طاقه

Energy - Energie

الطاقة

 

الطاقة energy هي المقدرة على القيام بعمل، وتقاس بواحدات العمل، ومنها الجول Joule والكيلواط الساعي kW.hr. وفي الميكانيك يجري الحديث عادة عن نوعين من الطاقة؛ طاقة كامنة potential energy، وهي طاقة يمتلكها الجسم بفضل موضعه، وطاقة حركية kinetic energy، وهي طاقة يكتسبها الجسم بفضل حركته. فإذا رُفع جسم كتلته m مسافة h عن سطح الأرض أضحت له طاقة كامنة مقدارها mgh، حيث ترمز g إلى التسارع الأرضي.

وقد تأخذ الطاقة الكامنة شكلاً آخر كما هي الحال في نابض مضغوط. إذ لابد من بذل عمل على النابض حتى ينضغط إلى طول أقصر. والنابض في هذا الوضع المضغوط يمتلك طاقة كامنة تعطى بالعلاقة  ؛ حيث ترمز k إلى ثابت مرونة النابض، وx إلى مقدار انضغاطه.

وإذا تحرك جسم كتلته m بسرعة v فإنه يكتسب طاقة حركية مقدارها  ، وإذا كان الجسم يدور حول محوره بسرعة زاوية ω، وكان عزم عطالته حول محور الدروان مساوياً I، فإن طاقته الحركية تعطى بالعلاقة  . وإذا اجتمع للجسم حركتان انسحابية بسرعة خطية v ودورانية بسرعة زاوية ω كانت طاقته الحركية الكلية مساوية إلى:

يمكن للطاقة الكامنة أن تتحول إلى طاقة حركية، كما يمكن للطاقة الحركية أن تتحول إلى طاقة كامنة. فكُرة النواس التي تهتز جيئة وذهاباً تمتلك في أعلى وضع تبلغه طاقة كامنة صرفة، وتكون طاقتها في أدنى وضع لها طاقة حركية صرفة، وفيما عدا ذلك يكون لها طاقتان حركية وكامنة، ويكون مجموع طاقتيها ثابتاً بافتراض انعدام الاحتكاك، وهو ما تتصف به أي جملة ميكانيكية معزولة، ونعبر عن ذلك بمبدأ انحفاظ الطاقة conservation of energy. أما في الحالة العامة فإنه يرافق حركة الجسم في الهواء احتكاك يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجملة الميكانيكية، ولوصف تفاعل هذه الجملة مع الوسط الذي تتحرك فيه يمكن الحديث عن طاقة داخلية للجملة internal energy.

تمثل الطاقة الداخلية لجملة مجموع الطاقات الحركية لكافة جزيئاتها، والطاقات الكامنة العائدة للقوى الفاعلة فيما بينها. يتعذر في الحالة العامة حساب القيمة المطلقة لهذه الطاقة، إلا أن من السهل تحديد مقدار تغيرها. ففي جملة تتبادل العمل والطاقة الحرارية مع الوسط الخارجي، يكون تغير الطاقة الداخلية لها (Δu) مساوياً مجموع كمية الحرارة المقدمة للجملة Q مضافاً إليها العمل (-w) الذي يُبذل عليها، أو مطروحاً منها العمل الذي تقدمه الجملة للوسط الخارجي ويعبر عن ذلك بالعلاقة:

   Δu = Q + (-w)

الشكل (1) أنواع مختلفة من الطاقة

يُشار هنا إلى أن كمية الحرارة Q تقاس عادة بالحريرة calorie، والحريرة تعادل 4.18جولاً.

تمثل الطاقة الحرارية لجسم الطاقة الحركية الإجمالية الناشئة عن حركة جزيئاته. وبالإمكان تحويل الطاقة الميكانيكية لجملة ما بأكملها إلى طاقة حرارية، أما التحول المعاكس فيخضع إلى المبدأ الثاني في التحريك الحراري أو الترموديناميك[ر]، والذي ينص على أن مجموع الطاقتين الحرارية والميكانيكية في جملة معزولة يبقى ثابتاً.

ثمة طاقات من أنواع أخرى، كالطاقة الكيميائية chemical energy، والطاقة النووية[ر] nuclear energy، وطاقة الكهرباء الساكنة electrostatic energy، والطاقة المغنطيسية magnetic energy، والطاقة الكهرمغنطيسية electromagnetic energy، كالطاقة الضوئية التي تنتشر في الفضاء بسرعة الضوء.

كما يمكن الحديث عن أنواع أخرى من الطاقة؛ كالطاقة الشمسية solar energy وطاقة الرياح wind energy والطاقة الكهرمائية hydroelectric energy المتولدة من المياه المحتجزة وراء السدود، ويبين الشكل (1) أنواعاً مختلفة منها.

وأخيراً فقد بين أينشتاين عام 1905 في نظريته النسبية تكافؤ الكتلة والطاقة، إذ تعطى طاقة جسم يتحرك بسرعة v بحسب هذه النظرية بالعلاقة E = mc². حيث ترتبط m بكتلة الجسم وهو ساكن m₀ بالعلاقة:

 فللجسم الساكن بحسب هذه النظرية طاقة سكونية مقدارها m₀ c². ولقد جرى التحقق من مبدأ تكافؤ الكتلة والطاقة في الفيزياء النووية. فاندماج fusion نواتين خفيفتين لتوليد نواة واحدة أثقل يرافقه نقص في الكتلة الإجمالية وتحرير طاقة هائلة بحسب طاقات الارتباط binding energies، العائدة للجسيمات المكونة لهذه النوى.

أحمد حصري

الموضوعات ذات الصلة:

 

اقتصاد الطاقة ـ أينشتاين ـ التحريك الحراري (علم ـ) ـ طاقة الرياح ـ الطاقة الشمسية ـ الطاقة المائية ـ الطاقة النووية.

 

مراجع للاستزادة:

 

- Paul A.Tipler, Physics for Scientists and Engineers, 3rd Edition (Worth publishers, Inc.1991).

 

---

- التصنيف : الكيمياء و الفيزياء - النوع : علوم - المجلد : المجلد الثاني عشر - رقم الصفحة ضمن المجلد : 435 مشاركة :