ऊर्जा

ऊर्जा

कार्य करण्याची क्षमता म्हणजे ऊर्जा. डोंगरमाथ्यावरील तलावातील पाण्यात (स्थितिज, स्थितीमुळे प्राप्त झालेली) ऊर्जा असते. त्या ऊर्जेचा उपयोग करून डोंगराच्या पायथ्याशी ठेवलेले टरबाइन (वक्र पाती असलेले चक्र) फिरवून यांत्रिक कार्य घडविता येते. तसेच ताणलेल्या किंवा संकोचित मळसूत्री स्प्रिंगमध्ये यांत्रिक ऊर्जा साठविलेली असते कारण तिच्यावरील बंधन जाताच ती पूर्वस्थितीत येताना यांत्रिक कार्य करू शकते. विद्युत् भारित धारित्रात (विद्युत् भार साठविणाऱ्या साधनात) विद्युत् ऊर्जा असते. बंदुकीच्या दारूतही सुप्त रासायनिक ऊर्जा असते. पृथ्वीच्या पोटात कल्पनातीत ऊष्मीय ऊर्जा आहे. कधीकधी ऊर्जेची व्याख्या पुढीलप्रमाणे करतात : 'एखाद्या वस्तूने अगर संहतीने (वस्तूंच्या समुदायाने) दुसऱ्या वस्तूला अगर संहतीला कार्य समर्पण केले असता पहिल्या वस्तूच्या अगर संहतीच्या ज्या गुणधर्मात तितक्याच कार्याची घट होते त्या गुणधर्मास ऊर्जा म्हणतात'. या व्याख्येनुसार ऊर्जेचे पुढील निरनिराळे प्रकार प्रत्ययास येतात : (१) यांत्रिक, (२) ऊष्मीय, (३) रासायनिक, (४) ध्वनीय, (५) प्रकाशीय, (६) विद्युत् चुंबकीय आणि (७) आण्विय. शिवाय वस्तुमान हेही ऊर्जेचे सुप्त रूपच आहे. या लेखात मुख्यतः यांत्रिक व ऊष्मीय ऊर्जाचाच विचार केला आहे.

ऊर्जेला दिशा नसते. तिची राशी कार्याच्या (प्रेरणा X अंतर) परिमाणातच मोजतात. अभियांत्रिकीसारख्या व्यावहारिक विज्ञानात मीटर-किलोग्रॅम, मीटर-टन किंवा सेंमी.-टन यांसारखी (गुरुत्व पद्धतीची; या पद्धतीत अंतर, काल व प्रेरणा या मूलभूत राशी धरतात) परिमाणे ऊर्जेच्या मापनासाठी रूढ आहेत. भौतिकी व तत्सम शुद्ध विज्ञानांत अर्ग, मीटर-न्यूटन व ज्यूल  (निरपेक्ष पद्धतीची; यात अंतर, काल व वस्तुमान मूलभूत धरतात) किंवा किलोवॉट-तास (विद्युतीय) वगैरे परिमाणे रूढ आहेत. ऊर्जेचे वैशिष्ट्य असे आहे की, ती आपणास उत्पन्न करता येत नाही किंवा तिचा नाशही करता येत नाही. आपणास फक्त तिचे रूप बदलता येते. या विधानालाच ऊर्जेच्या अक्षय्यतेचा सिद्धांत म्हणतात. यावरून एक निष्कर्ष काढता येतो, तो म्हणजे विश्वातील एकंदर ऊर्जेचे मूल्य कायम आहे. ऊर्जेचे तीन प्रकार आहेत : स्थितिज, गतिज (गतीमुळे प्राप्त झालेली) आणि अंतर्गत.

स्थितिज ऊर्जा

वस्तूतील स्थितीज ऊर्जा, तिचे वजन व (गुरुत्व पद्धती) किंवा वस्तुमान व X गुरुत्व (निरपेक्ष पद्धती; येथे गुरुत्व म्हणजे गुरुत्वीय प्रवेग) आणि संदर्भ प्रतलापासूनची उंची उ यांच्या गुणाकाराने (व X उ) किंवा (व X गु X उ) मिळते. एक लोखंडी गोळा उंचावरून सरळ जमिनीवर खाली पडला, तर जमिनीला इजा पोहोचते किंवा तेथे खळगा पडतो – म्हणजे काही कार्य होते. उंचीवर असताना लोखंडी गोळ्यात ऊर्जा असते याचा हा पुरावा आहे, नुसता जमिनीवर ठेवलेला गोळा हे कार्य करीत नाही. ताणलेल्या किंवा संकोचित केलेल्या स्प्रिंगेमध्ये ऊर्जा असते ती स्थितिज प्रकारचीच असते. पण ती गुरुत्वजनित नसून स्प्रिंगेच्या धातूच्या स्थितिस्थापकतेमुळे उत्पन्न झालेली असते.

गतिज ऊर्जा रूळमार्गी गाडी वेगात असताना एंजिनाची  चालक शक्ती बंद केली तरी, ती गाडी थांबेपर्यंत बरेच अंतर जाते. म्हणजे चालक शक्ती बंद असूनही कार्य होते. याचा अर्थ वेगातील रूळमार्गी गाडीत व त्याचप्रमाणे कोणत्याही गतिमान वस्तूत ऊर्जा असते. हिलाच गतिज ऊर्जा म्हणतात. वस्तू एका सरळ रेषेत जात असता तिच्या गतिज ऊर्जेचे मूल्य व X वे२ (गुरुत्व पद्धती) किंवा २ गु व X वे (निरपेक्ष पद्धती) असते.

२

येथे वे म्हणजे वस्तूचा सरळ रेषेतील वेग आहे. रूळमार्गी गाडी स्थिर वेगाने धावत असताना एंजिनाची सर्व शक्ती गाडीच्या गतीला होणारा विरोध सहन करून गाडीचा वेग कायम राखण्यात खर्च होत असते. रूळमार्गी गाडी किंवा इतर कोणतेही वाहन सुरू करताना त्याला वेग देण्यासाठी जी चालक शक्ती वापरली जाते त्यातील काही भाग गतिज ऊर्जेच्या स्वरूपात साठतो व चालक शक्ती बंद केल्यावर या साठलेल्या ऊर्जेने गाडी काही काळ वेळ गतिमान राहते. साठलेली ऊर्जा संपली म्हणजे गाडी थांबते. यामिकीतील (प्रेरणांची वस्तूंवर होणारी क्रिया व त्यामुळे निर्माण होणारी गती यांचा अभ्यास करणाऱ्या शास्त्रातील) सिद्धांतानुसार वस्तूमानाला वेग आला म्हणजे त्याला गतिज ऊर्जा प्राप्त होते.

जेव्हा एखादी वस्तू किंवा संहती आपल्या स्थिर गुरुत्व अक्षाभोवती फिरत असते, उदा., एंजिनाचे प्रचक्र किंवा टरबाइनाचा घूर्णक (फिरणारा भाग), तेव्हा त्याची गतिज ऊर्जा नि X को२ असते. यामध्ये नि हे फिरणाऱ्या अक्षाच्या संदर्भाने घूर्णकाचे निरूढी परिबल (कोनीय प्रवेगाला वस्तूच्या होणाऱ्या रोधाचे मान) आहे आणि को हा घूर्णक फिरण्याचा कोनीय वेग आहे. जर वस्तू फिरत असून तिचा अक्ष पुढे जात असेल (उदा., रूळमार्गी गाडीचे चाक), तर त्या वस्तूची एकूण ऊर्जा पुढीलप्रमाणे असेल : एकूण ऊर्जा = स्थानांतरण ऊर्जा + परिभ्रमण ऊर्जा=व X वे२+नि X को२ (गुरूत्व पद्धती).२ गु

अंतर्गत ऊर्जा : संपीडित (दाब देऊन संकोचित केलेला) वायू किंवा वाफ अशा पदार्थातील ऊर्जेच्या अस्तित्वाला त्यामधील अणूंच्या व रेणूंच्या आपसातील प्रेरणा व गती कारण असतात. वस्तूच्या तपमानाने या ऊर्जेचा सहज प्रत्यय येतो. तपमानावर अवलंबून असलेली अंतर्गत ऊर्जा वस्तूच्या स्थितिज आणि गतिज ऊर्जेपेक्षा निराळी असते. समजा, एका उभ्या सिलिंडरामध्ये भारित दट्ट्याखाली काही वायू आहे. त्याला उष्णता पुरविली तर तो वायू प्रसरण पावून दट्ट्या वर सरकेल व त्याचे तपमानही वाढेल म्हणजे वायूच्या अंतर्गत ऊर्जेतही वाढ होईल. अशावेळी वायूतील अंतर्गत ऊर्जावाढ = उष्णता आदान- दट्ट्यावर झालेले कार्य (उष्णता एककांत).

ऊर्जेचे रूपांतर

ऊर्जा उत्पन्न करणे किंवा तिचा नाश करणे हे माणसाला शक्य नसले, तरी तिला, आपणास पाहिजे असेल तसे, दुसरे रूप देता येते. सौर विद्युत् घट वापरून उन्हाने सरळ वीज उत्पन्न करता येते. प्राथमिक विद्युत् घट वापरून रासायनिक ऊर्जेचे विजेत रूपांतर करता येते. कोळसा अथवा खनिज तेल अशा कार्बनयुक्त द्रव्यातील रासायनिक ऊर्जेचे ऑक्सिडीकरणाने (ज्वलनाने) प्रथम उष्णतेत व नंतर एंजिनाच्या साहाय्याने यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करता येते. वाफेतील उष्णतेमुळे एंजिनातून किंवा टरबाइनाद्वारा यांत्रिक ऊर्जा मिळते. जनित्राद्वारा या यांत्रिक ऊर्जेचे विद्युत् ऊर्जेत रूपांतर करता येते व चलित्राद्वारा (मोटरद्वारा) विद्युत् ऊर्जेचे पुन्हा यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करता येते. भरती-ओहोटीच्या पाण्यातील स्थितिज ऊर्जा अंकित करून तिच्यापासून यांत्रिक शक्ती व विद्युत् शक्ती उत्पन्न करणे आता शक्य झाले आहे. पवनचक्कीच्या साहाय्याने वाऱ्यातील गतिज ऊर्जेपासून यांत्रिक शक्ती मिळवता येते. वाऱ्यातील गतिज ऊर्जेने गलबत चालते. ध्वनिग्राहकामध्ये ध्वनीचे विजेत रूपांतर होते व ध्वनिक्षेपकात विजेचे ध्वनीत रूपांतर होते.

आइन्स्टाइन यांच्या सिद्धांतानुसार वस्तुमान व ऊर्जा परस्परांत रूपांतरित होत असताना म्हणजे अणूंचे भंजन (फुटणे) किंवा संघटन (एकत्र येऊन संयोग होणे) होताना प्रचंड उष्णतेचे उत्सर्जन होते. अणुकेंद्रीय शक्ती-संयंत्रांत (शक्ती निर्माण करणाऱ्या यंत्रसंचात) अशा उष्णतेचा उपयोग करून वाफेच्या साहाय्याने प्रथम यांत्रिक शक्ती व तिच्यापासून जनित्राच्या साहाय्याने विद्युत् शक्ती उत्पन्न करतात.

वर दिलेल्या काही उदाहरणांवरून व्यवहारात ऊर्जेचे रूपांतर कसे होते याची कल्पना येईल.

 

ओगले, कृ. ह.

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश