مقدمهاي بر نيرو و انرژي

به طور شهودي نيرو همان كشش يا هل بين دو جسم است. انواع و اقسام نيروها مثل نيروهاي گرانشي، الكتريكي و مغناطيسي و ... داريم. نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي مهم ترين نيروها در تعيين نحوهي قرارگيري الكترونها در اتمها و ساختار اتمها و مولكولها و مواد هستند. به طور خیلی ساده نیروهای الکتریکی نیروهایی هستند که اجسام یا ذرات باردار به خاطر داشتن بار به هم وارد می کنند و نیروهای مغناطیسی نیروهایی هستند که آهن رباها یا قطب های مغناطیسی به هم وارد می کنند. در صورت ناهمنام بودن بارها (یکی مثبت و یکی منفی) دو جسم یا دو ذره باردار بهم نیروهای الکتریکی بصورت جاذبه (کشش به سمت همدیگر) وارد می کنند، در حالیکه در صورت همنام بودن بارها (هر دو مثبت یا هر دو منفی) دو جسم یا دو ذره باردار بهم نیروهای الکتریکی بصورت دافعه (هل به سمت دور از هم) وارد می کنند.

از ويژگيهاي مهم نيروهاي الكتريكي اين است كه اندازهي نيرو با حاصل ضرب اندازهي بارها رابطهي مستقيم و با مجذور فاصله بين آنها رابطهي عكس دارد.

انرژي جنبشي يك جسم، انرژي مربوط به حركت آن است و رابطه زیر را برای آن داریم:

در رابطه بالا K انرژی جنبشی جسم، m جرم جسم و V سرعت حرکت جسم است.

هنگامي كه موقعيت اجسام كه تحت تأثير برخي نيروها مثل نيروي گرانش، الكتريكي و مغناطيسي قرار دارند، تغيير ميكند، سطح انرژي آنها نيز دستخوش تغيير ميشود و با محيط اطراف ميتوانند انرژي مبادله كنند. انرژي پتانسيل يك جسم بيانگر انرژي نهفته شده در جسم به خاطر موقعيت جسم است. با تغيير موقعيت يك جسم انرژي پتانسيل جسم ميتواند عوض شود. افزايش انرژي پتانسيل نيازمند مصرف انرژي خواهد بود، در حالي كه كاهش انرژي پتانسيل همراه آزاد كردن انرژي خواهد بود.

انرژي پتانسيل را معمولاً با U نمايش ميدهند و براي تغييرات آن چهار حالت زير را داریم:

نزديك شدن با وجود جاذبه  همراه با كاهش انرژي پتانسيل همراه با آزاد شدن انرژي

دور شدن با وجود جاذبه  همراه با افزايش انرژي پتانسيل نيازمند صرف انرژي     

نزديك شدن با وجود دافعه  همراه با افزايش انرژي پتانسيل نيازمند صرف انرژي 

دور شدن با وجود دافعه  همراه با كاهش انرژي پتانسيل همراه با آزاد شدن انرژي

تغیيراتي كه همراه با كاهش سطح انرژي پتانسيل هستند، معمولاً به راحتي و به صورت خود به خودي انجام ميشوند. در حاليكه تغييرات كه همراه با افزايش سطح انرژي پتانسيل هستند، معمولاً نيازمند يك عامل خارجي براي تأمين انرژي مورد نياز هستند و به صورت خود به خودي انجام نميگيرند. بنابراين اجسامي كه سطح انرژي پتانسيل بالايي دارند، معمولاً خواهند توانست به راحتي در فرآيندهاي گوناگوني كه همراه با كاهش انرژي پتانسيل هستند، شركت كنند و حالت خود را از يك حالت با U بالا به يك حالت با U پايين برسانند. پس اجسام با سطح انرژي پتانسيل بالا معمولا براحتی تغییر حالت می دهند و در حالت اولیه خود باقی نمی مانند و پایدار نیستند. از اين رو كه گفته ميشود پايداري و سطح انرژي پتانسيل با هم رابطهي عكس دارند، به طور كلي بيان ميشود كه ذات طبيعي سيستمهاي فيزيكي اين است كه به سطح  انرژي پتانسيل پايينتر كه همراه با پايداري بيشتر است، برسند.

در بررسي انرژي پتانسيل معمولاً يك موقعيت به عنوان مرجع در نظر گرفته ميشود و انرژي پتانسيل آن را برابر صفر در نظر ميگيرند. به عنوان مثال براي نيروهاي الكتريكي، مرجع معادل فاصلهي بينهايت يا خيلي دور بارها از هم است و به آن انرژي پتانسيل برابر صفر نسبت داده ميشود.

درنهايت بايستي اين نكته را در نظر گرفته كه با افزايش اندازهي نيرو و جابه جايي مقدار تغييرات انرژي پتانسيل هم افزايش مييابد.

مثال : نحوه تغییرات انرژی پتانسیل برحسب فاصله (r) را برای دو بار الکتریکی : الف ) همنام          ب ) ناهمنام  در نمودار به طور تقریبی نمایش دهید.

حل:

در هر دو حالت، در فاصله بینهایت (خیلی دور) سطح انرژی پتانسیل برابر صفر در نظر گرفته می شود. در حالت (الف) موقع نزدیک کردن بهم، نزدیک شدن تحت اثر دافعه داریم و بنابراین سطح انرژی پتانسیل افزایش می یابد و نزدیک کردن نیازمند صرف انرژی است. در حالت (ب) موقع نزدیک کردن بهم، نزدیک شدن تحت اثر جاذبه داریم و بنابراین سطح انرژی پتانسیل کاهش می یابد و نزدیک کردن همراه با آزادشدن انرژی است.

در هر دو حالت، موقع نزدیک شدن اندازه نیروها افزایش می یابد. در نتیجه مقدار تغییرات انرژی پتانسیل بازای یک مقدار جابجایی مشخص افزایش می یابد. بهمین علت در هر دو حالت با کاهش فاصله سرعت تغییرات انرژی پتانسیل نسبت به تغییرات فاصله افزایش می یابد (بازای یک مقدار جابجایی مشخص، مقدار تغییرات انرژی پتانسیل در فواصل کمتر بیشتر است).

بنابراین نمودارها به طور تقریبی به صورت در ادامه آمده خواهند بود:

توضیح شکل: نحوه تغییرات انرژی پتانسیل برحسب فاصله برای دو بار الکتریکی در دو حالت همنام (سمت راست) و ناهمنام (سمت چپ)

*****

به مجموع كليهي انرژيهاي يك جسم اعم از جنبشی يا پتانسيل انرژي كل گفته ميشود. بعبارتی داریم:

در رابطه بالا U,E و K به ترتیب انرژی کل، انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی هستند.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||