ما هي الطاقة؟
تتجلى الطاقة بطرق مختلفة وترتبط بالقدرة على إنتاج العمل
صورة فيديريكو بيكاري في Unsplash
لا يوجد تعريف دقيق للطاقة ، ولكن في الفيزياء يعتبر مفهومًا بالغ الأهمية يمثل القدرة على إنتاج عمل أو أداء عمل ما. تستخدم الكلمة أيضًا في مجالات علمية أخرى ، مثل علم الأحياء والكيمياء.
تلعب الطاقة دورًا أساسيًا في جميع مجالات الحياة ، كونها أهم حجم في الفيزياء. تعتمد الكائنات الحية على الطاقة للبقاء على قيد الحياة والحصول عليها من خلال الغذاء ، في شكل طاقة كيميائية. بالإضافة إلى ذلك ، تستقبل الكائنات الحية أيضًا الطاقة من الشمس.
المبدأ العام للحفاظ على الطاقة
في الفيزياء ، يشير مصطلح الحفظ إلى شيء لا يتغير. هذا يعني أن المتغير في المعادلة التي تمثل كمية تحفظية ثابت بمرور الوقت. علاوة على ذلك ، يقول هذا النظام أن الطاقة لا تُفقد أو تتشكل أو تدمر: إنها تتحول فقط.
وحدات الطاقة
وحدة الطاقة التي يحددها النظام الدولي للوحدات هي الجول (J) ، والتي يتم تعريفها على أنها الشغل الذي تقوم به قوة نيوتن عند إزاحة متر واحد. ومع ذلك ، يمكن أيضًا وصف الطاقة في وحدات أخرى:
- السعرات الحرارية (الجير): كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء من 14.5 إلى 15.5 درجة مئوية. الجول الواحد يساوي 0.24 سعرة حرارية.
- كيلوواط ساعي (kWh): يستخدم بشكل شائع لقياس استهلاك الكهرباء (1 kWh = 3.6.106 J)؛
- BTU (الوحدة الحرارية البريطانية): الوحدة الحرارية البريطانية 1 BTU = 252.2 سعرة حرارية ؛
- إلكترون فولت (eV): هو مقدار الطاقة الحركية التي يكتسبها إلكترون واحد (إلكترون) عندما يتم تسريعها بفارق جهد كهربي واحد فولت ، في الفراغ (1 فولت = 1.6 .10-19 J).
أنواع الطاقة
الطاقة كمية فريدة من نوعها ، ولكن اعتمادًا على كيفية ظهورها ، فإنها تتلقى أسماء مختلفة. تعرف على الأنواع الرئيسية للطاقة في الفيزياء:
الطاقة الحركية
ترتبط الطاقة الحركية بحالة حركة الجسم. يعتمد هذا النوع من الطاقة على كتلته ووحدة السرعة. كلما زاد معامل سرعة الجسم ، زادت الطاقة الحركية. عندما يكون الجسم في حالة راحة ، أي وحدة السرعة تساوي صفرًا ، والطاقة الحركية تساوي صفرًا.
الطاقة الكامنة
ترتبط الطاقة الكامنة بالوضع الذي يشغله الجسم أو بتشوه نظام مرن. في الحالة الأولى ، تسمى الطاقة الكامنة طاقة وضع الجاذبية ، بينما في الحالة الثانية ، تسمى الطاقة الكامنة المرنة.
تعتمد طاقة الجاذبية الكامنة على الكتلة والجاذبية والارتفاع في النقطة التي يتم فيها تحليل الجسم. من ناحية أخرى ، تُستمد الطاقة الكامنة المرنة من الثابت المرن وتشوه الزنبرك المعني.
الطاقة الميكانيكية
الطاقة الميكانيكية هي الطاقة التي يمكن نقلها بالقوة. في الأساس ، يمكن فهمه على أنه مجموع الطاقة الحركية والمحتملة للجسم.
تظل الطاقة الميكانيكية ثابتة في حالة عدم وجود قوى تبديد ، يتم فقط التحويل بين أشكالها الحركية والمحتملة.
طاقة حرارية
تُعرَّف الطاقة الحرارية أو الطاقة الداخلية بأنها مجموع الطاقة الحركية والمحتملة المرتبطة بالعناصر المجهرية التي تتكون منها المادة. تمتلك الذرات والجزيئات التي تتكون منها الأجسام حركات عشوائية من الترجمة والدوران والاهتزاز. هذه الحركة تسمى التحريض الحراري. يحدث التغيير في الطاقة الحرارية للنظام من خلال العمل أو الحرارة.
من الناحية النظرية ، ترتبط الطاقة الحرارية بدرجة حركة الجسيمات دون الذرية. كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زادت طاقته الداخلية. عندما يتلامس الجسم ذو درجة الحرارة المرتفعة مع الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة أو ينخفض درجة حرارته ، يحدث انتقال الحرارة.
كهرباء
الطاقة الكهربائية هي الطاقة الناتجة عن الشحنات الكهربائية للجسيمات دون الذرية. تولد الشحنات ، أثناء تحركها ، تيارًا كهربائيًا ، مما ينتج عنه ما نسميه الكهرباء.
ضوء أو طاقة شمسية
تتشكل الطاقة الضوئية من خلال مجموعة من الموجات التي يمكن أن تلتقطها العين. علاوة على ذلك ، يتم إدراكه من قبل النباتات التي تستخدمه في عملية التمثيل الضوئي. تصل أشعة الضوء ، وهي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي ، إلى أعيننا وتضرب شبكية العين وتولد إشارة كهربائية تنتقل على طول الأعصاب إلى الدماغ.
يمكن تحويلها إلى طاقة حرارية أو كهربائية وتطبيقها على استخدامات مختلفة. الطريقتان الرئيسيتان لاستخدام الطاقة الشمسية هما توليد الكهرباء وتسخين المياه بالطاقة الشمسية. لإنتاج الطاقة الكهربائية ، يتم استخدام نظامين: الطاقة الحرارية الشمسية ، حيث يتم تحويل الإشعاع أولاً إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة كهربائية ؛ والطاقة الكهروضوئية ، حيث يتم تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية.
الطاقة السليمة
تنتقل الطاقة الصوتية عبر الهواء ، عن طريق الحركة الجزيئية بين جسمين أو أكثر ، مسببة موجة صوتية. تتكون الموجة الصوتية من مناطق انضغاط الجزيئات (الجزيئات قريبة من بعضها ، وارتفاع الضغط) ومناطق تخلخل الجزيئات (الجزيئات المتباعدة ، والضغط المنخفض). يمكن إنتاج الصوت عندما يكون جسمان في اتجاهين متعاكسين ، أو إذا كانا في نفس الاتجاه ، فإن سرعتهما مختلفة.
موجات الكلام والأصوات الشائعة الأخرى هي موجات معقدة تنتج عند ترددات اهتزاز مختلفة. عند الوصول إلى الأذن ، تتحول الطاقة الصوتية إلى إشارات كهربائية تنتقل على طول الأعصاب إلى الدماغ وبالتالي ندرك الصوت.
الطاقة النووية
الطاقة النووية هي الطاقة المنتجة في المحطات النووية الحرارية. مبدأ عمل المحطة النووية الحرارية هو استخدام الحرارة لتوليد الكهرباء. تأتي الحرارة من انقسام نوى ذرات اليورانيوم إلى جزأين ، وهي عملية تسمى الانشطار النووي.
يستخدم الإشعاع على نطاق واسع في الطب والأشعة السينية والعلاج الإشعاعي ، ولكنه يرتبط أيضًا بآثار سلبية مثل القنابل الذرية والنفايات النووية.
