مفهوم الطاقة
تعرف الطاقة (بالإنجليزية: Energy) فيزيائيًا على أنها القدرة على القيام بعمل ما ، وقد توجد على أشكال مختلفة؛ مثل طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة، والطاقة الحركية، والحرارية، والكهربائية، والكيميائية، والنووية أو غيرها من الأشكال، ويمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، وتحدد نوعية الطاقة دائمًا وفقًا لطبيعتها بعد التحويل، فقد تصبح الحرارة المنقولة طاقة حرارية، في حين أن الشغل المنجز قد يظهر على شكل طاقة ميكانيكية.
أنواع الطاقة
يوجد العديد من أشكال أو أنواع الطاقة، وفيما يلي أهمها:
- الطاقة الميكانيكية: هي الطاقة التي تنتج عن حركة أو تموضع الشيء، وتعرف بأنها مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع، بغض النظر عن وجودهما معًا أو عن قيمهما، ومن الأمثلة على الطاقة الميكانيكية؛ الطاقة الحركية الناتجة عن حركة السيارة، بينما يمكن أخذ السيارة المتحركة على منحدر جبلي كمثال على الطاقة الميكانيكية المتكونة من الطاقة الحركية وطاقة الوضع معًا، لكن الكتاب الموضوع على طاولة ما مثالًا على طاقة الوضع فقط.
- الطاقة الحرارية: تعكس الطاقة الحرارية فرق درجة الحرارة بين أي نظامين، ومن أمثلتها؛ التبادل الحراري بين جسم الإنسان ومحيطه.
- الطاقة النووية: تنتج الطاقة النووية من التغيرات الواقعة في النوى الذرية أو من التفاعلات النووية؛ مثل الانشطار النووي، والاندماج النووي، والانحلال النووي، وتعد محطات توليد الطاقة النووية من أشهر الأمثلة على هذه الطاقة.
- الطاقة الكيميائية: تنتج الطاقة الكيميائية من التفاعلات الكيميائية بين الذرات أو الجزيئات، ومن أمثلتها الطاقة الكهروكيميائية المتولدة في الخلايا أو البطاريات الكهروكيميائية.
- الطاقة الكهرومغناطيسية: وهي الطاقة الإشعاعية القادمة من الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية، ويعد أي شكل من أشكال الضوء بما في ذلك أجزاء من الطيف غير المرئي من أشكال هذه الطاقة؛ ومن أمثلتها؛ الراديو، وأشعة جاما، والأشعة السينية، وأفران الميكروويف، والأشعة فوق البنفسجية.
- الطاقة الصوتية: وهي طاقة الموجات الصوتية التي تنتقل عبر الهواء أو أي وسط آخر، ومن أمثلتها؛ دوي اختراق حاجز الصوت، وأي صوت يخرج من سماعة ما، وصوت الإنسان نفسه هو شكل من أشكال هذه الطاقة.
- طاقة الجاذبية: وهي الطاقة المرتبطة بجذب الأجسام لبضعها البعض بناءً على كتلتها، ويعدها البعض أساس الطاقة الميكانيكية، مثل طاقة الوضع لجسم يوضع على الرف، أو الطاقة الحركية للقمر في مداره حول الأرض، وتساهم هذه الطاقة في الحفاظ على الغلاف الجوي للأرض في مكانه.
- الطاقة الحركية: تعرف الطاقة الحركية بأنها الطاقة الناتجة عن حركة الجسم ، وهي ذات قيمة موجبة أو صفرية فقط، أي موجودة أو معدومة وليست غير ذلك، ومثال عليها تأرجح طفل على أرجوحة ما، وبغض النظر عما إذا كان التأرجح للأمام أو للخلف، فإن قيمة الطاقة الحركية لا تكون سالبة أبدًا.
- الطاقة الكامنة أو طاقة الوضع: هي طاقة تموضع الجسم؛ مثل وصول الطفل المتأرجح على أرجوحة إلى أعلى القوس المتحرك به وتوقفه للحظة زمنية في الهواء، إذ تكون عندها قيمة هذه الطاقة أعلى ما يمكن، وعندما تكون الأرجوحة أقرب ما تكون إلى الأرض؛ فإن طاقتها الموضعية أو الكامنة في هذه الحالة تساوي صفرًا، ومن الأمثلة الأخرى؛ رمي الكرة في الهواء؛ ففي أعلى نقطة تصل إليها الكرة، تكون الطاقة المحتملة أكبر ما يمكن، أما عند ارتفاع الكرة وسقوطها، فيكون لديها مزيجًا من الطاقة الكامنة والحركية.
- طاقة التأين: هي الطاقة التي تربط الإلكترونات بنواة ذرة أو أيون أو جزيء، ومثال عليها؛ طاقة التأين الأولى للذرة التي تعادل الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون واحد تمامًا من مداره، وطاقة التأين الثانية التي تعادل طاقة إزالة الإلكترون الثاني والتي تكون أكبر من تلك المطلوبة لإزالة الإلكترون الأول.
وحدات الطاقة
تستخدم وحدة الجول (Joule) ذات الرمز (J)؛ لقياس الطاقة ضمن نظام الوحدات العالمي ، مع وجود وحدات أخرى بكل تأكيد مستخدمة لقياس الطاقة تبعًا للمنطقة والمجال المستخدمة فيه، فعلى سبيل المثال؛ يعبر عن محتوى الطاقة للمنتج الغذائي بالسعرات الحرارية الغذائية، بينما يستخدم الواط (Watt) لقياس الطاقة أو القدرة الكهربائية، وتستخدم وحدة الإلكترون فولت (eV) لقياس الطاقة بين الذرات.
وتعرف السعة الحرارية المحددة (بالإنجليزية: specific heat ) للمادة في النظام الدولي للوحدات؛ على أنها كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة غرام واحد (1g) من المادة درجة مئوية واحدة، ويستهلك 4.18 جول لرفع درجة حرارة 1 غرام من الماء 1 درجة مئوية (عند درجة حرارة 25 درجة مئوية)، بينما يعرف الكيلوجول على أنه يعادل 1000 جول، وهو مقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة 239g من الماء بمقدار 1 درجة مئوية، ومن الأمثلة على وحدات الطاقة؛ احتواء قطعة من الخبز المحمص بالزبدة على 315 كيلوجول، مما يمنح جسم الإنسان طاقة كافية لركوب دراجة هوائية لمدة 10 دقائق أو الركض لمدة 6 دقائق.
تحولات الطاقة
يعرف تحويل الطاقة على أنه عملية تغيير الطاقة من شكل إلى آخر ، وكما ذكر سابقًا هناك العديد من الأنواع للطاقة التي يمكن أن تتحول بينها، فهناك طاقة التفاعلات الكيميائية التي قد تتحول إلى طاقة الحرارية، والطاقة النووية التي قد تتحول إلى طاقة كهربائية من خلال الانشطار، والطاقة الميكانيكية المتمثلة بطاقة الحركة وطاقة الوضع التي قد تتحول لأي شكل آخر من الطاقة.
قانون حفظ الطاقة
ينص قانون حفظ الطاقة على أنه لا يمكن إنتاج الطاقة أو تدميرها، إنما يمكن فقط تحويلها من شكل إلى آخر ، هذا يعني أن أي نظام يحتوي دائمًا على نفس كمية الطاقة، ما لم يضاف إليه طاقة من المحيط الخارجي له، ومن الجدير بالذكر أن الطريقة الوحيدة لاستخدام الطاقة هو تحويلها من شكل إلى آخر، وتبعًا لقانون حفظ الطاقة فإنه يمكن تحديد كمية الطاقة في أي نظام باستخدام المعادلة التالية:
الطاقة الكلية للنظام = الطاقة الداخلية للنظام الشغل المبذول من قبل النظام أو عليه الطاقة الحرارية الممتصة أو المطرودة من النظام
بالرموز؛ طك = طد ش طح ، حيث أن:
- طك: الطاقة الكلية للنظام.
- طد: الطاقة الداخلية للنظام.
- ش: الشغل المبذول.
- طح: الطاقة الحرارية.
أي أن الفرق بين الطاقة الكلية والداخلية لأي نظام يساوي مجموع الشغل والطاقة الحرارية، وهذا يمثل القانون الأول للديناميكا الحرارية.
نصائح للحفاظ على مصادر الطاقة
يعرف الحفاظ على الطاقة بأنه استعمال كمية أقل من الطاقة لضمان ديمومتها، لأنها تعد أمرًا مهمًا في الحياة ويجب الحرص على استخدامها بحذر، وفيما يلي أهم النصائح المتعلقة بالحفاظ على مصادر الطاقة:
- إطفاء الأجهزة الكهربائية والأضواء عند عدم استخدامها في المنزل لتوفير استهلاك الطاقة.
- ضبط السلوكيات اليومية المتعلقة بالطاقة.
- استبدال المصابيح الكهربائية المستعملة بالمصابيح الموفرة لاستهلاك الطاقة.
- تثبيت منظم حرارة قابل للبرمجة لتقليل استعمال الطاقة.
- استخدام الأجهزة الموفرة للطاقة.
- تقليل نفقات تسخين المياه بتقليل استخدام الماء الساخن عند عدم الحاجة إليه في الأجواء الحارة.
- تثبيت نوافذ موفرة للطاقة.
- عزل المنزل لتقليل استهلاك التدفئة.
الخلاصة
تعد الطاقة جانب مهم للحياة، ولا يمكن إنكار أهميتها وفائدتها وأشكالها المتعددة التي تتمحور في الطاقة الحرارية، والميكانيكية، والصوتية، والديناميكية وغيرها، لكن يجب الحفاظ على هذه النعمة بجميع الطرق والوسائل الممكنة، وليس لتوفير المال فقط بل لحماية البيئة كذلك، عن طريق خطوات بسيطة يمكن لأي فرد اتباعها، أي يمكن لأي شخص الاستمتاع بالطاقة والحفاظ عليها بنفس الوقت.
