تعريف الطاقة وتحولاتها
تُعتبر الطاقة عنصرًا أساسيًا في حياتنا اليومية، فكل ما يحيط بنا يعتمد بشكلٍ أو بآخر على الطاقة كعامل رئيسي في تشغيله. تتنوع أشكال الطاقة وتعريفاتها، كما تتغير من صورة لأخرى، وهو ما سنستعرضه في هذا المقال.
تعريف الطاقة
- تُعرَّف الطاقة على أنها إحدى خصائص المادة التي يمكن تحويلها، وتظهر بأشكال متنوعة.
- من هذه الأشكال: العمل، الإشعاع، الحرارة، إذ تُعتبر الطاقة القدرة على إنجاز الأعمال.
- ظهر مفهوم الطاقة بشكل موسع في أواخر القرن الثامن عشر خلال الثورة الصناعية.
- حيث تم التعرف على الإشعاع والحرارة كشكلين متميزين من الطاقة لهما نفس الأهمية كالمفهوم التقليدي للعمل.
- تُستخدم الحرارة في أشكال متعددة، مثل التدفئة في الشتاء وتبريد الأماكن في الصيف، كما لا يمكن تجاهل وجود الإشعاع المحيط بنا.
أشكال الطاقة
تتعدد أنواع الطاقة، وتنقسم بشكل رئيسي إلى فئتين هما: الطاقة الحركية والطاقة الكامنة.
الطاقة الحركية
- تُعرَّف الطاقة الحركية (بالإنجليزية: Kinetic Energy) بأنها الطاقة الناتجة عن حركة الأجسام المختلفة، حيث تمتلك الأجسام المتحركة القدرة على تنفيذ عمل أو إحداث تغيير معين، على عكس الأجسام الساكنة التي لا تملك طاقة حركية. على سبيل المثال، في حال تم قذف كرة نحو جدار، فإنها ستحدث تأثيرًا بينما لا تستطيع الكرة الساكنة فعل ذلك.
أشكال متنوعة من الطاقة الحركية تشمل:
الطاقة الإشعاعية
- هي صورة من الطاقة الكهرومغناطيسية التي تنتقل عبر الموجات المستعرضة، وتشمل الضوء المرئي، وموجات الراديو، والأشعة السينية، وأشعة غاما. يُعتبر ضوء الشمس مثالاً على الطاقة الإشعاعية.
الطاقة الحرارية
هي الطاقة الناتجة عن حركة الذرات والجزيئات في المادة، بحيث تزداد سرعة حركة الجزيئات مع ارتفاع كمية الطاقة الحرارية. تُعتبر الطاقة الحرارية الجوفية مثالًا على هذا النوع.
طاقة الحركة
- هي الطاقة المخزنة في الأجسام المتحركة، وتزداد كميتها مع زيادة سرعة الحركة، ويتم تحرير هذه الطاقة عند توقف الأجسام أو عند بطء حركتها، كما يحدث في طاقة الرياح.
الطاقة الصوتية
- تنتج الطاقة الصوتية نتيجة تأثير قوة معينة على مادة ما، مما يسبب اهتزازها، وتنتقل الطاقة عبر المواد على شكل موجات طولية. ومن الجدير بالذكر أن مقدار الطاقة الناتجة عن الصوت أقل مقارنة بالأشكال الأخرى من الطاقة.
الطاقة الكهربائية
- تُنقل الطاقة الكهربائية عبر الأسلاك بواسطة حركة الإلكترونات، وهي جزيئات مشحونة صغيرة. ومن الأمثلة عليها: البرق الذي يُعتبر مثالاً على الطاقة الكهربائية الطبيعية. بعد التعرف على الطاقة الحركية، سننتقل للحديث عن الطاقة الكامنة.
الطاقة الكامنة
- تُعرف الطاقة الكامنة بأنها الطاقة الناتجة عن وجود أجسام في نظام معين بحيث يؤثر كل جسم على الآخر بقوة مستقلة.
- على سبيل المثال، الكون الذي نعيش فيه يتكون من أنظمة متعددة تختلف في أحجام الأجسام بدايةً من الذرات ووصولًا إلى الكواكب، ويتم تخزين الطاقة الكامنة في هذه الأجسام.
- هذه الطاقة يمكن تحريرها أو تخزينها حسب تغير ترتيب الأجسام أو نوع القوة المؤثرة.
- مثال: عندما يكون كتاب على الأرض، فإنه يمتلك طاقة كامنة بسبب تأثير الجاذبية. أما إذا وُجد الكتاب في الفراغ، فلن يمتلك أي طاقة كامنة لعدم وجود جسم آخر يؤثر عليه.
- تنقسم الطاقة الكامنة إلى عدة أشكال، منها:
الطاقة الكيميائية
- تُعتبر الطاقة المخزنة في الروابط بين الجزيئات والذرات، ويمكن أن تتحول إلى طاقة حرارية. ومن الأمثلة على الطاقة الكيميائية الغاز الطبيعي، البطاريات، الكتلة الحيوية والفحم.
الطاقة الميكانيكية
- هي الطاقة المخزنة في الأجسام نتيجة للضغط والشد، مثل الطاقة المدخرة في الأشرطة المطاطية.
الطاقة النووية هي الطاقة المخزنة في نواة الذرة، ونتيجة لدمج مكونات النواة أو فصلها تتشكل كميات هائلة من الطاقة النووية.
طاقة وضع الجاذبية
- هي الطاقة المخزنة في الأجسام نتيجة لتأثير قوة الجاذبية، حيث تزداد تلك الطاقة بزيادة وزن الجسم وارتفاعه عن سطح الأرض، ومثال على ذلك الطاقة الكهرومائية.
مصادر الطاقة
- مصادر متجددة.
- مصادر غير متجددة.
مصادر متجددة
- تُطلق عليها باللغة الإنجليزية renewable energy resources، وتتميز هذه المصادر بأنها دائمة التجدد ونظيفة.
أمثلة على مصادر الطاقة المتجددة:
- الطاقة الشمسية solar
- الطاقة الكهرومائية hydropower
- طاقة الرياح wind
مصادر غير متجددة
على الرغم من توفر مصادر الطاقة المتجددة، إلا أننا نعتمد بشكل كبير على المصادر غير المتجددة، والتي تتسبب في تلوث البيئة. هذه المصادر غالبًا ما تكون نادرة في البيئة ولها أشكال متعددة.
ومن أمثلتها:
- الفحم coal
- البترول petroleum
- الغاز الطبيعي natural gas
- اليورانيوم uranium
تحولات الطاقة
تشير تحولات الطاقة إلى تحويل الطاقة الأولية الموجودة في الطبيعة إلى أشكال أخرى قابلة للاستخدام، مما يتيح لنا الاستفادة منها بطرق متنوعة في حياتنا اليومية.
أنواع التحويلات:
أولاً: تحويلات أحادية الطاقة
ثانيًا: تحويلات متعددة الطاقة
التحويلات الأحادية الطاقة
توضح هذه التحويلات كيفية تحويل الطاقة إلى شكل واحد فقط.
أمثلة على هذه التحويلات:
- عندما يدخل الطعام إلى جسم الإنسان على شكل طاقة كيميائية، فإنه يتحول داخل الجسم إلى طاقة حرارية للحفاظ على درجة حرارته.
- كما توجد طاقة حركية في الجسم، حيث تتحول الأطعمة الغنية بالطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية تُساعد في تحريك العضلات.
- في حياتنا اليومية، لإجراء المكالمات الهاتفية، يجب تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كهرومغناطيسية.
التحويلات متعددة الطاقة
تشير هذه التحويلات إلى عملية تمر بها الطاقة عبر عدة مراحل للوصول إلى الشكل المناسب للاستخدام.
أمثلة على التحويلات المتعددة:
- دورة الديزل: للوصول إلى الطاقة الميكانيكية المطلوبة، يجب حدوث سلسلة من التفاعلات التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية، ثم إلى طاقة ميكانيكية.
- محرك السيارة: لكي تتحرك إطارات السيارة، يجب الحصول على طاقة ميكانيكية. عند بدء تشغيل المحرك، تنتج طاقة كهربائية، مما يؤدي إلى تحرير الطاقة الكيميائية في الوقود.
- عندما يتم ضغط الوقود، يؤدي ذلك إلى تحريك إطارات السيارة نتيجة لإنتاج الطاقة الميكانيكية من الطاقة الكيميائية.
- دورة رانكن: تهدف هذه الدورة للحصول على طاقة كهربائية بعد المرور بعدد من التفاعلات، ويتم ذلك بأشكال متنوعة.
- يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة ميكانيكية ثم إلى طاقة كهربائية.
- كما يتم تحويل الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ومن ثم إلى طاقة ميكانيكية، وآخرًا إلى طاقة كهربائية.
أهمية الطاقة
تُعتبر الطاقة من العناصر الأساسية التي يقوم عليها حياة الإنسان اليومية، حيث تُستخدم في جميع مجالات الحياة وتُعتبر بنفس أهمية الماء والهواء.
