أشكال الطاقة

ما هي أشكال الطاقة؟

تتواجد الطاقة بأشكال مختلفة في العالم بدءًا من أجسام الكائنات وحتى الكواكب الضخمة، كما يُمكن أن تتحوّل من شكل لآخر، وفيما يأتي بعض أهم هذه الأشكال:

الطاقة الميكانيكية

تُنتج الطاقة الميكانيكية (بالإنجليزية: Mechanical Energy) في الأجسام بسبب حركتها أو موقعها، كما يمكن أن تُنتج من كليهما، وتُستخدم في إنجاز شغلٍ ما، ومن الأمثلة على ذلك، كرة مقذوفة في نقطة ما فوق سطح الأرض، فهي تمتلك طاقة ميكانيكية ناتجة عن موقعها بالنسبة للأرض كمرجع، وناتجة أيضًا بسبب حركتها بسرعة معيّنة.

وبذلك يُمكن القول بأنّ للطاقة الميكانيكيّة نوعان أساسيان، هما:

• الطاقة الحركية.
• طاقة الوضع.

يُمكن القول بأنّ طاقة الوضع هي الطاقة المخزنة في الجسم الساكن بسبب موقعه ، كشخص واقف على ارتفاع معيّن فوق سطحٍ ما، أو كرة تطير عند ارتفاع ما، كما يُمكن القول بأنّ الطاقة الحركية عمومًا هي الطاقة الناتجة عن تغيّر موقع الجسم أو حركته، كمركبة تسير بسرعة معيّنة مثلًا، أو شخص يركب أرجوحة بغض النظر عن اتّجاه حركته.

تكون طاقة الوضع للجسم المتحرك تساوي صفر عمومًا، وتكون طاقة الحركة للجسم الساكن صفرًا أيضًا، ويَربط بينهما علاقة رياضية يُحسب من خلالها الطاقة الميكانية الكليّة، كما يأتي:

الطاقة الميكانيكية= طاقة الحركية طاقة الوضع

وبالرموز:

ط م = ط ح ط و

ومنها:

ط م= 1/2× ك× ع ك× جـ × أ

وبالرموز الإنجليزية:

M.E = K. E P.E

ومنها:

M.E = 1/2 mv  mgh

إذ إنّ:

• ط م (M.E): الطاقة الميكانيكية، بوحدة الجول.
• ط ح (K. E): الطاقة الحركية، بوحدة الجول .
• ط و (P.E): طاقة الوضع، بوحدة الجول .
• ك (m): كتلة الجسم، بوحدة كغ.
• ع (v): سرعة الجسم، بوحدة م/ث.
• أ (h): ارتفاع الجسم، بوحدة المتر.
• جـ (g): تسارع الجاذبية الأرضية، بوحدة م/ث.

الطاقة الكهربائية

تُعرَف الطاقة الكهربائية (بالإنجليزية: Electrical Energy) بأنّها الطاقة الناشئة من حركة الإلكترونات المشحونة عند انتقالها على طول مسار موصل من نقطة إلى أخرى، كما تدخل الطاقة الكهربائية في العديد من التطبيقات في الحياة اليومية، ومن ذلك ما يأتي:

• الإضاءة.
• الحصول على الحرارة أو التبريد.
• تشغيل الأجهزة والآلات الإلكترونية.

تنتج الطاقة الكهربائية المستخدمة من خلال 3 طرق أساسية، وهي:

• الوقود الأحفوري

هو أهم مصدر لإنتاج الطاقة الكهربائية، فعلى سبيل المثال؛ استُخدم الغاز الطبيعي لتوليد 40% من الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2020م، كما يُستخدم كل من الفحم والنفط في ذلك.

• الطاقة النووية

يعتمد توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية على حدوث الانشطار النووي داخل محطات الطاقة النووية، وقد وصلت نسبة الطاقة الكهربائية المولّدة بهذه الطريقة في أمريكا إلى 20% بحلول عام 2020م.

• الطاقة المتجدّدة

يُمكن الاعتماد على الطاقة المتجدّدة؛ كطاقة الشمس والرياح والمياه لتوليد الطاقة الكهربائية، ويُشكّل هذا النوع 20% من الطاقة الكهربائية المولّدة في أمريكا عام 2020م.

الطاقة المغناطيسية

تنتج الطاقة المغناطيسية (بالإنجليزية: Magnetic energy) بسبب حركة الإلكترونات باتّجاه محدّد، كأن تتحرّك من القطب الشمالي إلى الجنوبي في المغناطيس.

وبذلك يُمكن التعبير عن الطاقة المغناطيسية من خلال اتّجاه المجال المغناطيسي المتدفّق من الأجسام الممغنطة، و المجال المغناطيسي عمومًا هو المنطقة المحيطة بالمغناطيس ، كما يُشار إليه بخطوط وهمية لا تتقاطع تعبّر عن اتّجاهه وكثافته.

الطاقة الكهرومغناطيسية

ترتبط الطاقة الكهربائية بالمغناطيسية ارتباطًا وثيقًا، ويُمكن التعبير عنهما معًا بمصطلح واحد وهو الطاقة الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic energy) التي تجمع بين النوعين، كما تتفاوت أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية فيما بينها بالطول الموجي، والتردّد.

وبذلك تظهر إشعاعات الموجات المغناطيسية بأنواع مختلفة، منها:

• موجات الراديو.
• أشعة غاما.
• الأشعة تحت الحمراء.
• الأشعة فوق البنفسجية.
• الموجات السينية.

الطاقة الكيميائية

تعرف الطاقة الكيميائية (بالإنجليزية: Chemical energy) بأنها الطاقة التي تُخزّن في الروابط الكيميائية في المركبات المختلفة، وأثناء التفاعلات الكيميائية الطاردة ينبعث جزء من هذه الطاقة على شكل حرارة، وتعدّ الطاقة الكيميائية من الأنواع التي تتحوّل طبيعيًا إلى أشكال أخرى كما يوضّح الجدول الآتي:

تتحوّل الطاقة الكيميائية بصورة أساسية من شكل إلى آخر بعد حدوث التفاعلات الكيميائية، وتعدّ الطاقة الكيميائية المحرّك الأوّل لهذه التفاعلات الكيميائية، فلا يمكن لتفاعل كيميائي أن يحدث دون وجود طاقة ممتصة أو منبعثة.

ويُستدل على وجود هذه الطاقة من خلال إيجاد الفرق بين المتفاعلات والنواتج عن طريق جهاز يسمّى بالمسعّر.

الطاقة الحرارية

تتواجد الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal energy) في كلّ الأجسام على اختلاف حالتها الفيزيائية سواء أكانت صلبة، أو سائلة، أو غازية، فكل جسم يتكوّن من جزيئات صغيرة جدًا، يُطلق عليها اسم ذرّات، تكون في حالة حركة وتذبذب مستمرّة، ويؤدي ذلك إلى العديد من التصادمات التي تعمل على إنتاج الطاقة الحرارية.

وتنتقل الطاقة الحرارية بطرق مختلفة، من ذلك:

• الحمل

طريقة تنتقل فيها الحرارة بين السوائل والغازات، وترتكز فكرتها على فرق الكثافة بين الهواء البارد والساخن.

• التوصيل

طريقة تنتقل فيها الحرارة بين المواد الصلبة تحديدًا بسبب تقارب ذرّاتها وجزيئاتها بالتواصل المباشر.

• الإشعاع

طريقة تسمح بانتقال الطاقة الحرارية عبر الأشعة والموجات دون الحاجة إلى جسيمات، ويكون انتقالها بسرعة الضوء وفي جميع الاتجاهات.

تنتقل الحرارة بين جميع الأجسام من الجسم الأعلى إلى الأقل حرارةً للوصول إلى نقطة الاتّزان الحراري، فعلى سبيل المثال، عند وضع قطعة من الثلج في سائل ما، ستنتقل الحرارة من السائل إلى قطعة الثلج متسبّبةً في ذوبانها، كما يتسبّب الثلج بتبريد السائل.

تظهر أهمية الطاقة الحرارية في العديد من مجالات الحياة؛ كالتدفئة، والطبخ، والتجفيف، والتصنيع، وتسخين المياه، وفي عمليات التبريد، وغيرها العديد.

الطاقة الأيونية

يُطلق على الطاقة الأيونية أيضًا اسم طاقة التأين (بالإنجليزية: Ionization energy)، وتُعرف بأنّها الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من ذرّة العنصر، ومن الوحدات المستخدمة في قياسها الجول، والإلكترون فولت.

وتكون الطاقة الأيونية اللازمة لإزالة الإلكترون الأول أقل من الطاقة التي تلزم لإزالة إلكترونات أخرى بعد ذلك، وكلّما كان انتزاع الإلكترون أسهل، كان العنصر أنشط كيميائيًّا.

تدور الإلكترونات السالبة في مدارات خاصة حول النواة موجبة الشحنة، ويحافظ الارتباط بين الإلكترونات والنواة على الذرّة، والطاقة الأيونية تهدف إلى التغلّب على هذا الترابط الموجود بين الإلكترون الأبعد الموجود في المدار الأخير والنواة لتتحوّل ذرة العنصر بذلك إلى أيونات ذات شحنة، ومن هنا جاءت تسميتها بالطاقة الأيونية.

الطاقة النووية

يعود سبب تسمية الطاقة النووية (بالإنجليزية: Nuclear energy) إلى وجودها داخل أنوية الذرات، وهي طاقة هائلة تساهم في ربط هذه الأنوية وتماسكها معًا، لكن لا بدّ من إطلاقها للاستفادة منها بعد ذلك في توليد الطاقة الكهربائية كهدف رئيس، واستخدام هذه الطاقة فيما بعد في تزويد المباني والمنشآت بالكهرباء اللازمة لتشغيلها، وذلك دون إلحاق الضرر بالبيئة.

ومن أمثلة الطاقة النووية ما يأتي:

• الانشطار النووي (Nuclear fission).
• الاندماج النووي (nuclear fusion).
• التحلل الإشعاعي (nuclear decay).

يُستخدم عنصر اليورانيوم بشكل أساسي في محطات المفاعل النووي لإنتاج الطاقة، ويبدأ ذلك بتفكّك بعض ذرّات اليورانيوم أثناء الانشطار النووي، وتتسبّب نواتج الانشطار في تفكّك ذرات أخرى من اليورانيوم، ويُطلق على هذا التفاعل اسم التفاعل المتسلسل، وينشأ عنه طاقة حرارية تُستخدم فيما بعد لتحريك العنفات أو التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية.

الطاقة الصوتية

تحتاج الطاقة الصوتية (بالإنجليزية: Sound energy) إلى وسط تنتقل من خلاله على شكل موجات، ولا يمكن أن تنتقل عبر الفراغ، وقد تنتقل عبر الهواء، أو الماء، أو حتى المعادن، وتنتج هذه الموجات عن اهتزاز المواد بسبب وجود قوّة ما أدّت إلى ذلك، ويُطلق على هذه الموجات اسم الموجات الصوتية.

تتأثر الطاقة الصوتية بالوسط الحامل لها، فتتقلّص وتتمدّد، وتتفاوت تردّدات الموجات الصوتية أو درجاتها أيضًا ممّا يؤدي إلى اختلافها، وعند وصول هذه الموجات إلى الأذن وانتقالها إلى الدماغ، يتمكّن الدماغ من تفسيرها، ومن الأمثلة على هذه الأصوات:

• الصوت الناتج عن الكلام أو الغناء.
• صوت التصفيق.
• أصوات الآلات الموسيقية.
• صوت الألعاب النارية.
• الصوت الناتج عن مراوح التكييف.

تختلف أشكال الطاقة في هذا العالم، فمنها ما يمكن ملاحظته ومنها ما هو خفيّ، كما يمكن أن تتحوّل الطاقة من شكل إلى آخر، كأن تتحول الطاقة الكيميائية في الغذاء إلى طاقة ميكانيكية تمكّن الإنسان من الحركة أو طاقة حرارية تمدّه بالدفء، ومن الأشكال الأخرى للطاقة؛ الطاقة الميكانيكية التي تجمع بين طاقتي الوضع والحركة، والطاقة الكهرومغناطيسية التي تجمع بين الكهربائية والمغناطيسية، والطاقة النووية، والصوتية، والأيونية، وغيرها.