İş, Güç ve Enerji konu anlatımı

Konu anlatımı

Günlük dilde ders çalışmak da bir iştir; fizikte ise iş, bir kuvvetin bir cismi kendi doğrultusunda yer değiştirmesiyle ortaya çıkar. Enerji iş yapabilme yeteneğidir, güç ise işin ne kadar hızlı yapıldığını gösterir. Bu üç kavram bir motorun gücünden bir barajın elektrik üretimine, vücudumuzun besinlerden enerji kazanmasına kadar birçok olayı açıklar.

Bu sayfada işi, gücü, kuvvet-konum grafiğini, kinetik ve potansiyel enerjiyi, enerjinin korunumunu ve dönüşümlerini, verimi ve enerji kaynaklarını göreceksin. TYT'de sayısal hesap yalnızca iş ve güç için, hareketle aynı doğrultudaki kuvvetlerle yapılır; kinetik ve potansiyel enerji, enerji dönüşümleri ve verim nitel olarak işlenir.

Fiziksel anlamda iş

Bir cisme etkiyen kuvvet cismi kendi doğrultusunda yer değiştiriyorsa fiziksel anlamda iş yapılmış olur: W = F·Δx. İşin birimi joule'dür (J); 1 J = 1 N·m'dir. Kuvvet hareketle aynı yöndeyse iş pozitif, zıt yöndeyse negatiftir. Cisim yer değiştirmiyorsa ya da kuvvet hareket doğrultusuna dikse kuvvet iş yapmaz: duvarı iten kişi yorulur ama duvar yerinden oynamadığı için fiziksel anlamda iş yapmaz.

Güç

Birim zamanda yapılan işe güç denir: P = W/t. Gücün birimi watt'tır (W); 1 W = 1 J/s ve 1 kW = 1000 W'tır. Aynı işi daha kısa sürede yapan makine daha güçlüdür. Elektrikli aletlerin üzerindeki güç değeri, aletin her saniye ne kadar elektrik enerjisini başka biçimlere dönüştürdüğünü gösterir.

Kuvvet-konum grafiği

Kuvvetin konuma göre değiştiği durumlarda iş, kuvvet-konum grafiğinin altında kalan alana eşittir; konum ekseninin altında kalan alan negatif işi gösterir. Net kuvvetin yaptığı iş cismin kinetik enerjisini değiştirir: net iş pozitifse kinetik enerji artar, negatifse azalır, sıfırsa değişmez. TYT'de grafikten iş bulunabilir, ama kinetik enerjideki değişim yalnızca nitel olarak yorumlanır.

Kinetik ve potansiyel enerji

Hareket eden bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye öteleme kinetik enerjisi denir: Ek = ½·m·v²; kütle ve sürat arttıkça artar. Bir cismin yerden yüksekliğinden dolayı sahip olduğu enerjiye yer çekimi potansiyel enerjisi denir: Ep = m·g·h; kütle ve yükseklik arttıkça artar. Sıkıştırılmış ya da gerilmiş bir yayda depolanan enerjiye esneklik potansiyel enerjisi denir: ½·k·x². Kinetik ve potansiyel enerjinin toplamına mekanik enerji denir. TYT'de bu bağıntılar değişkenleri yorumlamak için kullanılır; enerji değerleri hesaplatılmaz.

Enerjinin korunumu ve dönüşümleri

Enerji yoktan var edilemez, var olan enerji yok edilemez; yalnızca bir biçimden başka bir biçime dönüşür ve toplam enerji korunur. Sürtünmesiz bir ortamda mekanik enerji korunur: belli bir yükseklikten bırakılan bir cismin potansiyel enerjisi azalırken kinetik enerjisi aynı miktarda artar. Sürtünme varsa mekanik enerjinin bir kısmı ısıya dönüşür; bu yüzden enerjinin tamamı hedeflenen biçime dönüştürülemez, ama ısıyla birlikte toplam enerji yine korunur. Canlılar besinlerdeki kimyasal enerjiyi kullanır ve fiziksel anlamda iş yapmadan da enerji harcar.

Verim

Bir makineye verilen enerjinin ne kadarının istenen biçimdeki yararlı enerjiye dönüştüğünü gösteren orana verim denir. Sürtünme ve ısı kayıpları yüzünden hiçbir makinenin verimi %100 olamaz. LED lamba, aynı ışığı akkor lambadan çok daha az elektrik enerjisiyle verdiği için daha verimlidir. Binalarda ve elektrikli ev aletlerinde enerji kimlik belgesi, A'dan G'ye kadar harflerle enerji verimliliğini gösterir. TYT'de verim yalnızca kavram olarak işlenir; verim hesabı yapılmaz.

Enerji kaynakları

Kullanıldıkça kısa sürede yenilenen güneş, rüzgâr, su (hidroelektrik), jeotermal, dalga ve biyokütle enerjisine yenilenebilir enerji kaynakları denir. Kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar ile nükleer yakıtlar ise yenilenemez kaynaklardır. Kaynaklar maliyet, erişilebilirlik, üretim kolaylığı ve çevreye etkileri bakımından karşılaştırılır; hangi kaynak kullanılırsa kullanılsın enerjiyi tasarruflu kullanmak gerekir.

Çözümlü örnekler

Sık yapılan hatalar

• Kuvvet uygulanan her durumda iş yapıldığını sanmak; cisim kuvvet doğrultusunda yer değiştirmezse iş yapılmaz.
• Harekete zıt yöndeki kuvvetin işini pozitif almak.
• Güç ile enerjiyi karıştırmak: güç, birim zamanda yapılan iş ya da aktarılan enerjidir.
• Sürtünmeli ortamda enerjinin yok olduğunu düşünmek; mekanik enerji azalır ama toplam enerji korunur.
• Bir makinenin veriminin %100 olabileceğini sanmak.