τη φύση να κάνει τα κόλπα της και υπολογίσουμε τους αριθμούς ξανά, είναι οι ίδιοι. ( κάτι σαν τον αξιωματικό στο κόκκινο τετραγωνάκι και μετά από ένα αριθμό κινήσεων-δε γνωρίζουμε λεπτομέρειες – είναι και πάλι σε κάποιο κόκκινο τετράγωνο. Είναι ο νόμος της φύσης). Εφόσον είναι μια αφηρημένη ιδέα, θα παρουσιάσουμε την έννοια της με μια αναλογία.
Φανταστείτε ένα παιδί, ίσως τον Ντένις τον τρομερό, που έχει τουβλάκια εντελώς άφθαρτα, που δεν μπορούν να χωριστούν σε κομμάτια. Όλα είναι ίδια μεταξύ τους. Ας υποθέσουμε ότι έχει 28 τουβλάκια. Η μητέρα του τον βάζει μαζί με τα 28 του τουβλάκια σε ένα δωμάτιο στην αρχή της ημέρας. Στο τέλος της μέρας, όντας περίεργη, μετρά τα τουβλάκια πολύ προσεχτικά, και ανακαλύπτει ένα νόμο- ανεξάρτητα από το τι κάνει με τα τουβλάκια είναι πάντα 28. Αυτό συνεχίζεται για αρκετές ημέρες, ώσπου μια μέρα υπάρχουν μόνο 27 τουβλάκια, αλλά λίγη έρευνα δείχνει ότι ένα είναι κάτω από το χαλί- πρέπει να κοιτά παντού για να σιγουρευτεί ότι ο αριθμός των τούβλων δεν έχει αλλάξει. Μια μέρα, ωστόσο, ο αριθμός φαίνεται να έχει αλλάξει- υπάρχουν μόνο 26 τουβλάκια. Προσεχτική έρευνα δείχνει ότι το παράθυρο ήταν ανοιχτό, και κοιτώντας έξω, τα άλλα δύο τουβλάκια βρίσκονται. Μια άλλη μέρα, προσεχτικό μέτρημα δείχνει ότι υπήρχαν 30 τουβλάκια. Αυτό προκαλεί σημαντική ανησυχία, μέχρι να συνειδητοποιηθεί ότι ο Bruse ήρθε για επίσκεψη, φέρνοντας τα τουβλάκια του μαζί και άφησε μερικά στο σπίτι του Ντένις. Αφού ξεφορτώθηκε τα παραπάνω τουβλάκια, η μητέρα κλείνει το παράθυρο, δεν αφήνει τον Bruse μέσα, και μετά όλα πάνε καλά μέχρι που μια φορά τα μετράει και βρίσκει μόνο 25 τουβλάκια. Ωστόσο, υπάρχει ένα κουτί στο δωμάτιο , ένα κουτί παιχνιδιών, και η μητέρα πηγαίνει να ανοίξει το κουτί των παιχνιδιών, αλλά το αγόρι λέει «Όχι, μην ανοίξεις το κουτί των παιχνιδιών μου», και στριγγλίζει. Στη μητέρα δεν επιτρέπεται να ανοίξει το κουτί των παιχνιδιών. Όντας πολύ περίεργη και αρκετά έξυπνη, επινοεί ένα σχέδιο. Ξέρει ότι ένα τουβλάκι ζυγίζει 300 γραμμάρια, έτσι ζυγίζει το κουτί σε κάποια στιγμή όταν βλέπει 28 τουβλάκια, και αυτό ζυγίζει 1600 γραμμάρια. Την επόμενη φορά που επιθυμεί να το ελέγξει, ζυγίζει το κουτί ξανά, αφαιρεί τα 1600 γραμμάρια και το διαιρεί με το τριακόσια. Ανακαλύπτει το εξής
(αριθμός από τα τουβλάκια που φαίνονται) + (βάρος του κουτιού) – 1600γραμμάρια / 300γραμμάρια  = σταθερό     (4.1)
Μετά παρουσιάζονται κάποιες νέες αποκλίσεις αλλά προσεχτική μελέτη δείχνει ότι το βρώμικο νερό στη μπανιέρα αλλάζει το επίπεδο. Το παιδί ρίχνει τουβλάκια στο νερό, και αυτή δεν μπορεί να τα δει γιατί είναι τόσο βρώμικο, αλλά μπορεί να βρει πόσα τουβλάκια είναι στο νερό προσθέτοντας ένα άλλο όρο στη φόρμουλά της. Αφού το αρχικό ύψος του νερού ήταν 15 εκατοστά και κάθε τουβλάκι ανεβάζει το νερό μισό εκατοστό, αυτή η καινούργια φόρμουλα θα ήταν:
(αριθμός από τουβλάκια που φαίνονται) + (βάρος του κουτιού) – 1600 γραμμάρια /300γραμμάρια + (ύψος του νερού) – 15 εκατοστά / 1/2 εκατοστό = σταθερό     (4.2)
            Στη βαθμιαία ανάπτυξη της πολυπλοκότητας του κόσμου της, βρίσκει σειρές από όρους που αναπαριστούν τρόπους για να υπολογίζει πόσα τουβλάκια βρίσκονται σε μέρη που δεν επιτρέπεται να κοιτάξει. Σαν αποτέλεσμα, βρίσκει μια περίπλοκη φόρμουλα, μια ποσότητα που πρέπει να υπολογιστεί, η οποία παραμένει η ίδια στην κατάστασή της.
            Ποια είναι η αναλογία του παραδείγματος αυτού με τη διατήρηση της ενέργειας; Η πιο αξιοσημείωτη άποψη που πρέπει να αφαιρεθεί από αυτή την εικόνα είναι ότι δεν υπάρχουν τουβλάκια. Βγάλτε  τους πρώτους όρους στην (4.1) και στην (4.2) και μετράμε περισσότερο ή λιγότερο αφηρημένα πράγματα. Η αναλογία έχει τα ακόλουθα σημεία. Πρώτα, όταν υπολογίζουμε την ενέργεια, μερικές φορές μερική από αυτή φεύγει από το σύστημα και πάει μακριά , ή κάποιες φορές μπαίνει μέσα. Για να επαληθεύσουμε τη διατήρηση της ενέργειας, πρέπει να είμαστε προσεκτικοί για να μη βάλουμε ή βγάλουμε ενέργεια. Δεύτερον, η ενέργεια έχει ένα μεγάλο αριθμό από διαφορετικές μορφές, και υπάρχει μια φόρμουλα για καθεμιά. Αυτές είναι: βαρυτική ενέργεια, κινητική ενέργεια, θερμική ενέργεια, ελαστική ενέργεια, ηλεκτρική ενέργεια, χημική ενέργεια, ενέργεια ακτινοβολίας, πυρηνική ενέργεια, ενέργεια μάζας. Αν αθροίσουμε τις φόρμουλες για καθεμιά συμβολή, δε θα αλλάξει εκτός για την ενέργεια που μπαίνει ή βγαίνει.
            Είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι στη Φυσική σήμερα, δεν έχουμε γνώση του τι είναι ενέργεια. Δεν έχουμε εικόνα ότι η ενέργεια έρχεται σε μικρές  σταγόνες ενός καθορισμένου ποσού. Δεν γίνεται με αυτόν τον τρόπο. Ωστόσο, υπάρχουν φόρμουλες για να υπολογίζουμε μερικές αριθμητικές ποσότητες, και όταν τα προσθέτουμε όλα μαζί δίνουν 28-συνέχεια τον ίδιο αριθμό. Είναι ένα αφηρημένο πράγμα το οποίο δεν μας  λέει τον μηχανισμό ή τους λόγους για τις ποικίλες φόρμουλες.»

Απόσπασμα από ένα κείμενο του αείμνηστου περίφημου Φυσικού και δασκάλου Richard Feynman παρμένο από τον πρώτο τόμο των διαλέξεων του για τη Φυσική (The Feynman Lectures on Physics definitive edition vol I).

Μια προσφορά από τον συνάδελφο Σταύρο Πρωτογεράκη. Μια  μελέτη του πάνω στο έργο και την ενέργεια, την οποία μπορείτε να δείτε ολοκληρωμένη από ΕΔΩ.
.

1 σχόλιο:

Σταύρος Πρωτογεράκης είπε...

Μία διευκρίνηση που νομίζω είναι αναγκαία και πηγάζει σε τηλεφώνημα που δέχτηκα από συνάδελφο χτες το βράδι. Αφορά τη σχέση ΔΕθερ=Q+W που αναφέρεται παρενθετικά στη σελίδα 9. Στα θερμοδυναμικά συστήματα συνήθως δεν μεταβάλλεται η κινητική και η δυναμική ενέργεια που σχετίζονται με το κέντρο μάζας οπότε ΔΚ=ΔU=0. Έτσι, αν λάβουμε υπόψη και τοη θερμότητα ως τρόπο μεταφοράς ενέργειας προκύπτει η σχέση ΔΕθερ=Q+W. Η σύγχυση ίσως προκύπτει από τη διαφορά στα σύμβολα που χρησιμοποιούμε συνήθως. Σε κάθε περίπτωση ευχαριστώ τον συνάδελφο σημειώνοντας πως θα προτιμούσα να ήξερα κι εγώ με ποιον μιλάω...
Σταύρος Πρωτογεράκης