by 
Σε διπλανή ανάρτηση του Τάσου Αθανασιάδη: Τι αποθηκεύεται στο ελατήριο; έχει γίνει μια ανταλλαγή επιχειρημάτων για το ελατήριο και το αν είναι αντικείμενο το οποίο μελετάμε ή ένα μοντέλο που απλά “υλοποιεί” ένα πεδίο δύναμης της μορφής F=-Dx. Στη συζήτηση παρενέβη ο Νίκος Παναγιωτίδης, γράφοντας:
“Τι είναι η ενέργεια; η ενέργεια είναι ιδιότητα των σωμάτων. Μπορεί να μετρηθεί έμμεσα μετρώντας άλλες ιδιότητες (πχ ταχύτητα, θερμοκρασία) και δίνοντας τις τιμές αυτών στη συναρτησιακή σχέση που τις συνδέει με την ενέργεια.
Η ενέργεια δεν “αποθηκεύεται”. Η ενέργεια δεν “μεταφέρεται”. Η ενέργεια απλώς “μεταβάλλεται”. Και η μεταβολή της είναι ίση με το έργο που έγινε στο σύστημα.”
Προτείνω λοιπόν να συζητήσουμε τις θέσεις αυτές, σε ξεχωριστή συζήτηση, κάνοντας και αρχή στη νέα χρονιά.
Τι λέτε συνάδελφοι; Η ενέργεια δεν αποθηκεύεται; Είναι λάθος να μιλάμε για αποθήκες ενέργειας;
Δεν μεταφέρεται η ενέργεια; Στο σχήμα που δίνεται παραπάνω, αν πάρω ως σύστημα ελατήριο – σώμα Α, πράγματι η ενέργειά του παραμένει σταθερή, αφού δεν παράγεται έργο πάνω στο σύστημα.
Αν πάρω ΜΟΝΟ το σώμα Α, δεν παράγεται έργο πάνω του από την δύναμη F; Μέσω αυτού του έργου, δεν κερδίζει ενέργεια το σώμα Α; Και αν παράγεται έργο, ποιος ασκεί αυτή τη δύναμη; Δεν είναι το ελατήριο; Και δεν μειώνεται η ενέργεια του ελατηρίου, αφού παράγει έργο;
Αλλά τότε μέσω αυτής της αλληλεπίδρασης, δεν μεταφέρεται τελικά ενέργεια από το ελατήριο στο σώμα Α;
Τι ακριβώς εννοεί ο Νίκος; Και, τι λέτε εσείς συνάδελφοι;
Διονύση, σ΄ ευχαριστώ για την καινούργια συζήτηση που άνοιξες. Μου δίνει την ευκαιρία να εκθέσω για άλλη μια φορά τις απόψεις μου.
Όταν λέμε «η ενέργεια μεταφέρεται» έχουμε στο πίσω μέρος του μυαλού μας την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Αν αυτή την αρχή δεν μας την είχε διδάξει ποτέ κανένας, δε θα λέγαμε ότι η ενέργεια μεταφέρεται, ούτε ότι η ενέργεια μετατρέπεται ούτε ότι η ενέργεια αποθηκεύεται. Θα λέγαμε: «το σύστημα παράγει έργο και η ενέργειά του ελαττώνεται». πχ το ελατήριο παράγει έργο στο σώμα και η ενέργειά του ελαττώνεται. Στο σώμα παράγεται έργο και η ενέργειά του αυξάνεται. Όταν ο μαθητής διδαχθεί τον 1ο νόμο της θερμοδυναμικής μπορείς να του πεις ότι όλη αυτή η διαδικασία ισοδυναμεί με μεταφορά ενέργειας (αν και στο πραγματικό κόσμο υπάρχει και κάποια θερμότητα σ΄ αυτή τη διαδικασία και η μηχανική ενέργεια δεν διατηρείται).
Για καθαρά διδακτικούς λόγους είναι ίσως ΟΚ να μιλάμε για μεταφορά ενέργειας, αλλά με αυτό τον τρόπο χάνει ο μαθητής μια βασική ιδιότητα της ενέργειας: ότι είναι μια ιδιότητα των σωμάτων και μπορεί μόνο να μεταβάλλεται. Η θερμότητα ασφαλώς μεταφέρεται, ρέει. Αλλά η θερμότητα δεν είναι ιδιότητα των σωμάτων.
Είναι επίσης λάθος να λέμε «παράγω ενέργεια». Δεν μπορώ να παράγω ενέργεια. Η ενέργεια μπορεί να αυξηθεί, να ελαττωθεί, να μείνει σταθερή αλλά δεν μπορεί να παραχθεί. Γιατί είναι ιδιότητα των συστημάτων. «Παράγω έργο» είναι σωστή έκφραση. Αλλά το έργο δεν είναι ιδιότητα των σωμάτων.
Σε κάποιες ωστόσο περιπτώσεις η έκφραση «παράγω ενέργεια» είναι σωστή. Πχ μια λάμπα πυρακτώσεως «παράγει ΗΜ ενέργεια». Επειδή όμως το φως της δεν είναι μονοχρωματικό, είναι εξίσου σωστό το: «η λάμπα παράγει θερμότητα». Αλλά για μια πηγή ΗΜ κυμάτων ενός μήκους κύματος θα πούμε «η πηγή παράγει ΗΜ ενέργεια». Ομοίως για μια γραμμή μεταφοράς ΥΣ λέμε: «μέσα στη γραμμή ρέει ηλεκτρική ενέργεια». Ομοίως για τις γραμμές μεταφοράς της ΔΕΗ λέμε «μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια».
Αλλά θεωρώ λάθος το να λέμε: «Όταν συνδέσεις ένα λαμπάκι στη μπαταρία η μπαταρία δίνει ηλεκτρική ενέργεια στο λαμπάκι και το λαμπάκι τη μετατρέπει σε φωτεινή ενέργεια». Γιατί η μπαταρία δεν έχει καθόλου ηλεκτρική ενέργεια να δώσει (ηλεκτρική ενέργεια έχει ένας φορτισμένος πυκνωτής). Η μπαταρία παράγει ηλεκτρικό έργο. Αν το δούμε σύμφωνα με τον 1ο Νόμο «η μπαταρία παράγει ηλεκτρικό έργο στο λαμπάκι και το λαμπάκι παράγει ίση ποσότητα θερμότητας στο περιβάλλον» ή (αψηφώντας τον 1ο Νόμο) «η μπαταρία παράγει ηλεκτρικό έργο στο λαμπάκι και το λαμπάκι παράγει ίση ποσότητα ΗΜ ενέργειας»
Στη σύγχρονη φυσική η ΗΜ ενέργεια αντικατέστησε σε ορισμένες εκφράσεις τη θερμότητα. (αν ο Joule ήξερε την ΗΜ ενέργεια θα διατύπωνε αλλιώς το νόμο). Δημιουργείται έτσι κάποια σύγχυση γιατί, ενώ η ενέργεια, σαν ιδιότητα των σωμάτων, είναι κάτι που «υπάρχει στα σώματα», η ΗΜ ενέργεια είναι κάτι που ρέει. Νομίζω ότι καταστρατηγείται κάτι μ΄ αυτό τον τρόπο (αλλά, ως συνήθως, «δαγκώνω τη γλώσσα μου»).
Αν και η συζήτηση έχει ενδιαφέρον, θα είμαι απών τις επόμενες μέρες, γιατί θα πάω στην Αθήνα σε Συνέδριο. Παρασκευή θα επιστρέψω, αλλά ίσως μέχρι τότε να κάνω κάποια συμμετοχή μέσω Laptop.
Καλημέρα Νίκο και σε ευχαριστώ για τις απαντήσεις.
Δεν θα διαφωνήσω σε κάτι από όσα έγραψες (τα οποία πάντως αναιρούν, τουλάχιστον εν μέρει, τις αρχικές σου επιθετικές αιχμές…), προσθέτοντας κάτι για μια μπαταρία.
Πράγματι δεν έχει ηλεκτρική ενέργεια, όπως ο πυκνωτής, πράγματι παράγει έργο θέτοντας σε κίνηση τα ηλεκτρικά φορτία, αλλά για να παράγει αυτό το έργο, ισόποση ενέργεια χάνει. Αυτή βέβαια η ενέργεια ήταν αποθηκευμένη στο εσωτερικό της, ως εσωτερική ενέργεια (ως ενέργεια χημικών δεσμών, η αλλαγή των οποίων οδήγησε σε μικρότερη ενθαλπία…). Δεν παρήχθη έργο εκ του μηδενός.
Άρα η αντιμετώπιση ΚΑΙ της μπαταρίας ως αποθήκης ενέργειας, δεν είναι λάθος.
Όπως λάθος δεν είναι το να αντιμετωπίσουμε μια λίμνη σε ύψος 500m ως μια αποθήκη ενέργειας…
(Άλλωστε και η ΔΕΗ όταν θέλει να αποθηκεύσει ενέργεια, μπορεί να το κάνει, είτε φορτίζοντας μπαταρίες, είτε ανεβάζοντας το νερό σε μια τεχνική λίμνη που έχει υδροηλεκτρικό).
Κατά τα λοιπά ας τοποθετηθούν και οι άλλοι συνάδελφοι, εν αναμονή της νέας σου παρέμβασης, όποτε γίνει…
Καλό ταξίδι και καλή επιτυχία στο συνέδριο.
Καλό μεσημέρι συνάδελφοι.
Κατ’ αρχάς τι είναι η ενέργεια; Δεν έχω ιδέα. Πάντως υπάρχει ένα φυσικό μέγεθος το οποίο χαρακτηρίζει κάθε φυσικό σύστημα και το οποίο αν το υπολογίσουμε με κάποιους συγκεκριμένους κανόνες, φαίνεται ότι δεν χάνεται, ούτε δημιουργείται εκ του μηδενός. Με άλλα λόγια διατηρείται. Συγκεκριμένα το μέγεθος αυτό λαμβάνει διαφορετικές μορφές, μπορεί να μεταλλάσσεται από την μία μορφή στην άλλη, όπως και να «ρέει» μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντός του. Αν όμως προσθέσουμε όλες τις μορφές του προσεκτικά το συνολικό ποσό προκύπτει πάντα σταθερό.
Μετά δε την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας και από το ότι τα χωρίς μάζα στοιχειώδη σωματίδια –φορείς δυνάμεων, όπως τα φωτόνια, φέρουν επίσης ενέργεια, θα μπορούσε κάποιος να ισχυριστεί ότι μόνον ενέργεια υπάρχει γύρω μας. Όλοι οι νόμοι της φυσικής δεν είναι παρά οι κανόνες με τους οποίους αυτό το μέγεθος μεταλλάσσεται σε διάφορες μορφές.
Έτσι λοιπόν όπως αντιλαμβάνομαι την κατάσταση ένα φυσικό σύστημα δεν αποθηκεύει απλά ενέργεια… είναι ενέργεια. Η ενέργεια αυτή μπορεί είτε να ελαττωθεί, αυξάνοντας ισόποσα την ενέργεια του περιβάλλοντος, είτε να αυξηθεί, με ισόποση ελάττωση της ενέργειας του περιβάλλοντος.
Φυσικά όταν θέλουμε να εξετάσουμε ενεργειακές ανταλλαγές μεταξύ καλά ορισμένων συστήματων (πχ ελατήριο -μάζα), το «αποθηκεύει» περιγράφει επίσης πλήρως την κατάσταση, είναι ένας διαφορετικός τρόπος να περιγράψεις με σαφήνεια το τι συμβαίνει. Δεν βλέπω καμία αντίφαση σε αυτό.
Στο παράδειγμα και το ελατήριο και η μάζα έχουν αποθηκευμένη εσωτερική ενέργεια, το δέ ελατήριο μπορεί να αποθηκεύσει επιπλέον ενέργεια λόγω παραμόρφωσης. Η τελευταία είναι πολύ ευκολότερο (εν συγκρίσει με την εσωτερική ενέργεια) να εκλυθεί από το ελατήριο στην μάζα και να μετραπεί σε κινητική ενέργεια και θερμότητα.
Καλημέρα σας και καλό αποκαλόκαιρο.
Νομίζω ότι στην ουσία του το θέμα ήδη έχει εξαντληθεί από τις προηγούμενες τοποθετήσεις του Διονύση και του Στάθη με τις οποίες και συμφωνώ απόλυτα.
Να προσθέσω δυο τρεις πινελιές για την σχέση σημαίνοντος σημαινόμενου στους όρους της φυσικής.
Ένα σύστημα "εν έργω" "παράγει" "έργο" . Παρά και γω , δηλαδή οδηγώ . Όχι γεννώ ούτε γίγνεσθαι αλλά οδηγώ σε άλλες μορφές ,μεταλλάσσω. Παραγωγή = μετατροπή, μεταμόρφώση, επεξεργασία και μεταφορά , Δηλαδή ήδη από τις ινδοευρωπαϊκες ρίζες του όρου διαχωρίζεται από τον όρο της γέννεσης της δημιουργίας οπότε αργά η γρήγορα θα οδηγούμασταν στην αρχή : "Μηδέν εκ του μη όντος γίγνεσθαι και ουδέν εις το μην ον φθείρεσθαι… " Και αυτό είναι ήδη αίτημα απαραίτητο για την οικοδόμηση της έννοιας ενέργεια.
Όμως υπάρχουν συστήματα τα οποία "δεν είναι εν έργω" αλλά είναι "εν δυνάμει*" ικανά να παράγουν. Δηλαδή σε αυτά υπάρχει μια "Δυνητική ενέργεια , εν δυνάμει ενέργεια, δυναμική" η οποία εκδηλώνεται όταν αφήσουμε το σύστημα να γίνει "εν έργω". Τα συστήματα αυτά φαίνεται να φέρουν αποθηκευνμένη λοιπόν την δυνατότητα να καταστούν εν έργω υπό κατάλληλες συνθήκες. Είναι συστήματα που έχουν "αποθηκευμένη ενέργεια"
*αυτή είναι και η ετυμολογία της λέξης δύναμη.
Το μόνο προβληματικό στην ιστορική σύνοψη της ετυμολογικής και φιλοσοφικής διαδρομής που περιγράφω ( ξεκινώντας από τηνΑριστοτελική θεωρία ) είναι η φύση του μηδενός, του μή όντος, αλλά αυτό ως φυσικοί το έχουμε παρακάμψει με την απλή παραδοχή της ύπαρξης του κενού και αφήνοντας την συζήτηση για την αντίφαση κενού (vacuum) και πλήρους (plenum ) στη μεταφυσική …
παράγω =παρά και ἂγω
ο δαίμων του πληκτρολογίου ;
Καλησπέρα παιδιά.
Καταλαβαίνω το πνεύμα του Νίκου αλλά αν μου απαγόρευαν την χρήση της λέξης "αποθηκεύεται", θα δυσκολευόμουν να πω με λίγα λόγια σε τι διαφέρει το ψαροντούφεκο από το βαρούλκο (από ενεργειακή άποψη).
Καλημέρα και καλή σχολική χρονιά σε όλους.
Στάθη, Μήτσο και Γιάννη σας ευχαριστώ για τις τοποθετήσεις.
Στάθη, μου θύμισες το "δεν ξέρω το ρύζι τι είναι, ξέρω την τιμή του μονάχα…".
Μήτσο βλέπω ότι ακόμη και γλωσσολογικά να αντιμετωπίσουμε το θέμα, αναδεικνύεται η ουσία του
Γιάννη διαβάζω για "ψαροντούφεκο και βαρούλκο". Γύρισες ή είσαι ακόμη στο Ρέθυμνο;
Τι εννοώ με τα ψαροντούφεκα και τα βαρούλκα;
Η θεωρητική Φυσική πρέπει να θεμελιώσει και μαθηματικά και αυστηρά την δυναμική ενέργεια. Σε ένα συντηρητικό πεδίο ορίζει το δυναμικό και την δυναμική ενέργεια ως γινόμενο υποθέματος – δυναμικού. Την αποδίδει σε συγκεκριμένο σώμα. Δύο διαφορετικά υποθέματα έχουν φυσικά διαφορετικές δυναμικές ενέργειες.
Αυστηρά επίσης (ελαφρώς εκτελεστικά μέσω έργων) ορίζει την δυναμική ενέργεια συστήματος. Καλά κάνει και δεν θα έπρεπε να ακολουθήσει άλλην οδό.
Το ελατήριο δεν είναι (για αυτήν) κάτι άλλο από ένα πεδίο F = -D.x και μέσα σ’ αυτό ένα σώμα έχει δυναμική ενέργεια.
Όμως υπάρχουν και άλλες περιγραφές. Περιγραφές που ενδιαφέρουν μαθητές διότι είναι προσιτότερες. Περιγραφές που ενδιαφέρουν Μηχανικούς ή κατασκευαστές. Σ΄ αυτές βολεύει η δυναμική ενέργεια να αποδίδεται στο παραμορφωθέν ελατήριο. Βολεύει το σώμα να έχει ενέργεια κινητική και το ελατήριο δυναμική λόγω παραμόρφωσης.
Συσπειρώνω το ελατήριο ενός ψαροντούφεκου. Οπλίζει. Το έργο μου δεν έχει γίνει κάποιου είδους κινητική ενέργεια. Χάθηκε; Έγινε θερμική ενέργεια;
Πατώντας την σκανδάλη εκτινάσσεται το καμάκι. Ποια ενέργεια μετατράπηκε σε κινητική ενέργεια του καμακιού;
Μάλλον βολεύει να μιλήσουμε για αποθηκευθείσα δυναμική ενέργεια του ελατηρίου (λόγω παραμόρφωσης) και όχι δυναμική ενέργεια ενός καμακιού που βρίσκεται σε κάποιο δυναμική πεδίο. Στο κάτω-κάτω δεν αυξάνεται η ενέργεια αυτή αν βάλλουμε καμάκι μεγαλύτερης μάζας.
Ειρήσθω εν παρόδω, ένας που απορρίπτει την αποθηκευμένη δυναμική ενέργεια πως θα περιέγραφε με ενεργειακή γλώσσα ένα αεροβόλο ψαροντούφεκο;
Όταν το αέριο του θαλάμου συμπιέζεται ποια ενέργεια αυξάνεται;
Το αέριο έχει μόρια διαθέτοντα μόνο κινητική ενέργεια.
Έτσι δουλεύει το βαρούλκο.
Όμως……
Εδώ βολεύει να μιλήσουμε για αποθήκευση ενέργειας.
Βολεύει να μιλήσουμε για αποθήκευση ενέργειας και στην περίπτωση της φόρτισης των μπαταριών ενός υποβρυχίου.
Κατάλαβα ότι η παρούσα συζήτηση ξεκινά από τον Νίκο:
Από την άλλη μεριά δεν πρέπει να είμαστε περήφανοι γιατί συχνά κακοποιούμε τις έννοιες της επιστήμης μας.
Και πιστεύω ότι η σύγχυση που έχουμε με τις έννοιες οφείλεται σ΄ αυτή την κακοποίηση που τους κάνουμε.
Αντιλαμβάνομαι ότι η Θεωρητική Φυσική εκλαμβάνεται ως η κορυφαία "μορφή" Φυσικής. Επομένως ότι χρησιμοποιεί άλλη γλώσσα εκλαμβάνεται ως "κακοποίηση" της Φυσικής. Πιστεύω ότι η Φυσική και δικαιούται και πρέπει να μιλάει με περισσότερες της μιας γλώσσες. Ιδίως οι εκδοχές της Φυσικής που εξυπηρετούν την καθημερινότητα, τους κατασκευαστές, τους μαθητές κ.λ.π.