Enerji Nedir? -Temel Enerji Kavramları, Anlamı ve Tarihi

Enerji Nedir? -Temel Enerji Kavramları, Anlamı ve Tarihi

Enerji, evrendeki tüm olay ve olguların arkasındaki itici güçtür. İster bir ampulun yanması, ister bir aracın hareketi, ister canlıların yaşamsal faaliyetleri olsun, bunların hepsi enerji sayesinde gerçekleşir. Peki enerji nedir, neleri ifade eder?

Bu sorulara cevap bulmak, hem doğayı ve teknolojiyi anlamamız hem de sürdürülebilir bir gelecek tasarlamamız açısından elzemdir. Bu yazıda enerjinin temel kavramlarına ve çeşitlerine değinerek konuyu derinlemesine irdeleyeceğiz.

Amacımız okuyucuya enerjinin ne ifade ettiğini, neleri kapsadığını ve günlük hayattaki önemini kavratmaktır. Öncelikle enerjinin tanımı ve işlevinden başlayalım.

Enerjinin Tanımı ve Önemi

Enerji, iş yapma ve ısı yayma potansiyeline sahip fiziksel bir niceliktir. Enerji sayesinde evrendeki tüm olaylar ve süreçler gerçekleşir. Canlıların yaşamsal aktiviteleri, makinelerin çalışması, ısınma, aydınlanma gibi günlük ihtiyaçlarımızın karşılanması enerji sayesindedir. Bu nedenle enerji, medeniyetin gelişimi ve insan yaşamı için vazgeçilmez bir unsurdur.

Buraya kadar okuduğunuz metin tamamen mantıksal nedenler ve enerjinin gözlemlendiği için elde edilen matematiksel verilerden kaynaklanan bir açıklamadan ibarettir.

Fakat tüm bunlara rağmen enerji aslında evrendeki hareketleri tanımlayabilmek ve aklımıza uygun profile uymasını sağlayabilmek adına oluşturduğumuz bir terim aslında. Şimdi aklınıza bazı sorular gelmiş olabilir, Nasıl yani enerji gerçek değil mi?

Elbette gerçek fakat bize göre henüz tam olarak gerçek değil, örnek verecek olursak yazımızın ilerleyen bölümlerinde alt başlıklardan göreceğiniz üzere enerjiyi oldukça fazla alt kategoriye ayırıyoruz, aslında her birinin odak noktası ise “hareket” tabi bazıları atomsal ölçekte bulunan hareketler.

Konuyu bağlayacak olursak enerjiyi henüz tam olarak anlayamıyoruz, bunun nedeni ise yeterli bilgi ve teknolojiye sahip olmamamız. Enerji kavramını her kategori için alt başlıklara ayırıyor tarihler ilerledikçe çalışma sistemini ve mantığını değiştiriyoruz, işte tamda bu noktada karşımıza gerçekler çıkıyor.

Enerji ancak ve ancak tamamiyle basit kelimeler ve bir kaç cümle ile anlatılmaya başlandığı zaman anlaşılacaktır.

Enerjinin Tarihi

Enerji kavramı, ilk olarak 17. yüzyılda İngiliz fizikçi Isaac Newton tarafından ortaya atılmıştır. Newton’a göre enerji, cisimlerin hareket ettirme veya şekil değiştirme kapasitesidir. Newton, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” adlı eserinde cisimlerin mekaniğini ve hareket yasalarını detaylıca incelemiştir. Bu çalışmada enerji ve güç kavramlarını da tanımlayan Newton, modern anlamda enerji biliminin öncüsü sayılır.

Newton’un ortaya attığı enerji kavramı ile cisimlerin hareketi ve etkileşimi daha iyi anlaşılabilmiştir. Newton sonrasında da birçok bilim insanı enerji kavramı üzerine çalışmalar yapmış ve geliştirmiştir. Modern anlamdaki enerji yasasının temelleri Newton sayesinde atılmıştır.

Ancak Newton’dan sonra gelen, 17. yüzyıl Alman matematikçi ve filozof Gottfried Leibniz enerjiyi daha iyi tanımlamanın bir yolunu bulmuştur. Leibniz, cisimlerin kinetik enerjisini ifade etmek için “vis viva” (yaşayan güç) terimini kullanmıştır. Ona göre bir cismin sahip olduğu enerji, kütlesiyle hızının karesinin çarpımına eşittir.

Leibniz, vis viva kavramını 1695 yılında yayımladığı “Bir Cismin Gücü Üzerine” adlı makalesinde detaylı olarak açıklamıştır. Bu çalışmada cisimlerin kinetik enerjisini belirleyen formülü türetmiştir.

Ancak Leibniz’in çalışmaları kendi döneminde yeterince kabul görmemiş, vis viva kavramı tartışmalara neden olmuştur. Zira Newton da benzer bir kavramı, farklı bir formülle ifade etmişti. Ancak sonraki yıllarda Leibniz’in yaklaşımının doğruluğu anlaşılmış ve enerjinin tanımlanmasındaki öncü rolü kabul edilmiştir.

Newton kendi döneminde ve sonrasında bilimde bir öncü olarak görülüyordu, Leibniz gibi bir bilim insanının Newton’un çalışmalarına karşı çıkmasını bırakın, çalışmalar hakkında düşünmesi bile toplum tarafından hoş karşılanmıyordu. Tıpkı Einstein çalışmalarını ilk açıkladığında Newton’un hatalı olduğunu ortaya attığında olduğu gibi. İlerleyen yıllarda Leibniz’in çalışmalarının doğruluğu anlaşılacaktı fakat bu oldukça geç kalınmış bir hamle olacaktı.

Enerjinin modern anlamdaki tanımı ise 19. yüzyılda Alman fizikçi Hermann von Helmholtz tarafından yapıldı. Helmholtz’a göre enerji, iş yapabilme kapasitesine sahip bir niceliktir. Günümüzde kullanılan enerji tanımı da Helmholtz’un ortaya koyduğu bu tanıma dayanmaktadır.

Entropi, Enerji ve Termodinamik

Tarih 1854 yılına gelindiğinde Rudolf Clausius isimli bir adam buharlı makinelerin ortaya çıkardığı gücün normalde üretmesi gereken güçten %98 az olduğunu öne süren çalışmalarını doğruladı ve bunun adına buharlı makinelerden çıkan ısı enerjisinin kademeli bir şekilde dağıldığını söyleyen bir makale yayınladı. İlerleyen yıllarda Clausius bu teorisini geliştirdi ve entropi kavramıyla birlikte bize termodinamiğin 2. yasasını kazandırdı.

Termodinamiğin 2. yasasını hatırlayacak olursak;

“Isı daima sıcaktan soğuğa olacak şekilde ilerler.”

Enerji dönüşümleri sırasında sistemlerin entropisi genellikle artar, yani düzensizlik ve rastgelelik artar. Konuyu daha iyi anlayabilmek için bir örnek üzerinden ilerleyelim.

Düşünün ki bir kahve fincanındaki sıcak kahve, oda sıcaklığındaki bir odadan daha sıcak bir odaya taşınıyor. Bu durumda şu enerji dönüşümü ve entropi artışı gerçekleşir:

1. Sıcak kahve fincanındaki termal enerji, fincanın dışındaki oda havasına ısınınca termal enerjiyi kaybeder. Bu, fincanın içindeki düzenli termal enerjinin bir kısmının çevredeki daha düşük enerji düzeyine dağıldığı bir süreçtir.
2. Bu ısı transferi sırasında moleküler düzenlilik ve düzensizlik değişir. Sıcak kahve fincanındaki moleküller düzensiz bir şekilde hareket ederken, çevredeki hava molekülleri de benzer şekilde rastgele hareket eder. Bu, entropide bir artışa işaret eder.
3. Sıcak kahve fincanındaki düzenli termal enerji, çevredeki hava molekülleri arasında rastgele hareketlere dönüşerek, entropinin artmasına neden olur.

Sonuç olarak, enerji dönüşümleri sırasında, sistemdeki düzenin bir kısmının kaybolması ve entropinin artması kaçınılmazdır. Bu entropi artışı, Clausius’un ikinci termodinamik yasasını destekler ve enerji dönüşümlerinin doğasını anlamamıza yardımcı olur.

Enerji Türleri

Enerji çeşitli biçimlerde karşımıza çıkar. Bunlardan başlıcaları kinetik enerji, potansiyel enerji, ısı enerjisi, kimyasal enerji, elektrik enerjisi, ışık enerjisi ve nükleer enerjidir. Örneğin, hareket halindeki bir cismin sahip olduğu enerjiye kinetik enerji, yerçekimi alanındaki bir cismin sahip olduğu enerjiye potansiyel enerji denir.

Enerjinin sahip olduğu formları maddeler halinde kıyaslayacak olursak;

• Mekanik Enerji:
  • Kinematik Enerji: Bir nesnenin hareketinden kaynaklanan enerji.
  • Potansiyel Enerji: Bir nesnenin yükseklik, gerilme veya sıkışma durumuna bağlı olarak sahip olduğu enerji.
• Termal (Isı) Enerji:
  • Bir nesnenin atomlarının veya moleküllerinin hareketinden kaynaklanan enerji.
• Elektrik Enerji:
  • Elektronların bir noktadan diğerine hareketinden kaynaklanan enerji.
• Elektromanyetik (Işık) Enerji:
  • Elektromanyetik dalgalar tarafından taşınan enerji.
  • Görünür Işık: Insan gözü tarafından algılanabilen elektromanyetik dalgaların bir aralığı.
• Kimyasal Enerji:
  • Moleküler bağlardaki kimyasal reaksiyonlardan kaynaklanan enerji.
• Nükleer Enerji:
  • Atom çekirdeklerinin bölünmesi (fisyon) veya birleşmesi (füzyon) sonucu ortaya çıkan enerji.
• Rüzgar Enerjisi:
  • Rüzgarın kinetik enerjisinden elde edilen enerji.
• Güneş Enerjisi:
  • Güneş ışığından gelen enerjiyi kullanarak elektrik enerjisi üreten sistemler.
• Hidrolik (Su) Enerji:
  • Su akışından veya yüksekten düşen suyun potansiyel enerjisinden elde edilen enerji.
• Biyokütle Enerjisi:
  • Organik madde veya biyolojik süreçlerden elde edilen enerji.

Enerjinin Birimleri

Enerjinin uluslararası birimi joule’dür. Diğer enerji birimleri kalori, elektronvolt, kilovatsaat gibi türev birimlerdir. 1 joule, 1 kalorinin 4,184 katıdır. Enerjiyi ölçmek ve karşılaştırmak için bu standart birimler kullanılır.

Enerji birimlerini detaylıca maddeleyecek olursak;

• Joule (J):
  • Temel enerji birimidir ve SI birim sisteminde kullanılır.
  • 1 Joule, bir nesneyi bir metreye kaldırmak için gerekli olan enerjiye eşittir.
• Kilowatt-saat (kWh):
  • Elektrik enerjisinin ölçümünde sıkça kullanılır.
  • 1 kilowatt-saat, bir cihazın bir saat boyunca bir kilowatt güç tüketmesine eşittir.
• Kalori (cal):
  • Sıklıkla besinlerin içerdikleri enerjiyi ölçmek için kullanılır.
  • 1 kalori, bir gram suyun sıcaklığını 1 santigrat derece artırmak için gereken enerjiye eşittir.
• Kilokalori (kcal veya Cal):
  • Besinlerin kalori içeriğini daha büyük ölçeklerde ölçmek için kullanılır.
  • 1 kilokalori, bir kilogram suyun sıcaklığını 1 santigrat derece artırmak için gereken enerjiye eşittir.
• British Thermal Unit (BTU):
  • Sıklıkla ısı enerjisinin ölçümünde kullanılır.
  • 1 BTU, bir pound suyun sıcaklığını 1 Fahrenheit derece artırmak için gereken enerjiye eşittir.
• Elektronvolt (eV):
  • Parçacıkların ve atom altı olayların enerjisini ölçmek için kullanılır.
  • 1 elektronvolt, bir elektronun bir volt potansiyel farkında taşıdığı enerjiye eşittir.
• Erg (erg):
  • Genellikle fizikte küçük ölçekli enerji miktarlarını ifade etmek için kullanılır.
  • 1 erg, bir dyne kuvveti ile bir santimetre mesafede iş yapıldığında elde edilen enerji birimidir.

Enerjinin Korunumu Yasası

Fiziğin temel yasalarından biri olan enerjinin korunumu yasasına göre, enerji yok edilemez ve yaratılamaz, sadece bir formundan diğerine dönüştürülebilir. Bir sistemdeki toplam enerji miktarı sabittir, enerji sadece biçim değiştirebilir. Örneğin, yanan bir maddenin ısı ve ışık enerjisine dönüşür.

Enerjinin korunumu yasası, Albert Einstein‘ın görelilik kuramı sayesinde kanıtlanmıştır. Buna göre evrendeki toplam enerji miktarı sabittir ve enerji yok olmaz, sadece bir formundan diğerine dönüşür.

Alman matematikçi Emmy Noether‘in çalışmaları da enerjinin korunumu ilkesinin anlaşılmasında çok önemlidir. Noether, 1918’de yayımladığı makalede simetri ilkeleri ile korunum yasaları arasındaki bağlantıyı göstermiştir. Böylece enerjinin korunumunun, zamana karşı simetri ilkesinden kaynaklandığı anlaşılmış olduk.

Fakat bu enerjinin zamana karşı olan simetrisi ne diye soracak olursanız, basit açıklama olarak enerjinin korunumu yasasının sağlamasıdır.

Noether bu çalışmasıyla bizlere enerjinin bir simetriyle yakından alakalı olduğunu gösterdi. Eğer bir arabanın ileri gidişini zamanı geriye sararak geriye gidiş olarak görseydiniz bir şey değişir miydi? Düşündüğünüz gibi hiçbir şey sonucu etkilememiş olacaktı, yazımızın ilk başında enerjinin hareket ile ilgili olduğundan bahsetmiştik. Bunu hatırlayarak fizikte zamanın hareket zamanla simetrik olarak çalışır.

Noether’in oldukça önemli olan katkıları sayesinde enerjinin korunumu yasasının temel nedenleri açıklanabilmiştir.

Enerji Dönüşümleri

Enerji dönüşümleri, bir enerji formunun başka bir enerji formuna dönüştürülmesini ifade eder. Bu dönüşümler, günlük yaşantımızdan endüstriyel süreçlere kadar birçok alanda gerçekleşir.

Aşağıda yine maddeler halinde çeşitli enerji dönüşümlerini görebilirsiniz;

• Elektrik Enerjisi – Termal Enerji Dönüşümü:
  • Bir elektrik sobasını düşünün. Elektrik enerjisi, ısı üretmek üzere kullanılır. Bu dönüşümde elektrik enerjisi termal enerjiye dönüşür ve sobadan yayılan ısı ile ortam ısınır.
• Güneş Enerjisi – Elektrik Enerjisi Dönüşümü:
  • Güneş panelleri, güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştürür. Fotovoltaik hücreler sayesinde güneş ışığındaki fotonlar elektrik akımına çevrilir.
• Kimyasal Enerji – Elektrik Enerjisi Dönüşümü:
  • Bir pil veya akü, içerisindeki kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Pil kullanıldığında, kimyasal reaksiyonlar elektrik akımını oluşturur.
• Rüzgar Enerjisi – Mekanik Enerji Dönüşümü:
  • Rüzgar türbini, rüzgarın kinetik enerjisini kullanarak döner. Bu dönme hareketi, bir jeneratör vasıtasıyla mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.
• Nükleer Enerji – Elektrik Enerjisi Dönüşümü:
  • Nükleer reaktörler, çekirdek fisyonu veya füzyonu yoluyla büyük miktarda termal enerji üretir. Bu termal enerji, su buharını oluşturarak bir türbinin dönmesini sağlar ve nihayetinde elektrik üretilir.
• Hidrolik Enerji – Elektrik Enerjisi Dönüşümü:
  • Barajlarda, suyun potansiyel enerjisi yüksek bir seviyeden alçak bir seviyeye düşürülerek mekanik enerjiye dönüştürülür. Mekanik enerji daha sonra bir türbin vasıtasıyla elektrik enerjisine çevrilir.
• Mekanik Enerji – Elektrik Enerjisi Dönüşümü:
  • Bir el dinamosu gibi mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlar vardır. Bu tür dinamolar, mekanik enerjinin dönen bir manyetik alan ile indüklenen bir elektrik akımına dönüştürülmesine dayanır.

Enerji dönüşümleri, enerjiyi ne kadar verimli kullandığımız açısından oldukça önem arz eden konulardan birisidir. Çeşitli enerji türlerini günlük hayatta veya endüstri alanında kullanışa uygun biçimlere dönüştürmek insanlığı her daim ileriye götürecektir.

Enerji Kaynakları

Enerji kaynakları yenilenebilir ve yenilenemez kaynaklar olmak üzere ikiye ayrılır. Güneş, rüzgar, jeotermal gibi sürekli var olan veya kısa sürede yenilenebilen kaynaklar yenilenebilir; petrol, kömür, doğalgaz gibi sınırlı rezervlere sahip ve uzun yıllar içinde oluşan kaynaklar ise yenilenemez enerji kaynaklarıdır.

Dünyadaki yenilenemez enerji kaynaklarının yakın yüzyıllarda biteceğini göz önünde bulundurursak vakit varken yenilenebilir enerji kaynaklarını tercih etmekte fayda var, fakat sizin de bildiğiniz gibi böyle bir şey yaşanmayacak. İnsanoğlu daima ihtiyaç duyduğu sürece ilerleyecek ve yeni atılımlar yapacaktır. Çevrenizdeki elektronik ve teknolojik gelişmelere bakacak olursanız eğer, yapılışları ve tarihi daima bir gereksinim uğruna ortaya çıkan ürünlerden ibarettir.

Yani işin aslı insan dünya üzerindeki bir materyali farklı bir amaç uğruna kullandı, insanoğlu bunun hem kendisine hem de yaşadığı dünyaya zarar verdiğini öğrendi fakat bundan geri kalmadı, farklı alternatiflere sahipken bile. Zaman ilerledi ve nehirler aktı artık insanoğlunun kullandığı materyallerden bir farklı kalmamıştı…

Sıkça Sorulan Sorular

Sonuç

Görüldüğü üzere enerji, evrendeki tüm süreçlerin temelini oluşturan, fiziğin ve doğa bilimlerinin en önemli kavramlarından biridir. Enerjinin kesin tanımı ve formulasyonu uzun bir tarihsel sürecin ürünüdür.

İlk olarak Leibniz ve Newton gibi bilim insanlarının çalışmalarıyla ortaya atılan enerji kavramı, 19. yüzyılda Helmholtz ile somut bir tanıma kavuşmuştur. Daha sonra Einstein başta olmak üzere birçok bilim insanının katkısıyla enerjinin temel yasaları keşfedilmiştir.

Günümüzde enerji, fizik, kimya, biyoloji gibi birçok bilim dalı için vazgeçilmez bir kavramdır. Enerjinin keşfi ve gelişimi, bilim tarihinin en önemli başarılarından biridir. Ancak enerjinin doğasını ve işleyişini çözmeye yönelik çalışmalar hala devam etmektedir.

Temel olarak “Enerji” olgusunu birde evrim ağacından dinlemek isterseniz aşağıdaki videoya göz atabilirsiniz;