تويت
كيف يتم التحويل بين اشكال الطاقة
تحكم نظم التحويل بين اشكال الطاقة المختلفة جميع عناصر الحياة والتفاعلات والعمليّات الحيوية في كوننا الواسع، فالطاقة هي الجوهر الأساسي في النظام الكوني، وهي الأصل الذي تقوم عليه معظم أشكال الحياة والنظم البيئية وحتى الصناعية من حولنا.
ولكن ما هي اشكال الطاقة بالضبط؟ وكيف يتم التحويل بين اشكال الطاقة المختلفة؟ سنجيب في مقالنا هذا عن هذه التساؤلات ونتطرّق إلى تفاصيل وأشكال الطاقة وتحوّلاتها من حولنا.
مفهوم الطاقة
الطاقة هي المادّة الخام لجميع أشكال الوجود، وفي مجال الفيزياء يشير مصطلح الطاقة إلى الوحدات الكمية التي يتمّ نقلها إلى جسمٍ معيّنٍ من أجل توليد فِعلين اثنين، إما تحريكه أو تسخينه.
ويمكن تقسيم أنواع الطاقة إلى فرعين أساسيّن تتجذّر منهما جميع أشكال الطاقة الأخرى هما الطاقة الحركية والطاقة الساكنة. تمثّل الطاقة الساكنة تلك الطاقة المختزنة في بُنية المادة، كالطاقة الكيميائية والميكانيكية والنووية والجاذبية الأرضية. في حين أن الطاقة الحركية تجسّد العمل الناتج عن الطاقة الكامنة، ومن أمثلتها الطاقة الحرارية والضوئية والصوتية، ويتم التحويل بين اشكال الطاقة هذه بشكلٍ مستمرٍ دون أي نقصان.
أشكال الطاقة
كما ذكرنا سابقًا فإن الطاقة توجد في جميع العناصر من حولنا، وهي بذلك تتواجد في أشكالٍ وأنماطٍ مختلفةٍ، وفيما يلي أكثر أشكال الطاقة انتشارًا في محيطنا:
بالإضافة إلى ما سبق فإن هنالك العديد من اشكال الطاقة الثانوية مثل الطاقة النووية والطاقة الكيميائية والطاقة الأيونيّة وكذلك طاقة الجاذبية الأرضية، و يتم التحويل بين اشكال الطاقة هذه دون أي نقصٍ أو زيادةٍ في أي نظامٍ منها.
كيفية التحويل بين اشكال الطاقة
كما تطرّقنا إليه سابقًا فإن أشكال الطاقة المختلفة يمكن أن تتحوّل فيما بينها، كما وبإمكان الطاقة أيضًا أن تنتقل من جسمٍ لآخر، ويحكم مبدأ مصونية الطاقة (قانون حفظ الطاقة) الذي سنتعرّض إليه لاحقًا عمليّات التحويل بين اشكال الطاقة وانتقالها من شكلٍ لآخر ومن جسمٍ لآخر.
وسنستعرض فيما يلي
أهم عمليات التحويل بين أشكال الطاقة والآلية التي تخوضها الطاقة في هذه التحويلات:
تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية
يُعتبر تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقةٍ حراريةٍ من أشهر عمليات التحويل بين اشكال الطاقة، تنتج الطاقة الكهربائية عن الجُزيئات المشحونة سواءً أكانت ساكنةً أم متحرّكةً، في حين أن الطاقة الحرارية هي الطاقة الناتجة عن حركة الجُزيئات والذرات واحتكاكها مع بعضها.
من الأمثلة الشائعة عن تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقةٍ حراريةٍ:
تحول الطاقة الحركية الى طاقة كهربائية
تتحوّل الطاقة الحركية إلى طاقةٍ كهربائيةٍ بواسطة ما يُدعى بالمحوّلات أو المولّدات (Generators)، وهي أساس الطاقة الكهربائية التي نستخدمها في حياتنا اليوميّة، حيث تعطينا هذه المولّدات الطاقة الكهربائية بدءً من الطاقة الحرارية (الوقود) والتي تتحوّل إلى طاقةٍ حركيةٍ (دورانيّة)، تتحوّل هذه الأخيرة في نهاية المطاف إلى طاقةٍ كهربائيةٍ.
تحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية
يُعتبر هذا النوع من التحوّل أبسط أنواع التحويل بين اشكال الطاقة وأكثرها انتشارًا في حياتنا اليوميّة. من المعروف أن الاحتكاك بين أي جسمين يولّد درجةً معيّنةً من الحرارة، لذلك فإن احتكاك المسنّنات في الأجهزة الميكانيكية وحركة السيّارات على الطرقات حتى الجهد الذي نبذله في أي نشاطٍ، كلّها تُعدّ من الأمثلة البسيطة عن تحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية.
قانون حفظ الطاقة
يشير قانون حفظ الطاقة في الفيزياء إلى أن الطاقة الكليّة للأجسام أو الجُزيئات المتفاعلة والمتداخلة في نظامٍ مغلقٍ (لا يؤثر أو يتأثر بعوامل خارجية) تكون ثابتةً ومحفوظةً بغض النظر عن أنماط التحويل بين اشكال الطاقة التي تجري في ذلك النظام.
ومن الأمثلة الشائعة عن قانون حفظ الطاقة هي قذف كرةٍ إلى ارتفاعٍ معينٍ، فعندما نقذف كرةً إلى الأعلى بقوةٍ معيّنةٍ فإنها تمتلك قوّةً حركيةً تتباطئ باستمرارٍ منذ لحظة قذفها، وحتى تصل إلى أقصى ارتفاعٍ لها ، ولكن السؤال هو أنّه طالما أن الطاقة لا تنفى ولا تزول ولا تخلق من العدم، فأين ذهبت الطاقة الحركية للكرة المقذوفة؟
الجواب في الواقع بسيطٌ وهو أنّها تحوّلت إلى طاقةٍ كامنةٍ تدريجيًّا أثناء وصول الكرة إلى الارتفاع المطلوب. حيث نلاحظ بعد وصولها إلى أقصى ارتفاعٍ أنها تقف لبُرهةٍ (وهي النقطة حيث تكون الطاقة الحركية قد تحولت بشكلٍ كاملٍ إلى كامنةٍ) لتعود وتسقط إلى الأرض بفعل الجاذبية وبواسطة الطاقة المُختزنة فيها. أي أن الطاقة الكامنة المختزنة تعود وتتحول إلى حركيةٍ بالمقدار ذاته أثناء سقوط الكرة إلى سطح الارض مجددًا.
على الرغم من التنوّع الكبير بين أشكال الطاقة إلّا أن مبدأ التحويل بين اشكال الطاقة جميعها واحد وهو يخضع بشكلٍ كاملٍ إلى قانون حفظ الطاقة، والذي يضمن لنا توازن جميع أنواع الطاقة في البيئة من حولنا وفي نشاطاتنا وأعمالنا اليوميّة.
تحكم نظم التحويل بين اشكال الطاقة المختلفة جميع عناصر الحياة والتفاعلات والعمليّات الحيوية في كوننا الواسع، فالطاقة هي الجوهر الأساسي في النظام الكوني، وهي الأصل الذي تقوم عليه معظم أشكال الحياة والنظم البيئية وحتى الصناعية من حولنا.
ولكن ما هي اشكال الطاقة بالضبط؟ وكيف يتم التحويل بين اشكال الطاقة المختلفة؟ سنجيب في مقالنا هذا عن هذه التساؤلات ونتطرّق إلى تفاصيل وأشكال الطاقة وتحوّلاتها من حولنا.
مفهوم الطاقة
الطاقة هي المادّة الخام لجميع أشكال الوجود، وفي مجال الفيزياء يشير مصطلح الطاقة إلى الوحدات الكمية التي يتمّ نقلها إلى جسمٍ معيّنٍ من أجل توليد فِعلين اثنين، إما تحريكه أو تسخينه.
ويمكن تقسيم أنواع الطاقة إلى فرعين أساسيّن تتجذّر منهما جميع أشكال الطاقة الأخرى هما الطاقة الحركية والطاقة الساكنة. تمثّل الطاقة الساكنة تلك الطاقة المختزنة في بُنية المادة، كالطاقة الكيميائية والميكانيكية والنووية والجاذبية الأرضية. في حين أن الطاقة الحركية تجسّد العمل الناتج عن الطاقة الكامنة، ومن أمثلتها الطاقة الحرارية والضوئية والصوتية، ويتم التحويل بين اشكال الطاقة هذه بشكلٍ مستمرٍ دون أي نقصان.
أشكال الطاقة
كما ذكرنا سابقًا فإن الطاقة توجد في جميع العناصر من حولنا، وهي بذلك تتواجد في أشكالٍ وأنماطٍ مختلفةٍ، وفيما يلي أكثر أشكال الطاقة انتشارًا في محيطنا:
- الطاقة الميكانيكة: هي الطاقة الناتجة إمّا عن تحرّك الجسم أو بمجرّد تواجده في مكانٍ مُحدّدٍ (ضمن مجال الجاذبية الأرضية). وهي تمثّل محصّلة كل من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. فالسيارة التي تسير على مسارٍ أفقيٍّ تمتلك طاقةً حركيّةً صرفةً، في حين لو كانت تسير صاعدةً على مرتفعٍ فإنها ستمتلك طاقةً حركيةً وكامنةً في الوقت نفسه، وكذلك الكتاب الموضوع على الطاولة يمتلك طاقةً كامنةً (فلو أزلنا الطاولة أسفله سيتحرّك ساقطًا للأسفل).
- الطاقة الحرارية: تجسّد الطاقة الحرارية الفرق في درجات الحرارة بين الأنظمة المختلفة، ويُعتبر كوب القهوة الساخن مثالًا بسيطًا عن الأجسام التي تمتلك طاقةً حراريةً.
- الطاقة الكهرومغناطيسية: تُعرف أيضًا بالطاقة الإشعاعيّة، وهي تمثّل الطاقة الناتجة عن الضوء أو الأمواج الكهرومغناطيسية، وتُعتبر الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية (الطاقة الشمسية) شكلًا من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية.
بالإضافة إلى ما سبق فإن هنالك العديد من اشكال الطاقة الثانوية مثل الطاقة النووية والطاقة الكيميائية والطاقة الأيونيّة وكذلك طاقة الجاذبية الأرضية، و يتم التحويل بين اشكال الطاقة هذه دون أي نقصٍ أو زيادةٍ في أي نظامٍ منها.
كيفية التحويل بين اشكال الطاقة
كما تطرّقنا إليه سابقًا فإن أشكال الطاقة المختلفة يمكن أن تتحوّل فيما بينها، كما وبإمكان الطاقة أيضًا أن تنتقل من جسمٍ لآخر، ويحكم مبدأ مصونية الطاقة (قانون حفظ الطاقة) الذي سنتعرّض إليه لاحقًا عمليّات التحويل بين اشكال الطاقة وانتقالها من شكلٍ لآخر ومن جسمٍ لآخر.
وسنستعرض فيما يلي
أهم عمليات التحويل بين أشكال الطاقة والآلية التي تخوضها الطاقة في هذه التحويلات:
تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية
يُعتبر تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقةٍ حراريةٍ من أشهر عمليات التحويل بين اشكال الطاقة، تنتج الطاقة الكهربائية عن الجُزيئات المشحونة سواءً أكانت ساكنةً أم متحرّكةً، في حين أن الطاقة الحرارية هي الطاقة الناتجة عن حركة الجُزيئات والذرات واحتكاكها مع بعضها.
من الأمثلة الشائعة عن تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقةٍ حراريةٍ:
- آلية التحميص في منازلنا تقوم بتحويل التيار الكهربائي عبر وشائعها الداخلية إلى طاقةٍ حراريةٍ تعمل على تسخين وتحميص الخبز.
- مصابيح التنغستين، والتي تعتبر أيضًا مثالًا آخر عن التحويل بين اشكال الطاقة من الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الحرارية والضوئية، حيث يصدر سلك التنغستين أثناء مرور التيار الكهربائي عبره ضوءً ساطعًا مترافقًا بانتشار الحرارة.
- تعبر وسائل التدفئة الكهربائية كالسخّانات من الأمثلة الشائعة أيضًا عن تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقةٍ حراريةٍ.
تحول الطاقة الحركية الى طاقة كهربائية
تتحوّل الطاقة الحركية إلى طاقةٍ كهربائيةٍ بواسطة ما يُدعى بالمحوّلات أو المولّدات (Generators)، وهي أساس الطاقة الكهربائية التي نستخدمها في حياتنا اليوميّة، حيث تعطينا هذه المولّدات الطاقة الكهربائية بدءً من الطاقة الحرارية (الوقود) والتي تتحوّل إلى طاقةٍ حركيةٍ (دورانيّة)، تتحوّل هذه الأخيرة في نهاية المطاف إلى طاقةٍ كهربائيةٍ.
تحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية
يُعتبر هذا النوع من التحوّل أبسط أنواع التحويل بين اشكال الطاقة وأكثرها انتشارًا في حياتنا اليوميّة. من المعروف أن الاحتكاك بين أي جسمين يولّد درجةً معيّنةً من الحرارة، لذلك فإن احتكاك المسنّنات في الأجهزة الميكانيكية وحركة السيّارات على الطرقات حتى الجهد الذي نبذله في أي نشاطٍ، كلّها تُعدّ من الأمثلة البسيطة عن تحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية.
قانون حفظ الطاقة
يشير قانون حفظ الطاقة في الفيزياء إلى أن الطاقة الكليّة للأجسام أو الجُزيئات المتفاعلة والمتداخلة في نظامٍ مغلقٍ (لا يؤثر أو يتأثر بعوامل خارجية) تكون ثابتةً ومحفوظةً بغض النظر عن أنماط التحويل بين اشكال الطاقة التي تجري في ذلك النظام.
ومن الأمثلة الشائعة عن قانون حفظ الطاقة هي قذف كرةٍ إلى ارتفاعٍ معينٍ، فعندما نقذف كرةً إلى الأعلى بقوةٍ معيّنةٍ فإنها تمتلك قوّةً حركيةً تتباطئ باستمرارٍ منذ لحظة قذفها، وحتى تصل إلى أقصى ارتفاعٍ لها ، ولكن السؤال هو أنّه طالما أن الطاقة لا تنفى ولا تزول ولا تخلق من العدم، فأين ذهبت الطاقة الحركية للكرة المقذوفة؟
الجواب في الواقع بسيطٌ وهو أنّها تحوّلت إلى طاقةٍ كامنةٍ تدريجيًّا أثناء وصول الكرة إلى الارتفاع المطلوب. حيث نلاحظ بعد وصولها إلى أقصى ارتفاعٍ أنها تقف لبُرهةٍ (وهي النقطة حيث تكون الطاقة الحركية قد تحولت بشكلٍ كاملٍ إلى كامنةٍ) لتعود وتسقط إلى الأرض بفعل الجاذبية وبواسطة الطاقة المُختزنة فيها. أي أن الطاقة الكامنة المختزنة تعود وتتحول إلى حركيةٍ بالمقدار ذاته أثناء سقوط الكرة إلى سطح الارض مجددًا.
على الرغم من التنوّع الكبير بين أشكال الطاقة إلّا أن مبدأ التحويل بين اشكال الطاقة جميعها واحد وهو يخضع بشكلٍ كاملٍ إلى قانون حفظ الطاقة، والذي يضمن لنا توازن جميع أنواع الطاقة في البيئة من حولنا وفي نشاطاتنا وأعمالنا اليوميّة.