Enerji Nedir? Türleri ve Geleceği (Geniş Anlatım)

Çeşitli alanlarda kullanılan terim.

Biyolojide Enerji

Termodinamiğe özgü ilkelerin biyo­lojide, özellikle molekül biyolojisi alanında, hücrelerin yapısının ve işlevlerinin çözümlenmesi konusun­da çok verimli oldukları saptan­mıştır; bu ilkelerin ayrıca, genetik ve evrim gibi daha geniş alanlarda kullanılmaları beklenmektedir. Çeşitli biyolojik dönüşümlerdeki enerji dolaşımı (Çiz. 1), bir ırmağın dağdan aşağı akıp, izlediği yol üstünde çevresine yaşam verme­sinden sonra denizde yok olması gibi, bir akışkanın kaçınılmaz olarak en üst noktadan en alt noktaya akışı biçiminde çizimsel olarak düşünüle­bilir.

“Enerji akışının” tek ve sürekli kaynağı güneş enerjisi, bu enerjinin canlı dünyadaki ilk kullanılışı da, yeşil bitkilerin klorofili aracılığıyla, ışıma enerjisinin kimyasal enerjiye fotokimyasal dönüşümüdür. Da­ha sonraki evreler, çeşitli organiz­malar arasındaki ve her organizma­nın kendi içindeki en çok sayıda alışverişten oluşmuş ve enerjinin çeşitli dönüşümlere (mekanik enerji, elektrik enerjisi, hattâ ışık enerjisi) uğramasıyla ve iş üretimiyle sonuç­lanmıştır. Bunlara da, her dönüşüm­le (sözgelimi ısı, sürtünmeler) bir­likte artan yitimler eşlik eder; söz konusu yitimlerse, insan teknoloji­sinin neden olduğu yapay enerji dönüşümlerindekinden çok daha büyük bir enerji zayıflamasıyla yansır.

Enerji Dönüşümleri

Bütün canlı hücreler, enerjiyi dönüştürmek için, son derece karmaşık sistemlerle donanmışlardır. Moleküllerin boyutunda olan ve her
hücrede çok sayıda raslanan söz konusu sistemler, genellikle, enzimlerdir (bir hücre içindeki özgül kimyasal tepkimeleri katalizleyebi­lecek güçteki proteinler). Bu enzim­ler, herhangi bir dönüşümün ger­çekleştiği organitler içinde küme­lenmişlerdir.

Enerji, canlı organizmaların işleme­si için temel nitelikte olan üç geliş­meye göre biçim değiştirir:

Işılbireşim (fotosentez), karbondioksit gazı (CO2) ve sudan başla­yarak glüsitlerin ve başka besleyici maddelerin özümlenmesinde kulla­nılan kimyasal enerjiyi yaratır.

Solunum, başka bir önemli evredir: Glüsitler (karbonhidratlar) ve başka maddeler (lipitler ve protitler), soğurulan atmosfer ha­vası aracılığıyla yükseltgenmeleri sonunda, daha doğrudan kullanıla­bilecek bir enerji kaynağına dönü­şürler.

Her solumada, yükseltgenmeden serbest kalan enerji, adenozin trifosfat (A.T.P.) oluşmasını sağlayan kimyasal enerjiye dönüşür.

Besleyici moleküllerin yükseltgenmesiyle geri alınan (Çiz. 2) enerji, hücre tarafından bir işin gerçekleştirümesinde kullanılır. Ba­zı organizmalar, son derece özel enerji dönüştürme sistemlerinden yararlanırlar: Bunların arasında, ateşböceklerinin (ışın yaymaları kimyasal enerjinin ışıma enerjisine bir enzimsel dönüşümüdür), bazı özkedibalıklarının ve yılanbalıklarının elektrikli organları, ses organ­ları bütünü sayılabilir.

Elektrik Enejisi ve Magnetik Enerji

Fizikteki anlamıyla enerji bütün kuv­vet, hareket, ısı, elektrik ya da magnetik alan belirtileriyle bağlan­tısı olan soyut bir kavramdır. Enerji kavramı, mekanikte, önce, bir cismin belli miktarda bir iş üretmesi olarak düşünülmüş, daha sonra ısının işe (ve işin ısıya) dönüşmesi, ısının ısı enerjisiyle bir tutulması sonucunu vermiş, aynı biçimde elektrik alanlarına ve magnetik alanlara, elektrik enerjisi ile mag­netik enerjiden başlayarak iş ürete­bilen kuvvetlerin denk düştüğü anla­şılmıştır.

Elektrik Enerjisi

Elektriklenmiş iki cismin birbirini çekmesi ya da itmesi, bir elektrik enerjisinin varlığını gösterir. Bu olay, elektrik alanının ve elektrik potansiyelinin tanımlanmasını sağ­lamıştır. Bir elektrik alanında, aralarında bir U potansiyel farkı olan iki nokta arasında bir q elektrik yükü yer değiştirdiğinde, verilen ya da alınan W enerjisi (hareketin yönüne göre), W = qU olur. Böyle­ce, bir noktadan öbürüne geçen bir elektron, bu noktalar arasında 1 voltluk bir potansiyel farkı uygulan­dığında, 1 elektron-voltluk (yani 1,6. 1CT¹⁹ coulomb X 1 volt = 1.6.1CT¹⁹ joule) bir enerji kazanır. Bir u potansiyel farkı altındaki C sığalı bir kondansatörün yüklenme­si, iki armatür arasında bir E elektrik alanı yaratmaktan başka

bir etki olmaksızın, w = İCU²’lik bir enerji harcaması gerektirir.

Magnetik Enerji

Mıknatısların birbirini çekmesi ya da itmesi bir magnetik enerjinin varlığını gösterir. Akımlarla magne­tik alanların üretilmesi ya da magnetik alanların ve akımların karşılıklı etkisi, elektrik enerjisi ve magnetik enerji arasında sıkı bir bağlantı olduğunu ortaya koyar. Elektromagnetik olaylar, özellikle motorlarda, elektrik enerjisinin ko­laylıkla mekanik işe dönüşmesini sağlarlar. Özindükleme katsayısı (indüktans) L olan bir bobin akımı­nın / şiddetinde olması için

w = 1 l/² enerjisine, yani bir B

magnetik alanı doğuracak harca­maya gereksinim vardır. Bu enerji, kondansatörün boşaltılmasıyla ya da bobinden geçen akımın kesil­mesiyle geri alınabilir.

Elektromagnetik Enerji

Işığın elektromagnetik kuramı, ışı­nımların, elektromagnetik enerji adı verilen bir enerji (ışıma enerjisi) taşıyarak yayılan elektromagnetik dalgalar olduğunu göstermiştir. Çağdaş kuramlarsa, Einstein’m yap­tığı gibi, ışığın taneciksel ve dalgalı iki görünümü bulunduğunu kabul etmekte ve her bir fotona bir h v enerjisi ya da enerji kuvantumu maletmektedirler; burada h Planck değişmezini ( h = 6,62.10 ³⁴ j.s), v de göz önüne alınan ışınımın

frekansını gösterir. Yıldızların yayınladığı enerji olağanüstü büyüklüktedir; sözgelimi,Güneş yılda 10³⁴ Joule’lük bir enerji yayınlar; bu, yaklaşık 3.10²⁷ kWs (saatte 3 milyar kere milyar kere milyar kilovvatt) eder; bu da, kütle ile enerji arasındaki eşdeğerliliğin gösterdiği gibi, yılda 10′⁴ tonluk bir kütle yitimine denk düşer. Nitekim, bağıllık kuramı, bir cismin hızını artırmak için harcanan işin, aynızamanda cismin kütlesinin de artmasını sağladığını ortaya koymaktadır. Einstein, elektronun hareketlerini göz önüne alarak, eylemsizliğin elektromagnetik kökenli olduğunu göstermiştir: Bir cismin kinetik enerjisindeki dW artışı, kütlesindeki dm artışı ile ışığın c₀ hızının karesiyle çarpımına eşittir: dW = dm. c₀². Buradan m kütlesinin co² enerjisine eşit olduğu çıkar; dolayısıyle bir gramlık herhangi bir madde, 25 milyon kVVs’a eşdeğerdir.

Fiziksel Enerji

İş üretebilen sistemlerde enerji var demektir. Bu enerji kavramı fiziğin bütün dallarında, çeşitli biçimlerde ortaya çıkmış, ama açıklığa kavuş­ması yavaş yavaş olmuştur.

İnsan ister kendi çıkarma kullan­mak için bazı doğal kaynaklardan yararlanmaya çalışmış olsun, ister kendi çalışma zorluklarını azaltmayı aramış olsun, enerji önce, en gözle görünür haliyle, mekanik iş biçimin­de ortaya çıkmıştır. Dağlardan vadilere inen su, bir iş üretebilir. Vinç, makara, kaldıraç gibi yalın makineler de daha az emekle, insanın kas gücünü artırabilir. Ama bütün bunlar karşılıksız olmaz ve kuvvette kazanılan, aşılan yolda yitirilir: İş, bir kuvvetle bir yer değişikliğinin çarpımıdır. Dolayısıyla, bütün fiziğe egemen olan enerji­nin korunumu yasası, özellikle işin korunumu biçiminde ortaya çıkar.

Enerjinin Korunumu

Yalın makineler iş üretmezler; bu iş, onları çalıştıran işçi, ya da motor tarafından sağlanır. Söz konusu makineler yalnızca, işi bütünüyle koruyarak görevi kolaylaştırırlar. Bu korunma ancak, sistem değişmez hızla çalışıyorsa açıkça gözlenir;söz- gelimi, bir vincin çalışmaya baş­lamasıyla bazen iş ortadan kalkar, ama yok olmaz: Vincin durmasıyla iş yeniden ortaya çıkar. Olay, makine­nin hızlanmasının başlangıç evre­sinden yararlanmak yoluyla işi depolaması ve yavaşlama anında onu yeniden geri vermesi biçiminde gelişir. Böylece enerji kavramı, somut bir sistem içinde depolanan iş biçiminde ortaya çıkar. Durumu daha yakından inceleyen fizikçiler, gerçekte işin aşağı yukarı her zaman kesin olarak yok olduğunu anlamışlardır. İşin korunumu tam anlamıyla doğrulanmamıştır; yalnız, iş ortadan kalktığında ısı ortaya çıkmaktadır. Yitirilen işin sonucu olarak bu ısının ortaya çıktığını görmek ve yitirilen aynı bir iş için her zaman aynı miktarda enerjinin ortaya çıkıp çıkmayacağını aramak çekici gelmiş, kalorinin mekanik eşdeğerinin, işin ısıya, ısının da işe dönüşmesinin incelenmesiyle, XIX. yy’m başında, Joule ve Carnot’nun temellerini atmış oldukları termo­dinamik doğmuştur.

İç Enerji

Enerjinin korunumu yasasının tam anlamıyla doğrulanması için, ayrı­ca, iç enerji kavramından yarar­lanmak gerekir. Sudan buhara geçişte olduğu gibi, bazı dönüşüm­lerde iş, görünür hiçbir değiş-tokuş olmaksızın yiter; ama burada da gerçek bir yok olma söz konusu de­ğildir. İş, değişmekte olan sistemin kendi içinde depo edilir; depolanan bu iş, iç enerji denilen enerjidir. Enerjinin uygulamalı kullanımı için makroskopik sistemler arasındaki alışverişler göz önüne alınırsa, bu sistemlerin mikroskopik bir iç yapı­ları bulunur: Molekül yapısı. Bir sistemin iç enerjisi, söz konusu mik­roskopik yapıya ilişkin enerjidir: Taneciklerin kinetik enerjisi ve tanecikler arasındaki etkileşmeye bağlı olan potansiyel enerji.

XX. yy’ın başına kadar fizikçiler enerjinin korunumu yasasından ge­niş ölçüde yararlanırlarken, kimya­cılar da bir “korunum yasasından” (Lavoisier’nin “hiçbir şey yok ol­maz. hiçbir şey yaratılmaz” sözüyle dile getirdiği yasa) kütlenin koru­numu yasasından yararlanmaktay­dılar. Bununla birlikte, ağır bir atom çekirdeğinin fisyonu, büyük bir hızla ve bunun sonucu olarak yüksek bir kinetik enerji taşıyarak kaçan hafif çekirdeklerin doğuşuna yol açar. Oysa, fırlatılan kütlelerin toplamı, başlangıçtaki ağır çekir­değin hareketsiz kütlesinden küçük­tür. Einstein, kütle ve enerjinin eş­değerliliğini kabul ederek, yiten kütleyi açıklamakla kalmamış, ayrı­ca iki büyük korunum yasasının ola­ğanüstü bireşimini de gerçekleştir­miştir. Yalıtılmış bir sistem için, kütle ile enerjinin toplamı değişmez­dir. Kütle ile enerji arasındaki eşdeğerlik Einstein’ın şu bağıntısıyla verilir: lE = mc²; burada m, göz önüne alman hızla hareket eden taneciğin kütlesi, c de ışık hızıdır. Dolayısıyle, madde, kendi içinde akıl almaz derecede büyük miktarda enerji bulundurmaktadır. Ayrıca, bu enerjiyi serbest bırakabilmek, sonra da debisini denetleyebilmek gerekir. Hidrojenin kaynaşma tep­kimesi için bu gerçekleşememiştir; çünkü hidrojen için enerji bir kez serbest bırakılınca, henüz ancak H bombasının yıkıcı gücü olarak kul­lanılabilir. Uranyum atomunun nöt­ronlarla bombardımanıyla gerçek­leştirilen uranyumun fisy onuysa, denetlenebilmekte ve nükleer sant- rallarda kullanılan atom pillerinin temel mekanizmasını oluşturmakta­dır.

Yer de bir gezegen olarak, çok büyük bir enerji kaynağıdır: Dönü­şünün neden olduğu kinetik enerji. Burada da zorluk, söz konusu ener­jiyi kullanma olanağından kaynak­lanır; çünkü insanlar Yer’in dönü­şüyle birlikte sürüklenmektedir. Bu­na karşılık, Ay’ın ve fiziksel bir olay olan yerçekiminin varlığı söz konu­sudur. Gelgitler ve gelgit hareket­lerindeki güce dayalı santrallar da bundan kaynaklanmaktadır.

Fiziksel Enerjinin Geleceği

Sonsuz küçük ve sonsuz büyüğün sunduğu bu enerjilerden geniş çapta yararlanmayı beklerken, yük hay­vanlarından petrola kadar uzanan “geleneksel” enerji kaynaklarına yönelmeyi de sürdürmek gerekir. Dünyanın karşı karşıya kaldığı temel sorun, kuşkusuz, taşıma ve kullanım sorunlarının bağlı olduğu enerji kaynaklan sorunudur. Ger­çekten,enerji kaynakları bütünüyle, bulundukları yerde ya da doğrudan doğruya, kullanılabilir halde değil­dir; bu da enerjilerin biçim değiş­tirme sorununu ortaya çıkarmakta­dır. Sözgelimi, bir kaynaktan enerji taşınırken, kaynağın sağlayabile­ceğinden çok enerji harcamak kuş­kusuz anlamsız olmaktadır.

Enerji kaynaklarının çoğu, taşınma­sı özellikle kolay olan elektriğe dönüştürülür. Barajlarda toplanan suyun potansiyel enerjisi buna örnek gösterilebilir. Söz konusu potansiyel enerji, önce baraj vana­larının açılmasıyla kinetik enerjiye çevrilmekte, sonra da düşüşteki kinetik enerji, türbinler yardımıyla, dönme kinetik enerjisine dönüş­türülmekte, bu da elektrik üreteç­lerini (jeneratör) çalıştırmaktadır. Yüksek gerilimli bir elektrik şebeke­si, üretilen elektriği taşıyarak, söz­gelimi, görünür dalga boyu bölge­sinde elektromagnetik enerji haline getirilip aydınlatmada kullanılması­nı sağlar.

Kimyasal Enerji

Tepkimeye yatkın bir ortam, meka­nik, ısı, elektrik, ışık, vb. biçimin­deki enerjiyi soğurabilir ya da üretebilir.

Yanma olaylarında, kimyasal enerji kullanılmakta ve mekanik enerjiye, ısıl enerjiye ya da başka bir enerji biçimine dönüştürülmektedir. Isı verici güç, yani tepkime ısısı, yanıcı maddenin birim kütlesine orantılı olarak kullanılır. Patlayıcı tepkime­lerde, enerjinin büyük bir bölümü mekanik iş halinde, geri kalanıysa ısı halinde ya da ışıma enerjisi olarak açığa çıkar. Pillerde ve akü­mülatörlerde, kimyasal enerji doğ­rudan elektrik enerjisi üretir; buna karşılık, bir elektroliz tepkimesi, böyle bir elektrik enerjisini harcar. Havadaki karbon dioksit gazının klorofile dönüşmesi, ışık enerjisinin soğurulması olmadan gerçekleş- mezken, fosforlu maddeler, kimya­sal değişmelere uğrayarak ışık yayarlar. Dolayısıyle kimyasal ener- jetik, her biri belli bir enerji biçiminin alışverişini konu edinen, çok sayıda dal içerir.

Kimyasal Enerjinin Ölçülmesi

Bir kimyasal tepkime sırasında açığa çıkan (ısıverici tepkime) ya da soğurulan (ısıalıcı tepkime) ısı mik­tarını ölçmek için, olay değişmez hacimde incelenmek isteniyorsa, bir kalorimetre bombası, tepkime değiş­mez basınçta incelenecekse klasik karıştırma yöntemi kullanılır. Isılar, kalori cinsinden belirtilir. Bu ölçüm, kalorimetre (kaloriölçer) yardımıyla yapılır; bununla birlikte ısıların, uluslararası sistemin yasal birimi olan joule cinsinden belirtilmeleri daha yerindedir. Birçok durumda, bu tepkime ısılarını ölçmek zor, hattâ olanaksızdır. Ama, termokimya, bunların ölçülmesine yardımcı olur.

Kimyasal Enerjinin Kaynağı

Söz konusu tepkime ısıları nereden gelmektedir? Bu soruyu yanıtlamak için, kimyasal tepkimenin, bir mo­lekülü oluşturan atomların yeniden düzenlenmesi olduğunu anımsamak gerekir. Oysa, atomlar, bir billur ya da bir molekül içinde, birbirlerine “enerji açısından zengin” bağlarla bağlanırlar. Demek ki tepkime ısısı, moleküllerin bu tepkime sırasında, bir T sıcaklığında parçalanmaları­nın ya da oluşmalarının enerji dengesidir. Sodyum klorür (NaCI) billuru örneğini inceleyelim: Altı tane Naiyonu, criyonunu ve altı tane criyonu, Naiyonunu çevreler (merkez yüzlü kübik yapı). Elektriklenmiş atomlar, birbirlerini çekerler ve bu billur, parçalanmak istenirse, ısıtmak, yani enerji ver­mek yeterlidir (ağ enerjisi, billurun oluşması ya da parçalanması için gereken enerjidir): NaCi – Na* + cr. Ama, bu billur, suda da çözün- dürülebilir.

Burada, başka bir olay ortaya çıkar: İyonların solvatlanması, yani, çözücü moleküllerinin (burada su) Na* ve cr iyonlarını sarması. Söz konusu tepkime, ısı verici bir tepkimedir. Solvatlamayla sağlanan enerji, billuru, en azından dağıt­maya yeterse çözünme gerçekleşe­bilir. Çözünme enerjisi bir kalori­metrede ölçülebilir. Miktarı, önceki iki tanenin toplamına eşittir. Negatif (ısıverici çözünme: Suyun sıcaklığı artar) ya da pozitif (ısıalıcı çözün­me: Suyun sıcaklığı azalır, ayrıca, bir de biz ısıtırsak, çözünme kolay­laşır) olabilir. Bu, sodyum klorür için çok duyarlı bir değişme değildir. Ama, amonyum nitratın çözünmesi, suda 20°C’lık bir sıcaklık düşmesine neden olur: Bu çözünme, soğutucu karışımların hazırlanmasında kul­lanılır.

Mekanik Enerji ve Isı Enerjisi

Dış ortama iş sağlayabilen bir sistemin enerjisi vardır. Böyle bir sistemde, bütünün hareketleri ya da cismin çeşitli bölümleri arasındaki etkileşmeler mekanik enerji kaynağı oluştururlar. Isı enerjisiyse, sistemi oluşturan taneciklerin, öz hareket­lerinden kaynaklanır.

Mekanik Enerji

Bir sistemin mekanik enerjisi, sağ­layabildiği işe dayanarak ölçülür. Bu kavram, insan işi kavramına, yani, bir kütlenin, bir güç harca­narak, yerinin değiştirilmesine denk düşer. Dinamik bilimi, bir F değiş­mez kuvvetinin, başlangıçta hare­ketsiz halde bulunan bir m kütleli cisme uygulandığında, ona, ivmesi, genellikley’yle gösterilen bir hare­ket ilettiğini gösterir. Bu kuvvetin, güç etkisinin çizgisi doğrultusunda,

I uzunluğundaki bir yer değiştirme sırasında ürettiği iş, tanım olarak W = Fl ‘ye eşittir. Bu cisim, ideal koşullarda (hiçbir sürtünme yoksa), alınan işi geri verebilir. Gerçekten, eylemsizlik sayesinde koruyacağı bir v hızıyla kendi haline bırakılmış olan bu cisim, bir çarka bağlanmış bir palete çarparsa, bu çarkı döndürecektir; dolayısıyle bir ener­jisi vardır. Hareketin yol açtığı bu enerji, kinetik enerji diye adlandı­rılır ve E_c = 1/2 mv² bağıntısıyla hesaplanır. Bu bağıntıda, m cismin kütlesi, v de hızıdır.

Zemin üstüne bırakılmış ağır bir bilye, serbest düşüş nedeniyle ya da ağırlığından dolayı, eğik bir düzlem boyunca yuvarlanarak, bir hız kazanabilir. Yer’e göre olan konumu yüzünden, bilye, potansiyel enerji adı verilen bir enerji birikimi taşır ve bu enerjinin, statik bir özelliği vardır. Sistem tarafından depolan­dığında, onun biçimiyle birlikte değişir: Yer-bilye uzaklığı azaldı­ğında, potansiyel enerji de, aynı biçimde azalır. Buna, sistemin iki bölümü arasındaki etkileşme neden olur. Böylece, iki elektrik yükü, iki mıknatıs, iki gezegen arasında, elektrik, magnetik ya da çekim potansiyel enerjilerinin tanımlan­masını sağlayan kuvvetler etki eder­ler. Gerilmiş bir yayda da, onu oluşturan moleküller arasındaki “esnek” etkileşmelerin neden oldu­ğu bir potansiyel enerji vardır. Bu son örnek, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye, kinetik enerjinin de potansiyel enerjiye kolayca dönüş­türülebileceğini gösterir. Bir siste­min mekanik enerjisi, kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamına eşittir. Yalıtılmış bir sistem söz konusu olduğunda, bu toplam değiş­mezdir; yalıtılmış sistemlerde me­kanik enerjisinin korunması, fiziğin temellerinden birini oluşturur. Bu, cisimlerin hareketini ve dalgaların yayılmasının incelenmesini sağlar. Böylece, sesin, gaz içinde iletilmesi, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüşmesine denk düşen art arta sıkışmalar ve genleşmelerden kay­naklanır.

Isı Enerjisi

Isı, çok sayıda fizik olayında ortaya çıkar, Joule’un, kalorinin mekanik eşdeğerini ölçtüğü 1845 yılından bu yana, ısının, potansiyel enerji ya da kinetik enerjiyle aynı nitelikteki bir enerji biçiminden başka şey olma­dığı bilinmektedir. Demek ki, bir sistemin toplam mekanik enerjisini hesaplamak için, ısı enerjisini de göz önünde bulundurmak gerekir. Akışkanlardaki enerji alışverişlerini ve itici kuvvete dönüşümü inceleyen termodinamik, sistemler bütününün hareketleriyle ilgilenmez. Bu du­rumda, kinetik enerji sıfırdır ve bir akışkanın A U iç enerji değişikliği, akışkana sağlanan iş ile bu akışkana verilen ısının toplamı olarak tanım­lanır. Termodinamiğin birinci ilkesi, bu anlatımı, A ü = W + O bağıntısıy­la açıklar. Burada, W dış ortam ile değiştokuş edilen işi, Q ise ısı alışverişlerini simgelemektedir. Isı vererek iş elde etmek için, Carnot, iki ısı kaynağının gerektiğini göster­miştir: Akışkan, sıcak denilen kay­naktan ısı alır ve soğuk deniler kaynağa ısı verir. Demek ki, ısının tümü işe dönüştürülemez. Gerçek­ten, ısı, moleküllerin çalkanüsına, yani, kinetik enerjilerine denk dü­şer. Bu ısıl çalkantı, tam anlamıyla düzensiz olduğundan, kinetik ener­jinin yalnızca, iki kaynak arasındaki sıcaklık değişikliğinden dolayı dü­zenli olan bölümü kullanılabilmek­tedir. Dolayısıyle buharlı makineler türündeki ısıl motorlar, bir sıcak kaynak (yani kazan) ile baca ve üretilen enerjinin bir bölümünü alan atmosferin oluşturduğu bir soğuk kaynaktan oluşmuşlardır. Bu çift ısılı sistem bulunmazsa, enerjinin tümü, moleküllerin kinetik enerji­lerini aynı biçime sokmak için, ısıya dönüşür. Enerji yitimine yol açan da, insan açısından pek kullanışlı olmayan bu enerji dönüşümüdür.

Nükleer Enerji

Çekirdeklerin fisyonu ya da kaynaş­ması sırasında açığa çıkan enerjiye nükleer enerji denir. Çekirdeklerin kohezyonunu (cisimlerin molekülle­rini kendi aralarında bağlayan kuvvet) sağlayan kuvvetler, son derece güçlüdür. Nükleonlardan (protonlar ve nötronlar) hareket ederek çekirdeğin oluşması sırasın­da, bu bileşenlerin kütlelerinin bir bölümü, söz konusu bağı, bağ enerjisi biçiminde sağlarlar. Demek ki, bir atom çekirdeğinin kütlesi, onu oluşturan protonların ve nöt­ronların kütlelerinin toplamından her zaman daha düşüktür. Bu, m kütle yitimini betimleyen E bağ enerjisi,Einstein’ın E = mc² bağıntısı sayesinde hesaplanabilmektedir. Bu bağıntıda, c ışığın hızıdır. Söz konusu enerjilerin belirlenmesi bü­yük önem taşır: Böylece, çekirdekle­rin farklı kararlılıkları anlaşılabilir. Bir çekirdekteki nükleonlar arasın­daki bağ enerjisi arttığı oranda, çekirdek kararlılık kazanır. Çizim, çeşitli çekirdeklerdeki nükleon ba­şına bağ enerjisi değişikliğini, nük­leon sayısının fonksiyonu olarak gös­termektedir. Kütle yitiminin, orta bir değerdeki atom kütlesi olduğu ve demir gibi elementlerde, uranyum, plütonyum gibi ağır elementlerde- kinden ya da hidrojen gibi hafif elementlerindekinden daha büyük olduğu saptanmıştır. En kararlı çekirdekler, yaklaşık 8 MeV’luk (1 megaelektronvolt = 1 000 000 elek- tronvolt) bir bağ enerjisi gösteren geçiş metallerinin çekirdekleridir. Bir uyarılma sonunda, ağır bir çekirdek bölünerek (fisyon) iki ka­rarlı çekirdek verir. Kazanılan enerji, fisyon için gerekli olandan çok daha büyüktür. İki hafif çekir­değin nükleer kaynaşma yoluyla birleşmesi sonunda da, önemli bir enerji elde edilir. Bu tanecikler arasındaki elektriksel iteleme, bir­çok zorluğa neden olduğundan, şimdilik, hidrojenin izotoplarının nükleer kaynaşmasıyla yetinilmektedir.

SONUÇLAR VE UYGULAMALAR

Dünya enerji tüketimi, her on yılda iki kat artmaktadır. Bu artış sürer­se 3.10¹⁶ kWs olarak değer biçilen, fosil enerjisi rezervlerinin (petrol, doğal gaz, kömür, bitümlü yapraktaş) hızlı biçimde tükenece­ği hesaplanmıştır. Bu durumda, yeni enerji biçimlerinin araştırılması, insanlık için gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Yeni kaynaklar arasında da nükleer kaynaşma ve fısyonun ilk sırada yer aldığı, tartışma götürmez bir gerçektir. Denetimli fisyon, nükleer reaktör­lerde gerçekleştirilmekte. açığa çıkan nükleer enerjinin bir bölümü, ısı enerjisi olarak kullanılmaktadır. Böylece, nükleer santrallar elektrik üretmektedirler. Günümüzde yalnız­ca gelinlerde kullanılan nükleer motor, üke olarak nükleer santral- lann donanımını anımsatır. Fisyon sonucu açığa çıkan ısı, basınç altındaki suyun yüksek bir sıcaklığa ulaşmasını sağlar. Bu su, ısısını, basıncı daha düşük olan bir ikincü devrenin buharlaşan sulu değiştiri­cisine üetir. Üretilen buhar, perva­neleri ve elektrik üreteçlerini sürük­leyen türbinleri çalıştırır. Gemiler­deki nükleer motorların üstünlüğü gemüere sağladıkları büyük hareket özerkliğidir. Termonükleer kaynaş­mada, “yakıt” olarak, okyanus sularında olağanüstü miktarda bol bulunan hidrojenin izotoplarından yararlanılmaktadır. Ama, bu kay­naşma tepkimesi, çok fazla enerji açığa çıkarmakla birlikte, söz konu­su enerjinin, H bombasında olduğu gibi, apansızın bütünüyle açığa çıkmasını önlemek için, denetlenme­si gerekmektedir.