1.6: ماهي الطاقة؟

يتكون الكون من مادة بأشكال مختلفة، وتحتوي جميع أشكال المادة على طاقة.   تنشأ أشكال الطاقة المختلفة على الأرض من الشمس — المصدر المطلق للطاقة. تلتقط النباتات الطاقة الضوئية من الشمس، وتحولها عبر عملية التمثيل الضوئي إلى طاقة كيميائية. يمكن تسخير هذه الطاقة المخزنة من النباتات بطرق عديدة. على سبيل المثال، يعمل تناول المنتجات النباتية كغذاء على تزويد جسمنا بالطاقة اللازمة للعمل، كما يعمل حرق الأخشاب أو الفحم (النباتات المتحجرة) على توليد الحرارة والكهرباء. لذلك، نظراً لأن جميع تغيرات المادة تنطوي على تغييرات في الطاقة، فمن الضروري فهم كيفية تدفق الطاقة من شكل إلى آخر.  

يتم تعريف الطاقة بأنها القدرة على أداء العمل. يتم العمل عندما تتسبب قوة مطبقة على جسم ما في تحرك الجسم ضد قوة معارضة. على سبيل المثال، يتم العمل عند دفع الطاولة عبر غرفة ضد المقاومة من الأرض.  

يمكن تجميع الطاقة في نوعين رئيسيين: الطاقة الكامنة والطاقة الحركية. الطاقة الكامنة هي الطاقة المرتبطة بالموضع النسبي للجسم أو تكوينه أو حالته. الطاقة الحركية هي الطاقة المرتبطة بحركة الجسم. على سبيل المثال، يمتلك الماء الذي يتم الاحتفاظ به خلف أحد السدود طاقة كامنة بسبب موقعه فوق سطح الأرض. عندما يتدفق الماء إلى أسفل عبر المولدات، فإنه يكتسب طاقة حركية، والتي يمكن وضعها للعمل على توليد الكهرباء في محطة لتوليد الطاقة الكهرومائية.

الطاقة الكامنة

تُعرف الطاقة الكامنة أيضًا بالطاقة عند الراحة أو الطاقة المخزنة. تشمل الأنواع الشائعة للطاقة الكامنة طاقة الجاذبية المخزنة في تفاحة معلّقة من شجرة،   الطاقة الكامنة الكهربائية المخزنة في جسم ما بسبب جاذبية الشحنات الكهربائية أو تنافرها، أو الطاقة الكامنة الكيميائية المخزنة في الروابط بين الذرات والجزيئات. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة النووية المخزنة في نواة الذرّة والطاقة المرنة المخزّنة في زنبرك ممدّد بسبب تكوينها هي أنواع من الطاقة الكامنة.

عادة ما تكون الأجسام أو الأنظمة ذات الطاقة الكامنة العالية أقل استقراراً، وبالتالي تتحرك نحو مستويات طاقة أقل لتحقيق الاستقرار. على سبيل المثال، يحتوي العنصر المشع اليورانيوم-235 (U²³⁵) على نواة غير مستقرة. ولاكتساب الاستقرار، تنقسم النواة إلى عناصر أصغر ولكنها مستقرة وتطلق الطاقة النووية المخزنة. من الممكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة المحرّرة لتوليد الطاقة الكهربائية في محطات الطاقة النووية.  

الطاقة الحركية

تعتمد كمية الطاقة الحركية لجسم ما على كتلته وسرعته. لنتأمل كرتين بكتلتين مختلفتين تتدحرجان على سطح مائل بنفس السرعة. سيكون للكرة الأثقل طاقة حركية أكبر. وعلى نحو مماثل، عندما تتدحرج كرتان من نفس الكتلة على سطح مائل بسرعات مختلفة، فإن الكرة التي تتحرك بشكل أسرع تتمتع بقدر أكبر من الطاقة الحركية.  

توجد أيضاً أشكال مختلفة من الطاقة الحركية، بما في ذلك الطاقة الميكانيكية، والكهربائية، والإشعاعية، والصوتية، والحرارية. ترتبط الطاقة الميكانيكية بحركة الجسم. كلما تحرك الجسم بشكل أسرع، ازدادت الطاقة الميكانيكية التي يتمتع بها.   على سبيل المثال، تشكل الرصاصة التي أطلقت من مسدس أو الماء المتدفق إلى أسفل أحد السدود هي أمثلة على الطاقة الميكانيكية. تُعزى الطاقة الكهربائية إلى تدفق الشحنات الكهربائية، كما لوحظ في حالة حدوث صواعق صاعقة أثناء العواصف الرعدية أو الدوائر والأجهزة الكهربائية اليومية. الطاقة الإشعاعية هي شكل الطاقة الحركية التي تنتقل على شكل موجات كهرومغناطيسية ويمكن تجربتها في شكل ضوء وحرارة. يمثل ضوء الشمس مثالاً على الطاقة الإشعاعية.

ترتبط الطاقة الحرارية بالحركة العشوائية للذرات والجزيئات. وعندما تتحرك الذرات والجزيئات في جسم ما أو تهتز بسرعة، فإن متوسط الطاقة الحركية لديها أعلى، ويقال إن الجسم “ساخن.” عندما تتحرك الذرات والجزيئات ببطء، يكون متوسط طاقة حركية أقل، ويتم اعتبار الجسم كـ “بارد.” وبالتالي، يمكن ملاحظة الطاقة الحرارية من خلال التغيرات في درجة حرارة الجسم. بافتراض عدم حدوث أي تفاعل كيميائي أو تغير في الحالة (مثل الانصهار أو التبخر)، فإن زيادة كمية الطاقة الحرارية في عينة من المادة ستتسبب في زيادة درجة حرارتها. وبالمثل، بافتراض عدم حدوث أي تفاعل كيميائي أو تغير في الحالة (مثل التكثف أو التجمد)، فإن خفض كمية الطاقة الحرارية في عينة من المادة سيتسبب في انخفاض درجة حرارتها.

قانون حفظ الطاقة

يمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، لكن إجمالي الطاقة الموجودة قبل التغيير موجود دائمًا بشكل ما حتى بعد التغيير. يتم التعبير عن هذه الملاحظة على أنها قانون حفظ الطاقة. ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تنشأ ولا تفنى، على الرغم من امكانية التغيير في شكلها. وبالتالي، فإن الطاقة الإجمالية للنظام تبقى ثابتة. على سبيل المثال، يتم تخزين الطاقة الكيميائية (نوع من الطاقة الكامنة) في الجزيئات التي يتكون منها البنزين.عندما يتم حرق البنزين داخل أسطوانات محرك السيارة’، فإن المنتجات الغازية سريعة التمدّد الناتجة عن هذا التفاعل الكيميائي تولد طاقة ميكانيكية (نوع من الطاقة الحركية) عندما تقوم بتحريك مكابس الأسطوانة.’

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, القسم 5.1: أساسيات الطاقة.

تعرف الطاقة أنها القدرة على العمل. يعرف العمل أنه المسافة المغطاه بشيء ما كاستجابة لقوة مطبقة. على سبيل المثال،عند رفع كتاب من الأرض ووضعه على الطاولة،نقوم بالعمل ضد قوة الجاذبية.

تصنف الطاقة لصنفين كامنة،وحركية الطاقة الكامنة هي الطاقة المتعلقة بموضع الشيء وتكوينه وحالته. و تعرف أيضا باسم الطاقة عند السكون أو الطاقة المختزنه على سبيل المثال،حمل الكتاب فوق الأرض،على الطاولة يكون له طاقة كامنة بسبب ارتفاعه. تبقى هذه الطاقة المحتملة مخزنة في الكتاب طيلة بقاؤه في هذه الوضعية.

أشكال مختلفة من الطاقة الكامنه تتضمن طاقة وضع الجاذبية،وطاقة الوضع الكهربائية،وطاقة الوضع الكيميائية،والطاقة النووية،والطاقة المرنه طاقة وضع الجاذبية هي الأكثر وضوحا من أنواع الطاقة الكامنة،وتعتمد على وضعية الشيءالنسبية تحت تأثير حقل الجاذبية. على سبيل المثال،الكتاب المرفوع فوق الطاولة لق طاقة جاذبية كامنة مخزنه به. تأتي الطاقة الكامنة الكهربائية من تجاذب أو تنافر الشحنات الكهربائية،متل الطاقة المخزنة داخل المكثف في الدائرة الكهربائية على شكل طاقة كهربائية كامنه.

الطاقة الكيميائية الكامنة هي الطاقة المخزنة في الجزيئات. على سبيل المثال،الخشب الناشف يختزن طاقة كيميائية كامنه والتي يتم إطلاقها وتحويلها إلى أشكال اخري من الطاقة عندما يحترق الخشب. الطاقة النووية تأتي من النواة الذرية.

والطاقة المرنه هي الطاقة المخزنة في الشيء بسبب تكوينه،مثل المقلاع المشدود الطاقة الحركية هي الطاقة المرتبطة بحركة الشيء. على سبيل المثال،عندما يقع الكتاب من على الطاولة،طاقته الكامنه تتحول إلى طاقة حركية بسبب حركته. تتواجد الطاقة الحركية بأشكال مختلفة مثل:طاقة ميكانيكية،وكهربائية،وحرارية،وإشعاعية.

بينما تحدث الطاقة الميكانية بسبب الحركة الميكانيكية للشئ كحركة السيارة،فإنّالطاقة الكهربائية تتكون من تدفق الشحنات الكهربائية كما نرى في الصواعق الرعدية. عندما تكون الطاقة الحركية على شكل أمواج كهرومغناطيسية،كالطاقة من ضوء الشمس،فتصبح طاقة إشعاعية. الطاقة الحرارية هي الطاقة الحركية المرتبطة بحركة الذرات و الجزيئات في الشيئ حيث الذرات والجزيئات في الجسم تتحرك وتهتز بسرعة وتتصادم بشكل أكثر تواتراًمع بعضها اليعض،فتزداد حرارة الجسم.

الحرارة الناتجة من شعلة تحترق هي مثال على الطاقة الحرارية. والعكس يحدث عندما تصبح إهتزازات أو حركة هذه الذرات والجزيئات بطيئه. يكون الجسم باردا وله طاقة حرارية قليله،مثل عندما يتجمد الماء.

كل هذ الأشكال المختلفة تسهل تدفق الطاقة من نوع إلى آخر،أو من جسم إلى آخر،لتتم العملية. قانون حفظ الطاقة ينص على أن الطاقة لا تفني ولا تستحدث من العدم،ولكنها تتحول من شكل إلى آخر ولذلك تظل الطاقة الكلية للنظام محفوظة. أثناء الرماية على سبيل المثال،يثبت السهم في قوس مشدود و يحتوي على طاقة وضع مرنه.

عند إطلاق السهم تتحول هذه الطاقة إلى طاقة حركية للسهم،ويدفع السهم ليصل إلى الهدف مرة أخرى،تبقى الطاقة الكلية محفوظه.