Enerji bilimi

Enerji bilimi (enerji ekonomisi olarak da bilinir) temelinde enerji dönüşümlerini inceleyen bilim dalıdır. Enerji bütün ölçülerde akar çok küçük kuantum seviyesinden kainat ve biyosfere kadar çok geniş bir disiplindir. Termodinamik, kimya, biyolojik enerji, biyokimya, ekolojik enerji gibi birçok bilim dalını kapsamaktadır. Enerjinin her dalı, sabit bir tartışmayla başlar ve biter. Örneğin Lehninger (1973) termodinamiğin çeşitli enerji enerji değişimleriyle ilgilenmesinden dolayı enerji bilimi olarak tanımlanabileceğini öne sürmüştür.

Genel anlamda enerji bilimi, enerji değişimi sırasında kullanışlı ve daha az kullanışlı yönelimlerini ve değişimi sırasında depolanmasını inceleyen bilim dalıdır. İlkeleri, çoklu incelemeler sonucunda, tarihte hiç değişmeyen şeyler gibi bir fenomen olmuştur. Bu değişmezliği ciddi sayıda insan gözlemlediğinde ve aynı sonuca ulaştığında, bu prensipler o bilimde ‘temel kanun’ olarak adlandırılır. Bütün bilimlerde olduğu gibi, bir teoremin temel kanun olarak kabul edilmesi çok tartışmalıdır; kaç kişinin böyle bir teklife katıldığı ya da katılmadığı sorgulanmaktadır. Bu nedenle enerji biliminin en önemli amacı temel kanunlarla açıklanmıştır. Bilim filozofları termodinamiğin temel kanunlarının enerji bilimi için de geçerli olabileceğini savunmuşlardır (Reiser 1926). Enerji biliminin amacı bu açıklamaların başından sonuna kadar güvenilir enerji akışı ve mikrodan makroya kadar bütün seviyelerde depolama değişimlerini değerlendirmektir.

Enerji biliminin çok tartışmalı bir tarihi vardır. Bazı yazarlar enerji biliminin köklerinin antik Yunanlardan günümüze geldiğini savunurken bazıları da Leibniz'in çalışmalarının biçimlendirdiğini savunmaktadır. Richard de Villamil (1928), 1855 yılında basılan Glasgow’un Filozofik Topluluğu kitabında bulunan, Rankine'nin Ana Hatlarıyla Enerji Bilimi adlı yazısında enerji bilimini formüle ettiğini öne sürmüştür. W. Ostwald ve E. Mach sonradan çalışmaları geliştirmişler ve 1800’lü yılların sonuna doğru enerji bilimi daha iyi anlaşılmış ve Boltzmann'ın gaz teorisiyle bağdaşmadığını görmüşlerdir. Atomun ispatı tartışmaları hafiflemiştir ama haififleyene kadar da çok ciddi zararlar vermiştir. 1920 yılında Lotka, Boltzmann’ın, enerji biliminin biyolojik evrim teorisiyle sentezinden oluşan bakış açısının üstüne bir şeyler katmak ve çalışmalarına devam etmek istemiştir. Lotka evrimdeki doğal seçilimin temelinde maksimumum kullanılabilir enerji dönüşümü lehine işlediğini önesürmüştür. Bu bakış açısı daha sonraki çalışmalara, ekolojik enerji biliminin gelişmesine ilham vermiştir özellikle Howard T. Odum’un çalışmalarına.

De Villamil, enerji biliminin fizik bilimi içerisindeki kapsamını netleştirmek istemiştir bunun için bir sistem bulmuş ve mekaniği enerji ve dinamik olarak ikiye bölmüştür. Enerji bilimi, enerjiyle ilgilenmekte ve dinamik ‘soyut’, ‘saf’ ya da ‘sabit’ dinamik(moment bilimi) olmuştur. Villamil’e göre enerji bilimi matematiksel olarak skalar denklemler tarafından karakterize edilmiştir ve sabit dinamik vektörel denklem özelliği göstermektedir. Dinamiğin bu şekilde bölünmesinin boyutları uzay, zaman ve kütle ve enerji bilimi için uzunluk, zaman ve kütledir. Bu bölünme gövdelerin özellikleri, aşağıdaki iki soruya nasıl cevap verdiğine bağlı olarak değişmektedir:

1. Parçacıklar sıkı sıkıya birbirine sabitlenmiş midir?

2. Hareket eden gövdeleri durdurmak için bir makine var mıdır?

Villamil’in sınıflandırma sistemine göre, dinamik birinci soruyu evet, ikinci soruyu hayır olarak yanıtlarken, enerji bilimi birinci soruyu hayır ikinci soruyu evet olarak yanıtlar. Dolayısıyla Villamil’in sistemine göre, dinamik parçacıkların sıkı sıkıya birbirine kenetlendiğini ve titreşim yapmadıklarını varsayar ve bu nedenle hepsi sıfır kelvinde bulunmalıdır. Momentin korunumu bu bakış açısının bir sonucudur ancak bu durum sadece mantığa uygun olduğu için doğrudur, gerçek hayatı tam olarak temsil edemez. Bu durumun aksine enerji bilimi parçacıkların sıkı sıkıya sabitlendiğini varsaymaz, parçacıklar titreşmekte özgürdür ve bunun sonucunda sıfırdan farklı sıcaklıklarda da bulunabilirler.

Genel anlamda enerji biçim değiştirirken akar, enerji bilimi prensipleri, termodinamiğin ilk dört kanunlarını da kapsayarak kesin bir tanım arayışındadır. Ancak günümüzde termodinamiğin kanunlarının enerji biliminin altında incelenmesi tartışılmaktadır. Eğer ekoloji uzmanı Howard T. Odum haklıysa o zaman enerji biliminin prensipleri, mevcut durumda, enerji formlarının hiyerarşisine göre değerlendirilmelidir. Bu değerlendirmenin amacı evrendeki enerjiyi kalitesi ve gelişimini hesaba katmaktır. Albert Lehninger bu hiyerarşik düzen hakkında şöyle konuşmuştur,

‘… biyolojik evrendeki başarılı aşamalar enerjinin akışındadır.’

Odum üç tane daha enerji prensipleriyle ilgili öneride bulunmuştur ve sonuç olarak sadece bir tanesi enerji hiyerarşisini içeren sayılmıştır. Enerji biliminin ilk dört prensibi termodinamiğin aynı sayılı kanunlarıyla ilgilidir ve makalenin içinde geniş bilgi verilmektedir. Son dört prensip de Odum’un ekolojik enerji biliminden alınmıştır.

• Enerji biliminin sıfırıncı prensibi

Eğer iki termodinamik sistemi A ve B termal dengedeyse ve aynı zamanda B ve C de termal dengedeyse o zaman A ve C de termal dengededir.

• Enerji biliminin birinci prensibi

İçsel enerjideki artış, sisteme ısıtmayla eklenen enerjiden işlem sırasında sistemin çevreye yaptığı iş sırasında açığa çıkan enerjinin çıkarılmasıyla bulunur.

• Enerji biliminin ikinci prensibi

İzolasyonlu bir termodinamik sisteminin entropisi zamanla artar ve maksimum değerine ulaşır.

• Enerji biliminin üçüncü prensibi

Sistem mutlak sıfır sıcaklığına yaklaşıyorken, bütün süreç sona erer ve sistemin entropisi minimum değerine ya da sıfıra yaklaşarak mükemmel bir kristal madde olur.

• Enerji biliminin dördüncü prensibi

Dördüncü prensip üzerine iki düşünce bulunmaktadır

- Onsager karşılıkları arasındaki ilişki bazen termodinamiğin dördüncü yasası olarak adlandırılır. Termodinamiğin dördüncü yasası olarak Onsger karşılıkları arasındaki ilişki, enerji biliminin dördüncü yasasını oluşturur.

- Ekolojik enerji bilimi üzerinde çalışan, H.T. Odum,maksimum enerjiyi, enerji biliminin dördüncü yasası olarak değerlendirmiştir. Ayrıca Odum maksimum iç enerjinin, evrimsel iç organizasyonun bir sonucu olduğunu ileri sürmüştür.

• Enerji biliminin beşinci prensibi

Enerji kalite faktörü hiyerarşik olarak artar. Ekolojik besin zinciri üzerine çalışmalar üzerine, Odum enerji taşınmasının hiyerarşik birkaç seri ile ölçüldüğünü öne sürmüştür ’’ enerjinin akışı hiyerarşik olarak gelişir, akmayan enerji türleri taşınan enerjiye göre işe çevrildiğinde kalitesi daha yüksektir, bu eylemler sistemin gücünü maksimize etmekte kullanılır.’’

• Enerji biliminin altıncı prensibi

Materyal döngüleri hiyerarşik yollarla enerji/kütle oranı ölçülerek yerine ve titreşim sıklığına göre enerji hiyerarşisinde yerini alır. M.T. Brown ve V. Buranakarn bir yazılarında şöyle dile getirmişlerdir, ‘’ genellikle enerji/kütle oranı geri dönüşüm olanağı açısından iyi bir göstergedir, enerji/kütle oranı yüksek olan materyaller daha kolay geri dönüştürülebilirler.’’

Daha özelleştirilmiş bir anlam olarak ‘’enerji bilimi’’ ya da ‘’ materyallerin enerjisi’’ patlayıcılar, uzay gemisi yakıtları, hidrotekniklerin kısa isimleridir.

• S. W. Angrist and L. G. Helper (1973), Order and Chaos: Laws of Energy and Entropy, Penguin, Australia, p. 34
• G. Helm (1898), Die Energetik, Leipzig.
• M. Giampietro, K. Mayumi and A. Sorman (Dec. 2011), The Energetics of Modern Societies, Springer, Heidelberg.
• H. R. Hertz (1899) The Principles of Mechanics Presented in a New Form, London: Macmillan; reissued by Dover, New York, 1956
• A. Lehninger (1973), Bioenergetics W.A.Benjamin, Inc..
• H. T. Odum and R. T. Pinkerton (1955), 'Time's Speed Regulator', American Scientist, Vol. 43, No. 2, p. 331.
• H. T. Odum (1994), Ecological and General Systems: An Introduction to Systems Ecology, Colorado University Press.
• H. T. Odum (2000), 'An Energy Hierarchy Law For Biogeochemical Cycles', in Brown, M. T. (ed.), Emergy Synthesis: Theory and Applications of the Emergy Methodology. Proceedings of the First Biennial Emergy Analysis Research Conference, Centre for Environmental Policy, University of Florida, Gainesville, FL.
• J. R. Partington (1937) A Short History of Chemistry, London: Macmillan. Reissued by Dover Publications, New York, 1989 ISBN 0-486-65977-1
• Oliver L. Reiser, 1926, Probability, Natural Law, and Emergence: I. Probability and Purpose, The Journal of Philosophy, Vol. 23, No. 16, pp. 421–435
• M. Tribus (1961), Thermostatics and Thermodynamics, Van Nostrand, University Series in Basic Engineering, pp. 619–622.
• De Villamil, R. (1928), Rational mechanics.