انرژی پتانسیل

انرژی پتانسیل انرژی ای است که به دلیل موقعیت جسم نسبت به سایر اشیاء، تنش درونی، بار الکتریکی و یا عوامل دیگر در هر جسم ذخیره می شود.

از انواع رایج انرژی پتانسیل می توان انرژی پتانسیل گرانشی یک جسم را نام برد که به جرم جسم و فاصله آن از مرکز جرم جسم دیگر، بستگی دارد. انرژی پتانسیل کششی یک فنر کشیده شده و انرژی پتانسیل الکتریکی یک بار الکتریکی در یک میدان الکتریکی نیز از دیگر از انواع انرژی پتانسیل هستند. واحد انرژی در سیستم بین المللی واحد ها (SI) ژول است که با نماد J نمایش داده می شود.

این واژه توسط مهندس و فیزیکدان اسکاتلندی، ویلیام رانکین (William Rankine) در قرن نوزدهم معرفی شد، هر چند که این واژه دارای مفاهیم پتانسیلی فیلسوف یونانی، ارسطو است.

انرژی پتانسیل ۱

این انرژی وابسته به تمام نیروهایی است که بر روی جسم عمل می کنند. به این ترتیب که کل کار انجام شده توسط این نیروزها بر روی جسم فقط به موقعیت اولیه و نهایی جسم در فضا بستگی دارد. این نیروها، که نیرو های پایسته نامیده می شوند، می توانند در هر نقطه ای از فضا به وسیله ی بردار هایی که به صورت گرادیان یک تابع اسکالر به نام پتانسیل بیان می شوند، نمایش داده شوند.

از آنجا که کار نیرو های پتانسیل بر روی جسم از یک حالت اولیه به یک موقعیت نهایی تغییر می کند، این تغییرات تنها با این دو موقعیت تعیین می شود و به مسیر تغییرات جسم بستگی ندارد. برای این کار تابع شناخته شده ای به عنوان پتانسیل وجود دارد که می تواند در دو موقعیت ابتدایی و انتهایی میزان کاری که نیرو های پتانسیل به جسم وارد کرده اند را محاسبه کند.

انرژی پتانسیل ۲

بررسی کلی

انواع مختلفی از این انرژی وجود دارد که هر کدام با نوع خاصی از نیرو مرتبط هستند. به عنوان مثال، می توان کار نیروی کششی یعنی انرژی پتانسیل الاستیک را نام برد، از سوی دیگر نیز کار نیروی گرانشی، انرژی پتانسیل گرانشی نامیده می شود و کار نیروی کولمب را انرژی الکتریکی پتانسیل می نامیم. کار نیروی هسته ای قوی یا نیروی هسته ای ضعیف که بر روی باریون ها اعمال می شود، انرژی هسته ای پتانسیل نامیده می شود و کار نیرو های بین مولکولی انرژی پتانسیل بین مولکولی نامیده می شود. انرژی پتانسیل شیمیایی، مانند انرژی ذخیره شده در سوخت های فسیلی و انرژی پتانسیل حرارتی از دیگر انواع این انرژی های پتانسیلی هستند.

این انرژی اغلب با بازگرداندن نیرو هایی مانند نیروی کشش فنر یا نیروی جاذبه همراه است. عمل کشش فنر یا بلند کردن جرم توسط یک نیروی خارجی انجام می شود. که بر خلاف میدان نیروی پتانسیل عمل می کند. این کار در میدان نیرو ذخیره می شود که گفته شده است به عنوان پتانسیل ذخیره می شود. اگر نیروی خارجی برداشته شود، میدان نیرو بر روی جسم عمل می کند تا آن را به موقعیت اولیه باز گرداند، یعنی در این مثال ها سطح کشش فنر را کاهش می دهد و یا باعث سقوط جسم خواهد شد.

سطح مرجع

این انرژی تابعی از حالتی است که سیستم در آن قرار دارد و در مقایسه با آن حالت است که برای این سیستم انرژی پتانسیل را تعریف می کنیم. این حالت مرجع همیشه یک حالت واقعی نیست. برای این کار هر حالت مرجع دلخواهی می تواند مورد استفاده قرار گیرد، بنابراین می توان بر اساس راحتی در محاسبات سطح مرجع سیستم را انتخاب کرد.

به طور معمول، انرژی پتانسیل یک سیستم بستگی به موقعیت نسبی آن دارد، بنابراین حالت مرجع نیز می تواند به صورت موقعیت نسبی بیان شود.

انرژی پتانسیل گرانشی

مرتبط با نیروی گرانشی است، زیرا همواره برای غلبه ی اجسام بر گرانش زمین لازم است که کار انجام گیرد. انرژی پتاسیل ناشی از ارتفاع از سطح زمین، انرژی پتانسیل گرانشی نامیده می شود و نمونه ای از این انرژی در آبی که در یک مخزن بزرگ یا در پشت سد نگهداری شده است، یافت می شود. اگر یک جسم از یک نقطه به نقطه دیگر همسوی میدان گرانشی حرکت کند، نیروی گرانش کار مثبتی بر روی جسم انجام می دهد و انرژی پتانسیل گرانشی با همان مقدار کاهش می یابد.

انرژی پتانسیل ۳

انرژی پتانسیل شیمیایی

شکلی از انرژی پتانسیل است که مربوط به ترتیب ساختاری اتم ها یا مولکول ها است. این ترتیب ممکن است نتیجه پیوندهای شیمیایی درون یک مولکول و یا انواع دیگری باشد. انرژی شیمیایی یک ماده شیمیایی می تواند با یک واکنش شیمیایی به شکل های دیگر انرژی تبدیل شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک سوخت سوزانده می شود، انرژی شیمیایی به گرما تبدیل می شود، همین امر در مورد هضم مواد غذایی در یک ارگانیسم زیستی نیز صادق است. گیاهان سبز تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی را از طریق فرآیند شناخته شده ای به عنوان فتوسنتز انجام می دهند و حتی انرژی الکتریکی را می توان از طریق واکنش های الکتروشیمیایی به انرژی شیمیایی تبدیل کرد.

انرژی پتانسیل هسته ای

انرژی پتانسیل هسته ای، انرژی پتانسیل ذرات داخل هسته اتمی است. ذرات هسته ای با نیروی هسته ای قوی به یکدیگر متصل می شوند. نیروهای هسته ای ضعیف نیز انرژی پتانسیل را برای انواع خاصی از انفجار رادیواکتیو، مانند انحلال بتا، فراهم می کنند.