Էներգիայի տեսակները

Ի՞նչ է նշանակում էներգիա ունենալ։ Ուղղակի պատկերացրու, թե ինչպես ես քեզ զգում, երբ արթնանում ես առավոտյան։ Եթե շատ էներգիա ունես, նշանակում է՝ արդեն արթուն ես, պատրաստ ես օրվան և կարող ես անել այն ամենը, որ պլանավորել ես անել օրվա ընթացքում։ Եթե դու էներգիա չունես (գուցե չես ստացել քո 8-ժամյա քունը), ապա հնարավոր է՝ ցանկություն չունենաս անկողնուց վեր կենալու կամ անելու այն աշխատանքը, որը որոշել էիր կատարել։

Չնայած այն փաստին, որ սա էներգիայի առօրեական և ոչ գիտական բացատրությունն էր, այն շատ ընդհանրություններ ունի էներգիայի ավելի պաշտոնական սահմանման հետ (և կարող է ծառայել որպես հեշտ ճանապարհ՝ գիտական սահմանումը հիշելու համար)։ Այսպիսով՝ էներգիա բառը սահմանվում է որպես աշխատանք կատարելու կարողություն, որը կենսաբանության մեջ կարելի է մեկնաբանել որպես որևէ փոփոխություն կատարելու կարողություն։ Էներգիան կարող է մի քանի տարբեր ձևեր ընդունել։ Մենք ծանոթ ենք, օրինակ, լույսի, ջերմության և էլեկտրական էներգիային։

Արի դիտարկենք էներգիայի մի քանի տեսակ, որոնք շատ կարևոր են կենսաբանական համակարգերի համար։ Այդպիսիք են կինետիկ էներգիան (շարժման էներգիա), պոտենցիալ էներգիան (կախված դիրքից և կառուցվածքից) և քիմիական էներգիան (քիմիական կապերի պոտենցիալ էներգիան)։ Էներգիան երբեք չի կարող ոչնչանալ, բայց կարող է փոխակերպվել մի տեսակից մյուսը։

Երբ մարմինը շարժվում է, վստահ կարող ենք ասել, որ պարունակում է որոշակի էներգիա։ Բայց ինչո՞ւ։ Շարժվող մարմիններն ի վիճակի են փոփոխություն առաջացնելու, կամ նրանք ի վիճակի են աշխատանք կատարելու։ Օրինակ՝ պատկերացրու թելից կախված հսկայական գունդ, որն օրորվում է։ Եթե նույնիսկ շարժումը շատ դանդաղ է, այդ գունդը կարող է հսկայական վնաս հասցնել այլ մարմիններին, ասենք՝ հսկայական շինություններ քանդել։ Սակայն եթե գունդը չի շարժվում, այն ի վիճակի չէ որևէ աշխատանք կատարելու (ոչ էլ նույնիսկ շինություններ քանդելու)։

Այն էներգիան, որն ասոցացվում է մարմնի շարժման հետ, կոչվում է կինետիկ էներգիա։ Ատրճանակից արձակված փամփուշտը, քայլող մարդը, էլեկտրամագնիսական ալիքը (օրինակ՝ լույսը), բոլորը որոշակի կինետիկ էներգիա ունեն։ Կինետիկ էներգիայի մեկ այլ օրինակ է ատոմների և մոլեկուլների քաոսային շարժումը։ Սա կոչում են նաև ջերմային էներգիա։ Որքան շատ է ջերմային էներգիան, այնքան մեծ է ատոմային շարժման կինետիկ էներգիան, և հակառակը։ Մոլեկուլների միջին ջերմային էներգիան հենց այն է, ինչ կոչում ենք ջերմաստիճան, և երբ այդ էներգիան փոխանցվում է մի մարմնից մյուսը, այն կոչվում է ջերմություն։

Արի վերադառնանք պարանից կախված մեր գնդի օրինակին։ Անշարժ գունդը որևէ կինետիկ էներգիա չունի, բայց ի՞նչ կլիներ, եթե գունդը բարձրացվեր երկրորդ հարկի բարձրության և կախված մնար մեքենայի վերևում։ Այս դեպքում գունդը չի շարժվում, բայց որոշակի էներգիա շարունակում է զուգորդվել մարմնի հետ։ Այս գնդի էներգիան աշխատանք կատարելու պոտենցիալ էներգիան է (այս դեպքում՝ վնաս)։ Եթե գունդը բաց թողնենք, այն կճզմի իրենիվ ներքև եղած մեքենան։ Հետևաբար որքան ծանր է գունդը, այնքան մեծ է էներգիան, որը զուգորդվում է մարմնի հետ։

Էներգիայի այս տեսակը հայտնի է որպես պոտենցիալ էներգիա․ այս էներգիան կախված է մարմնի դիրքից կամ կառուցվածքից։ Որպես օրինակ՝ նշենք, որ քիմիական կապերի էներգիան կապված է մոլեկուլի կառուցվածքի և ատոմների՝ միմյանց նկատմամբ դիրքի հետ։ Այսպիսով՝ քիմիական էներգիան, որ պահեստավորված է քիմիական կապերում, համարվում է պոտենցիալ էներգիայի տեսակ։ Պոտենցիալ էներգիայի ամենօրյա օրինակ է ջրի էներգիան, որը պահվում է ամբարտակներում, կամ մարդու էներգիան, որ պատրաստվում է օդապարիկով թռիչք կատարել ուղղաթիռից։

Մարմնի էներգիան կարող է փոխակերպվել մի տեսակից մյուսը։ Արի վերադառնանք պարանով կախված գնդի օրինակին։ Երբ այն ուղղակի կախված է որոշակի բարձրության վրա, այն կինետիկ էներգիա չունի, բայց ունի հսկայական քանակությամբ պոտենցիալ էներգիա։ Երբ այն բաց է թողնվում, ազատ անկման արագության շնորհիվ արագությունը, հետևաբար նաև կինետիկ էներգիան, սկսում է աճել։ Միևնույն ժամանակ պոտենցիալ էներգիան աստիճանաբար նվազում է, քանզի գնդի և հատակի միջև հեռավորությունը կրճատվում է։ Գետնին հարվածելուց անմիջապես առաջ մարմինն ունի հսկայական կինետիկ էներգիա և համարյա զրոյական պոտենցիալ էներգիա։

Նմանատիպ ձևափոխումներ հնարավոր են նաև քիմիական էներգիայի դեպքում, և մենք կարող ենք հարյուրավոր օրինակներ նկատել մեր ամենօրյա կյանքում։ Օրինակ՝ օկտանը, որ բենզինում պարունակվող ածխաջրածին է, ունի քիմիական էներգիա (պոտենցիալ էներգիա)՝ իր մոլեկուլային կառուցվածքի շնորհիվ, որը ցույց է տրված վերևում։ Այդ էներգիան կարող է օգտագործվել մեքենայի շարժիչում, երբ բենզինն այրվում է՝ արտազատելով բարձր ջերմաստիճանային գազեր, որոնք էլ շարժիչին, ապա նաև մեքենային ստիպում են առաջ շարժվել (կինետիկ էներգիա)${}^1$‍։ Պոտենցիալ էներգիայի մի մասը փոխակերպվում է կինետիկ էներգիայի, իսկ մյուս մասը ջերմություն է դառնում և արտազատվում մթնոլորտ։

Կենդանի օրգանիզմներում էներգիան մի տեսակից մյուսն է փոխակերպվում ճիշտ նույն կերպ։ Օրինակ՝ ԱԵՖ-ի փոքրիկ մոլեկուլում պահեստավորված էներգիան (պոտենցիալ էներգիա) կարող է օգնել մկանային բջիջներին՝ շարժելու վերջույթը (կինետիկ էներգիա)։