16.1: Vyanzo vya Sunshine- Nishati ya joto na Gravitational

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Tambua aina tofauti za nishati
• Kuelewa sheria ya uhifadhi wa nishati
• Eleza njia ambazo nishati inaweza kubadilishwa

Nishati ni dhana changamoto ya kufahamu kwa sababu ipo katika aina nyingi tofauti kwamba inakanusha maelezo yoyote rahisi. Kwa njia nyingi, kuelewa nishati ni kama kuelewa utajiri: Kuna aina tofauti sana za utajiri na hufuata sheria tofauti, kulingana na kama ni soko la hisa, mali isiyohamishika, mkusanyiko wa vitabu vya zamani vya Comic, piles kubwa ya fedha, au mojawapo ya njia nyingine nyingi za kufanya na kupoteza pesa. Ni rahisi kujadili aina moja au mbili za utajiri-au nishati-kuliko kujadili dhana hiyo kwa ujumla.

Wakati wa kujitahidi kuelewa jinsi Jua linaweza kuweka nishati nyingi kwa muda mrefu, wanasayansi walizingatia aina nyingi za nishati. Wanasayansi wa karne ya kumi na tisa walijua vyanzo viwili vinavyowezekana kwa nishati ya Jua: nishati ya kemikali na mvuto. Chanzo cha nishati ya kemikali inayojulikana zaidi kwao ilikuwa kuchomwa (neno la kemikali ni oxidation) la kuni, makaa ya mawe, petroli, au mafuta mengine. Tunajua hasa ni kiasi gani cha nishati ya kuchomwa kwa vifaa hivi kunaweza kuzalisha. Hivyo tunaweza kuhesabu kwamba hata kama masi kubwa ya Jua ilikuwa na nyenzo zenye kuteketezwa kama makaa ya mawe au kuni, nyota yetu haikuweza kuzalisha nishati kwa kiwango chake cha sasa kwa zaidi ya miaka elfu chache. Hata hivyo, tunajua kutokana na ushahidi wa kijiolojia kwamba maji yalikuwepo kwenye uso wa Dunia karibu miaka bilioni 4 iliyopita, hivyo jua lazima liwe limeangaza sana (na kuifanya Dunia kuwa joto) angalau kwa muda mrefu kama hiyo. Leo, tunajua pia kwamba katika joto lililopatikana Jua, hakuna kitu kama kuni imara au makaa ya mawe kinachoweza kuishi.

nini watt?

Tu neno kuhusu vitengo sisi ni kutumia. Watt (W) ni kitengo cha nguvu, ambacho ni nishati inayotumiwa au kutolewa kwa wakati wa kitengo. Inapimwa kwa joules kwa sekunde (J/s). Unajua kutokana na uzoefu wako wa kila siku kwamba sio tu nishati gani unayotumia, lakini ni muda gani unachukua ili kufanya hivyo. (Burning 10 kalori katika dakika 10 inahitaji aina tofauti sana ya zoezi kuliko kuchoma wale kalori 10 katika saa.) Watts kukuambia kiwango ambacho nishati inatumiwa; kwa mfano, bulb 100-watt hutumia joules 100 (J) ya nishati kila pili.

Na jinsi kubwa ni joule? Mwalimu wa astronomia mwenye kilo 73 (160 pound) anayeendesha kwa takriban mita 4.4 kwa sekunde (maili 10 kwa saa) kwa sababu amechelewa kwa darasa ana nishati ya mwendo wa takriban joules 700.

Uhifadhi wa Nishati

Majaribio mengine ya karne ya kumi na tisa ya kuamua nini kinachofanya Jua liangaze lilitumia sheria ya uhifadhi wa nishati. Imeelezwa tu, sheria hii inasema kwamba nishati haiwezi kuundwa au kuharibiwa, lakini inaweza kubadilishwa kutoka aina moja hadi nyingine, kama vile kutoka joto hadi nishati ya mitambo. Injini ya mvuke, ambayo ilikuwa muhimu kwa Mapinduzi ya Viwanda, hutoa mfano mzuri. Katika aina hii ya inji, mvuke ya moto kutoka boiler huendesha harakati ya pistoni, na kugeuza nishati ya joto katika nishati ya mwendo.

Kinyume chake, mwendo unaweza kubadilishwa kuwa joto. Ikiwa unapiga makofi kwa nguvu mwishoni mwa hotuba nzuri sana ya astronomia, mitende yako inakuwa moto zaidi. Ikiwa unasubu barafu juu ya uso wa meza, joto linalozalishwa na msuguano huyeyuka barafu. Breki kwenye magari hutumia msuguano ili kupunguza kasi, na katika mchakato, kubadilisha nishati ya mwendo kuwa nishati ya joto. Ndiyo sababu baada ya kuleta gari kuacha, breki zinaweza kuwa moto sana; hii pia inaelezea kwa nini breki zinaweza kuimarisha wakati unatumiwa bila kujali huku zikishuka barabara ndefu za mlima.

Katika karne ya kumi na tisa, wanasayansi walidhani kwamba chanzo cha joto la Jua kinaweza kuwa mwendo wa mitambo ya meteorites inayoanguka ndani yake. Mahesabu yao yalionyesha, hata hivyo, kwamba ili kuzalisha jumla ya nishati iliyotolewa na Jua, masi katika meteorites ambayo ingeweza kuanguka ndani ya Jua kila baada ya miaka 100 ingekuwa sawa na wingi wa Dunia. Ongezeko lililosababisha katika masi ya Jua lingekuwa, kulingana na sheria ya tatu ya Kepler, kubadilisha kipindi cha obiti ya Dunia kwa sekunde 2 kwa mwaka. Mabadiliko hayo yangeweza kupimwa kwa urahisi na hayakuwa, kwa kweli, yanayotokea. Wanasayansi wanaweza kukanusha hili kama chanzo cha nishati ya Jua.

Kupinga mvuto kama Chanzo cha Nishati

Kupendekeza maelezo mbadala, British mwanafizikia Bwana Kelvin na Ujerumani mwanasayansi Hermann von Helmholtz (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)), katika kuhusu katikati ya karne ya kumi na tisa, alipendekeza kwamba Sun inaweza kuzalisha nishati na uongofu wa nishati mvuto katika joto. Walipendekeza kwamba tabaka za nje za Jua zinaweza kuwa “kuanguka” ndani kwa sababu ya nguvu ya mvuto. Kwa maneno mengine, walipendekeza kwamba Jua linaweza kushuka kwa ukubwa, kukaa moto na mkali kama matokeo.

\(\PageIndex{1}\)Kielelezo Kelvin (1824—1907) na Helmholtz (1821—1894). (a) Mwanafizikia wa Uingereza William Thomson (Bwana Kelvin) na (b) Mwanasayansi wa Ujerumani Hermann von Helmholtz alipendekeza kuwa contraction ya Jua chini ya mvuto wake mwenyewe inaweza kuhesabu kwa nishati yake.

Ili kufikiria nini kitatokea kama hypothesis hii ingekuwa kweli, picha safu ya nje ya Jua kuanza kuanguka ndani. Safu hii ya nje ni gesi iliyojengwa na atomi za mtu binafsi, yote yanayozunguka katika maelekezo ya random. Ikiwa safu inaanguka ndani, atomi hupata kasi ya ziada kwa sababu ya mwendo wa kuanguka. Kama safu ya nje inapoanguka ndani, pia mikataba, kusonga atomi karibu pamoja. Migongano huwa na uwezekano mkubwa zaidi, na baadhi yao huhamisha kasi ya ziada inayohusishwa na mwendo wa kuanguka kwa atomi nyingine. Hii, kwa upande wake, huongeza kasi ya atomi hizo. Joto la gesi ni kipimo cha nishati ya kinetic (mwendo) wa atomi ndani yake; hivyo, joto la safu hii ya Jua huongezeka. Migongano pia inasisimua elektroni ndani ya atomi kwa njia za juu-nishati. Wakati elektroni hizi zinarudi kwenye njia zao za kawaida, hutoa photoni, ambazo zinaweza kutoroka kutoka Jua (tazama mionzi na Spectra).

Kelvin na Helmholtz walihesabu kwamba contraction ya Jua kwa kiwango cha mita 40 tu kwa mwaka ingekuwa ya kutosha kuzalisha kiasi cha nishati ambacho sasa kinawasha. Zaidi ya muda wa historia ya binadamu, kupungua kwa ukubwa wa Jua kutokana na contraction vile polepole itakuwa undetectable.

Ikiwa tunadhani kwamba Jua lilianza maisha yake kama wingu kubwa la gesi lililoenea, basi tunaweza kuhesabu ni kiasi gani cha nishati kilichomwagika na Jua wakati wa maisha yake yote kama imeambukizwa kutoka kipenyo kikubwa sana hadi ukubwa wake wa sasa. Kiasi cha nishati ni kwa utaratibu wa 10 ⁴² joules. Kwa kuwa mwanga wa jua ni watts 4 × 10 ²⁶ (joules/pili) au juu ya 10 ³⁴ joules kwa mwaka, contraction inaweza kuweka Sun kuangaza kwa kiwango chake cha sasa kwa takribani miaka milioni 100.

Katika karne ya kumi na tisa, miaka milioni 100 mwanzoni ilionekana muda mrefu wa kutosha, kwani Dunia ilidhaniwa sana kuwa mdogo kuliko hii. Lakini kuelekea mwisho wa karne hiyo na katika ishirini, wanajiolojia na fizikia walionyesha kwamba Dunia (na hivyo, Jua) ni kweli zaidi. Kwa hiyo, contraction haiwezi kuwa chanzo kikuu cha nishati ya jua (ingawa, kama tutakavyoona katika Kuzaliwa kwa Nyota na Ugunduzi wa Sayari Nje ya Mfumo wa Jua, contraction ni chanzo muhimu cha nishati kwa muda katika nyota zinazozaliwa tu). Wanasayansi walikuwa hivyo wanakabiliwa na puzzle ya idadi kubwa. Aidha aina isiyojulikana ya nishati ilikuwa na jukumu la chanzo muhimu zaidi cha nishati kinachojulikana kwa ubinadamu, au makadirio ya umri wa mfumo wa jua (na maisha duniani) ilipaswa kubadilishwa kwa umakini. Charles Darwin, ambaye nadharia yake ya mageuzi ilihitaji muda mrefu zaidi kuliko nadharia za Jua zilionekana kuruhusiwa, alikasirika na matokeo haya na kuendelea kuhangaika juu yao hadi kifo chake mwaka 1882.

Ilikuwa tu katika karne ya ishirini kwamba chanzo halisi cha nishati ya Jua kilitambuliwa. Vipande viwili muhimu vya habari vinavyotakiwa kutatua puzzle vilikuwa muundo wa kiini cha atomi na ukweli kwamba molekuli inaweza kubadilishwa kuwa nishati.

Dhana muhimu na Muhtasari

Jua hutoa kiasi kikubwa cha nishati kila pili. Kwa kuwa Dunia na mfumo wa jua ni takribani miaka bilioni 4.5, hii ina maana kwamba Jua limekuwa likizalisha kiasi kikubwa kwa nishati kwa muda mrefu sana. Wala kuchomwa kwa kemikali wala mvuto wa mvuto hauwezi kuhesabu jumla ya nishati inayoangazwa na Jua wakati huu wote.