ENERJİDE TEMEL KAVRAMLAR

Enerji birçok bilimsel kaynakta “iş yapabilme yeteneği” olarak tanımlanmaktadır. İş yapabilme yeteneği ifadesi, Newton Mekaniğinde yer almakla birlikte enerji, bir cismin veya
sistemin, konumu veya durumu nedeniyle iş yapabilme yeteneği olarak açıklanmaktadır.

Enerji günlük hayatımızda değişik biçimlerde karşımıza çıkmaktadır. Bunları hareket, ısı, ışık, elektrik, kimyasal, nükleer ve yerçekimi olarak sıralayabiliriz.

Teknik bir terim olan enerji kelimesi ilk kez Thomas Young tarafından 1807 yılında kullanılmıştır.

Enerji kelimesinin kökeni Yunanca ένεργεισ (energia) kelimesine dayanmakta olup tesir veya etkin kuvvet anlamında kullanılmaktaydı.

Young, enerji kelimesini kullanırken kinetik enerji, potansiyel enerji ve bir kütlenin bağlı olduğu yayın elastik enerjisinin toplamını dikkate alıyordu. Bu toplam, Newton yasaları ve Hooke’nin elastisite yasası ile uyumlu olup toplam içerisinde bireysel katkıları değişebilmektedir. Enerji terimi, mekanikteki anlamından farklı olarak termodinamikteki iç enerji ve elektromanyetik enerji ifadelerini kapsamadığından 19. yüzyılın ikinci yarısına kadar tam anlamıyla kabul edilmemiştir. Termodinamiğin I. yasasına göre toplam enerji: mekanik, termodinamik, elektromanyetik ve nükleer enerjinin toplamına eşittir. Sonuç olarak, 20. yüzyılda, Albert Einstein’ın E=mc2 eşitliğine göre enerjinin kütlesinin olduğu veya kütle olduğu kabul edilmiştir. Bu eşitlikteki m kütleyi ve c ise ışık hızını ifade etmektedir.

Manyetik, elektrik ve yüzey gerilimi etkilerinin olmadığı durumlarda sistemin toplam enerjisinin kinetik, potansiyel ve iç enerjilerinin toplamına eşit olduğu düşünülebilir. Bir sistemin iç enerjisi hissedilir, gizli, kimyasal ve nükleer enerjilerden ibarettir. Hissedilir iç enerji, atom ve moleküllerin çevrim, dönme ve titreşimleri nedeniyle oluşmaktadır.

Gizli enerji, maddelerin faz değişimi sırasında sabit sıcaklıkta soğurduğu veya saldığı enerji olarak tanımlanabilir.

Kimyasal enerji ise atom ve moleküllerin bağlarındaki potansiyel enerji olarak düşünülebilir.

Nükleer enerji ise atom çekirdeğindeki parçacıkların arasındaki etkileşimde depolanan enerjidir.

Kinetik enerji, nesnenin hareketiyle ilgilidir. Nesne ne kadar hızlı giderse kinetik enerjisi de o kadar büyük olur. Eğer cisim hareketsizse kinetik enerjisi de sıfırdır. Bir nesnenin
kinetik enerjisi onun kütlesi, m ve hızına, v bağlıdır. E_k = 1/2mv²

Teknik olarak potansiyel enerji birbirine kuvvet uygulayan nesnelerin oluşturduğu bir sistemin düzenlenmesiyle ilgilidir. Örneğin, yerden belirli yükseklikteki rafta duran topa yerçekimi kuvveti etki etmektedir. Topun durduğu raf çekildiğinde top yerçekimi kuvveti etkisiyle aşağı düşmektedir. Top rafta dururken bulunduğu konuma göre yerçekimi potansiyel enerjisi en yüksek değerindeyken, aşağıya düşmeye başladığında kinetik enerjisi artmakta, potansiyel enerjisi ise azalmaktadır. Eğer top bir yaya bağlı olsaydı top aşağı düşerken kinetik enerjisi azalacak ve yayın elastik potansiyel enerjisi artacaktı. Buradan da anlaşılacağı üzere elastik potansiyel enerji yayın sıkışması ve gevşemesi ile ilgilidir. Bir nesnenin bulunduğu yüksekliğe göre sahip olduğu yerçekimi potansiyel enerjisi: E_p=mgh

Mekanik enerji, bir cismin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına eşittir.

Kimyasal enerji, moleküldeki atomların birleşmesinin ve diğer değişik maddelerin bir araya gelmesinin sonucu olup, elektrik yüklerinin elektrostatik potansiyel enerjisi
olan elektrik kuvvetleriyle yapılan iş olarak tanımlanabilir. Eğer bir sistemin kimyasal enerjisi, kimyasal bir tepkime sırasında azalıyorsa, aradaki fark etrafa ısı veya ışık
biçiminde aktarılmaktadır. Öte yandan, eğer bir sistemin kimyasal enerjisi, kimyasal bir tepkime sırasında artıyorsa, aradaki fark etraftan ısı veya ışık biçiminde sağlanmaktadır.

Elektromanyetik radyasyon, ışık hızında hareket eden elektrik ve manyetik alanın periyodik olarak değişmesiyle ortaya çıkan radyasyondur.

Elektrik enerjisi, görece konumları nedeniyle yüklü parçacıkların bir düzlem içerisinde sahip olduğu enerjidir. Bir başka tanımı da bir manyetik alana bağlı olarak bulundukları konum nedeniyle bir elektrik devresinde sahip oldukları enerjidir.

Enerji ile güç birbiriyle doğru orantılıdır ve güç birim zamanda harcanan enerji olarak tanımlanmaktadır. Bir başka deyişle: Enerji = Güç x Zaman

Nükleer enerji, atom çekirdeğinin daha küçük parçacıklara ayrıldığı fisyon tepkimesi veya iki hafif atom çekirdeğinin bir araya gelerek daha ağır bir çekirdek oluşturduğu füzyon
tepkimesi sonucu açığa çıkar.

Enerjinin Korunumu Kanununu kelimelerle ifade etmek gerekirse Termodinamiğin Birinci Kanununa göre enerji yoktan var, vardan da yok edilemez; sadece aktarılabilir veya bir biçimden başka bir biçime dönüştürülebilir.

Termodinamiğin birinci kanununun daha modern olan açıklamasına göre enerji kinetik, mekanik, potansiyel, kimyasal, elektrik, iç, nükleer, ısı ve iş olarak bulunabiliyor. Bunların her birisi bir başka biçime dönüştürülebilmekte ve toplam enerji sabit kalmaktadır. Bir yakıt yakıldığında kimyasal bağlarının sahip olduğu kimyasal enerji ısı olarak açığa
çıkıyor. Eğer amaç yaşam ortamını ısıtmak ise enerji doğrudan havanın veya sıvının ısıtılmasına verilebilmektedir. Eğer amaç mekanik enerji veya iş yaratmak ise ısı işe dönüştürülmelidir. Bu içten yanmalı motorlarda veya dıştan yanmalı buhar motorlarında olduğu gibi kolaylıkla yapılabilir. Eğer amaç elektrik enerjisi üretmek ise ısı öncelikle mekanik enerjiye daha sonra elektrik enerjisine çevrilmelidir.

Mekanik olarak işleyen bir sürece giren enerjinin çevreye verilen kısmına atık ısı denir.

Enerji kaynaklarını birincil ve ikincil enerji kaynakları olmak üzere iki alt başlık altında değerlendirmek gerekir. Birincil enerji kaynakları, doğadan alındığı gibi kullanılabilen kaynaklardır. İkincil enerji kaynakları ise birincil enerji kaynaklarının işlenerek elektrik enerjisi veya yakıt hâline dönüştürülmesiyle elde edilirler.

Doğadan doğrudan elde edilebilen enerji kaynakları olan birincil enerji kaynaklarını da üç farklı başlık altında toplayabiliriz. Bunlar:
• Yenilenemeyen enerji kaynakları: kömür, ham petrol, doğal gaz ve nükleer yakıt.
• Yenilenebilir enerji kaynakları: Su gücü, biyokütle, güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, jeotermal enerji ve dalga enerjisi.
• Atıklar

İkincil enerji kaynakları, birincil enerji kaynaklarının elektrik enerjisi veya benzin, fuel oil, metanol, etanol ve hidrojen gibi yakıtlara dönüştürülmesiyle elde edilir. Güneş, rüzgâr,
biyokütle, jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerji kaynakları birincil enerji kaynakları olup genellikle kullanılabilir enerji olarak nitelendirilen elektrik veya ısıl enerjiye dönüştürülürler.

Birçok süreçte enerji sürekli olarak bir biçimden diğer bir biçime dönüşmektedir. Buna enerjinin dönüşümü denilmektedir. Örneğin, güneş enerjisi, bitkilerde su ve karbondioksit fotosentez yoluyla besine sentezlenerek kimyasal enerjiye dönüşmektedir. Suyun yüksekten düşüşüyle oluşturduğu mekanik enerji jeneratörlerde elektromanyetik enerjiye dönüşmektedir. İçten yanmalı motorlarda yakıtın potansiyel kimyasal enerjisi önce ısıya, sonra pistonları hareket ettirerek aracın hareket etmesiyle birlikte kinetik enerjiye dönüşmektedir. Bir enerji dönüşüm cihazına veya sürece giren enerji, diğer enerji biçimlerine dönüşürken cihaza veya sürece giren ve çıkan enerjiler birbirine eşittir. Bunun nedeni herhangi bir sistemdeki enerjinin şekil değiştirmesi sırasında enerjinin korunumudur.

Enerji verimi, e, genellikle kullanılabilir enerjinin (E_u), sisteme giren enerjiye (E_i) oranı olarak tanımlanmaktadır. ε = E_u /E_i

Enerjinin verimli kullanımı genellikle enerji tüketiminin azaltılması ve enerji kullanım veriminin arttırılmasıyla gerçekleştirilmektedir. Enerjinin verimli kullanılmasıyla hem ekonomik açıdan hem de çevrenin korunması açısından kazanç sağlanabilir. Örneğin, daha az yakıtla çalışabilen bir motor ile hem yakıt masrafları azalmakta hem de motorun
egzozundan atılan karbondioksit ve azot oksitler gibi hava kalitesini azaltan kirletici gazların miktarı da azalmaktadır.

Enerjinin geri kazanımı ile bir sistemin toplam atık enerjisini azaltarak sistem içerisindeki bir sürecin işletilebilmesi için gerekli olan enerji girdilerinin azaltılması amaçlanmaktadır. Örneğin, bir fabrikada üretilen yüksek sıcaklık ve basınçtaki su buharı öncelikle fabrikanın ihtiyacı olan elektrik enerjisini üretmek için tribünlerde elektrik enerjisine dönüştürülür ve tribünlerden çıkan daha düşük sıcaklık ve basınçtaki su buharı fabrikadaki bir ünitenin ısıtılmasında ve hatta bu üniteden çıkan sıcak su da fabrikanın ısıtılmasında ve sıcak su üretiminde kullanılabilir. Böylelikle fabrikadaki ünitenin ısıtılmasında, fabrikanın ısıtılmasında ve sıcak su üretiminde hem tasarruf sağlanmış olur hem de atmosfere salınan kirleticilerin miktarları azaltılabilir.