تصف الطاقة في الفيزياء باعتبارها القدرة على القيام بعمل ما، ويمكن أن تظهر بأشكال متعددة مثل طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة، والطاقة الحركية، والحرارية، والكهربائية، والكيميائية، والنووية وغيرها، ويمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، وتتحدد نوعية الطاقة بعد التحويل استنادًا إلى طبيعتها، حيث يُمكن أن تتحول الحرارة المنتقلة إلى طاقة حرارية، في حين أن الشغل المنجز قد يتمثل في شكل طاقة ميكانيكية، وسنمحكم في هذا المقال عبر موقعكم مخزن بحث شامل عن الطاقة.
إن الطاقة تُعرف بأنها القدرة على القيام بالعمل، وفيماي لي معلومات أكثر عنها:
الأشكال المتعددة للطاقة: طاقة حركية، حرارية، كهربائية، نووية، كيميائية.
وجود الطاقة في جميع الأجسام، حتى في الأجسام الثابتة، حيث تكون كامنة بسبب تركيب الجسم.
العمل ينتج عنه نقل للطاقة وإنتاج للحرارة.
التحويل الطاقوي: الطاقة تنتقل من شكل إلى آخر، فمثلاً بعد القيام بعمل، تظهر الطاقة على شكل طاقة ميكانيكية أو حركية، وتتولد الحرارة.
مثال على الطاقة الكامنة: القوس في حالة سكون، ولكن عند شدّه وتركه، تتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية وقد تتولد حرارة.
الطاقة النووية تنتج من تكوين الجسيمات الذرية في النواة وتتحول بين أشكال مختلفة.
المحافظة على الطاقة: الطاقة لا تفنى وإنما تتحول من شكل لآخر، فعندما ينزلق صندوق من ارتفاع ما، تتحول الطاقة الكامنة إلى حركية، وعند توقفه، تتحول الطاقة الحركية إلى حرارية بسبب الاحتكاك.
أنواع الطاقة
هناك أشكال متعددة للطاقة، ومن أهمها:
الطاقة الميكانيكية: تُشير إلى الطاقة المتولدة نتيجة حركة أو توضع لجسم، وتشمل الطاقة الحركية وطاقة الوضع. مثال على ذلك هو السيارة التي تتحرك على الطريق أو الكتاب الموضوع على الطاولة.
الطاقة الحرارية: تتمثل في فرق درجات الحرارة بين نظامين، ومن الأمثلة على ذلك تبادل الحرارة بين جسم الإنسان وبيئته.
الطاقة النووية: تُنتج من التغيرات في النوى الذرية أو من التفاعلات النووية مثل الانشطار والاندماج والانحلال النووي، ومحطات توليد الطاقة النووية تعد أمثلة بارزة على هذا النوع من الطاقة.
الطاقة الكيميائية: تتولد من تفاعلات كيميائية بين الذرات أو الجزيئات. مثال عليها الطاقة الكهروكيميائية المنبثقة من الخلايا أو البطاريات الكهروكيميائية.
الطاقة الكهرومغناطيسية: تمتد إلى الطاقة الإشعاعية المستمدة من الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية، تشمل الأشكال المختلفة للضوء وتتضمن الراديو والأشعة جاما والأشعة السينية وأفران الميكروويف والأشعة فوق البنفسجية.
الطاقة الصوتية: تُمثلها الموجات الصوتية التي تنتقل عبر الهواء أو وسائط أخرى، تشمل صدى الصوت والأصوات المنبعثة من الأجهزة الصوتية وحتى صوت الإنسان نفسه.
طاقة الجاذبية: تعكس الطاقة المتصلة بجذب الأجسام لبعضها البعض استنادًا إلى كتلتها، وتُعتبر جزءًا من الطاقة الميكانيكية. مثلاً، طاقة الوضع عند وضع جسم على سطح، أو الطاقة الحركية للقمر في دورانه حول الأرض، تُسهم هذه الطاقة في الاحتفاظ بالغلاف الجوي للأرض في مكانه.
الطاقة الحركية: هي الطاقة المتولدة من حركة الجسم، تتجلى بقيمة إيجابية أو صفرية فقط، مشيرة إما لوجود الطاقة أو عدمها دون غيرها. على سبيل المثال، تأرجح الطفل على الأرجوحة يُظهر الطاقة الحركية، وسواءً كانت الحركة إلى الأمام أو الخلف، القيمة الناتجة للطاقة الحركية لن تكون أبدًا سالبة.
الطاقة الكامنة أو طاقة الوضع: ترتبط بتموضع الجسم، مثل الارتفاع الذي يصل إليه الطفل على الأرجوحة في قمة حركته، حيث تكون قيمة هذه الطاقة في أعلى مستوياتها، وعندما تكون الأرجوحة أقرب لسطح الأرض، تكون الطاقة الكامنة أو الوضعية في هذه الحالة تساوي الصفر. يُمكن أيضًا الإشارة إلى رمي الكرة في الهواء، فعند النقطة العليا للارتفاع تكون الطاقة الكامنة في أقصى قيمتها، أما عندما تنخفض الكرة أو تسقط، فتكون لديها مزيج من الطاقة الكامنة والحركية.
طاقة التأين: تعبر عن الطاقة المرتبطة بارتباط الإلكترونات بنواة ذرة أو جزيء. مثلاً، طاقة التأين الأولى للذرة تمثل الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون واحد تماماً من مداره، بينما طاقة التأين الثانية تمثل الطاقة المطلوبة لإزالة الإلكترون الثاني وتكون أكبر من تلك المطلوبة لإزالة الإلكترون الأول.
وحدات الطاقة
وحدة الجول (J) تُستخدم لقياس الطاقة في النظام الدولي للوحدات، إلا أن هناك وحدات أخرى تُستخدم أيضًا لقياس الطاقة، تبعًا للسياق والتخصص الذي يتم فيه الاستخدام حيث:
على سبيل المثال، يُعبر محتوى الطاقة في المنتجات الغذائية عادةً بالسعرات الحرارية، ويُستخدم الواط (Watt) لقياس الطاقة الكهربائية أو القدرة. بينما تعتمد وحدة الإلكترون فولت (eV) لقياس الطاقة بين الذرات.
وتعرق السعة الحرارية المحددة للمادة في النظام الدولي للوحدات على أنها الكمية من الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد (1g) من تلك المادة بدرجة حرارة مئوية واحدة
. على سبيل المثال، يتطلب رفع درجة حرارة 1 غرام من الماء بمقدار درجة مئوية واحدة استهلاك 4.18 جول من الطاقة (عندما يكون الماء عند درجة حرارة 25 درجة مئوية).
كما يعرف الكيلوجول على أنه يساوي 1000 جول، وهو المقدار الحراري الذي يحتاجه 239 غرامًا من الماء لرفع درجة حرارتها بمقدار 1 درجة مئوية. ومن الأمثلة على وحدات الطاقة؛ أن قطعة خبز محمصة بالزبدة تحتوي على حوالي 315 كيلوجول، وهذا يوفر لجسم الإنسان كمية من الطاقة تكفي لركوب الدراجة الهوائية لمدة 10 دقائق أو للركض لمدة 6 دقائق.
تحولات الطاقة
تحويل الطاقة يُعرف عمومًا بأنه عملية تغيير شكل الطاقة من نوع إلى آخر. كما ذُكر سابقاً، هناك مجموعة متنوعة من أشكال الطاقة التي يمكن تحويلها بين بعضها البعض. فمثلاً، يُمكن لطاقة التفاعلات الكيميائية التحول إلى طاقة حرارية، ويُمكن للطاقة النووية تحويل ذاتها إلى طاقة كهربائية من خلال عملية الانشطار النووي. كما تشمل الطاقة الميكانيكية، التي تتضمن طاقة الحركة وطاقة الوضع، القدرة على التحول إلى أي شكل آخر من أشكال الطاقة.
قانون حفظ الطاقة
يُنص قانون حفظ الطاقة على عدم إمكانية خلق أو إتلاف الطاقة، ولكن يُمكن فقط تحويلها من شكل لآخر. وفقًا لهذا القانون، يحتوي أي نظام دائمًا على كمية ثابتة من الطاقة، مالم يتم إضافة طاقة له من مصدر خارجي.
يُذكر أن الطريقة الوحيدة للاستفادة من الطاقة هي عبر تحويلها من شكلها الحالي إلى شكل آخر، وبموجب قانون حفظ الطاقة، يمكن حساب كمية الطاقة في أي نظام من خلال استخدام المعادلة التالية:
يُمكن تمثيل الطاقة الكلية لنظام ما عبر معادلة تشمل مكوناته الرئيسية: الطاقة الداخلية للنظام، والشغل المبذول أو الشغل القابل للعمل على النظام، والطاقة الحرارية الممتصة أو المطرودة من النظام.
بتوظيف الرموز التالية: طاقة النظام = الطاقة الداخلية للنظام + الشغل المبذول أو عليه + الطاقة الحرارية الممتصة أو المطرودة (حيث: طاقة النظام هي طك، الطاقة الداخلية هي طد، الشغل هو ش، والطاقة الحرارية هي طح). هكذا،يُظهر الفرق بين الطاقة الكلية والطاقة الداخلية للنظام كمية مساوية لجمع الشغل والطاقة الحرارية، ويُمثل هذا القانون الأول للديناميكا الحرارية.
نصائح للحفاظ على الطاقة ومصادرها
المحافظة على الطاقة هي عملية تقليل الاستهلاك الطاقوي للحفاظ على مواردها، وهي أمر بالغ الأهمية في حياتنا اليومي، وفيما يلي بعض النصائح الرئيسية المتعلقة بالحفاظ على مصادر الطاقة:
إطفاء الأجهزة الكهربائية والإضاءة عند عدم استخدامها في المنزل للحد من استهلاك الطاقة.
ضبط السلوكيات اليومية لتحقيق كفاءة أفضل في استخدام الطاقة.
استبدال المصابيح الكهربائية القديمة بالمصابيح ذات كفاءة الطاقة.
تركيب منظمات حرارة قابلة للبرمجة لتخفيض استهلاك الطاقة.
استخدام الأجهزة الكهربائية ذات كفاءة عالية في الطاقة.
تقليل استهلاك الماء الساخن في الأجواء الحارة عن طريق تقليل استخدام المياه الساخنة غير الضرورية.
