درس في الفزياء : الطاقة و تحولاتها

 و تبقى الطاقة كلمة سحرية ، تفعل الأفاعيل في الحياة اليومية         للإنسان و تثير مختلف المشاعر لديه ، يتساوى في ذلك العالم         الفيزيائي و عالم الاقتصاد و حتى السياسي ، لكن ما هي          الطاقة . . . .

كلمة لا بد منها . . .

هي أكثر المفاهيم الأقل إدراكا و الأكثر استعمالا في الفيزياء ، و يرجع الخلط في إدراك هذا المفهوم إلى بعض المسلمات الخاطئة ، و تتمثل أهمها في أن الطاقة يمكن أن تستحث أو يمكن أن تفنى ، و في الحقيقة أن العكس هو الصحيح ، فأهم مبادئ الفيزياء على الإطلاق هو مبدأ انحفاظ الطاقة فهي لا تفنى و لا يمكن استحداثها من العدم ، و كميتها في الكون ثابتة ، و هي لا تتغير على الإطلاق .

تماثــــــل !


تعتبر الطاقة " عملة التداول " في الطبيعة ،فيستحيل أن ينتج حدث في الكون دون حدوث تحول في الطاقة ، فإذا كانت النقود هي عملة التداول في التجارة لشراء : سيارات ، مجوهرات ، عقارات ، رصيد في البنك ، . . . ، فإن الجول هو عملة التداول في الطبيعة لتحول الطاقة من شكل إلى أخر ، و الجول هو وحدة قياس الطاقة في نظام الوحدات الدولية ق و . د ) ( système international )


لنقتـرب أكــثــــر !


مفهوم الطاقة : تكاد كلمة ( أي الطاقـة ) أن تكون ملازمة لمفاهيم : الحيوية ، الديناميكية ، الفعل ، و حتى الرفاهية و الجودة .

و في عصرنا الراهن يعلم حتى الأطفال الصغار أنه بالطاقة الكهربائية ( الكهرباء ) يمكن طهي الطعام ( فرن كهربائي ) ، و أن الطاقة الكيميائية تصبح طاقة كهربائية في كل من الحاشدات و البطاريات ، و مع ذلك يبقى مفهوم الطاقة غير جلي كما ينبغي . إلا أن أهم ما يلاحظ فيه هو ارتباطه بفكرة التحولات ، فأين ما وُجد شكل من أشكال الطاقة فهو قد تحول حتما من شكل أخر لها .

إبتسمولوجيا ( تطور فكرة مفهوم الطاقة ) :




بقيت الطاقة مفهوما مبهما حتى عند العلماء ردها طويلا من الزمن ، حتى بعد أن وضح " إسحاق نيوتن " مفهوم القوة ، و بعد قرنين من ذلك أي حوالي

منتصف القرن ( 19 م ) بدأ مفهوم الطاقة يتبين شيئا فشيئا، ولعل التعقيد الملازم لمفهوم الطاقة هو الذي يبرر هذا التأخر الكبير في إدراكه .فقد حلت نهاية القرن 18 م و لما يزل الخلط بين الحرارة و درجة الحرارة قائما .

و كان الفضل الأول لـ : كونت " رامفورد " السيد: بنيامين طومسون ( Benjamin Thomson ) في سنة 1798م و الذي كان يراقب عملية ثقب مأسورات المدافع المصنوعة من النحاس ، في مدينة ميونيخ . و كان من المعروف أن العملية تنتج حرارة شديدة ، و لتفسير ذلك زعموا أن هذا ناتج عن انتشار " مائع حراري " موجود في المادة . لكن طومسون لاحظ أنه عند استعمال ريشة ثقب غير سوية ، فإن الحرارة تكون أكبر لكن الثقب يكون غير مهم . و مما أثار انتباهه هو أن منبع هذه الحرارة غير متناه فهو إذن ليس ناتج عن المادة ، بل عن العمل الميكانيكي المقدم لها .


و كان يجب أن ننتظر نصف قرن أخر تقريبا حتى نرى تطورا لهذه الأفكار بشكل لافت ، و تم ذلك عام 1842م حين ربط الطبيب الألماني ( جوليوس روبر ماير ) ( JULIUS ROBERT MAYER ) بين الحرارة و العمل الميكانيكي ، فكان أول من اقترح قانون انحفاظ الطاقة .

بعد عام من ذلك قام البريطاني جيمس برسكوت جول ( JAMES PRESCOT JOULE ) لقياس ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن الماء عندما يتم تحريكه .

بعد ذلك و في سنة 1847 م أصدر هيرمان لودونغ فوان هلم هولتز ( HERMAN LUDING VON HELM HOLTZ ) مقالا أساسيا حول انحفاظ الطاقة .

و جاء القرن العشرون !!!

بعد بداية القرن العشرين تحققت بعض الانجازات العظيمة و التي عززت مفهوم الطاقة و كانت بداية مع ماكس بلانك ( MAX PLANCK ) بنظرية تكميم الطاقة و كان ذلك في ديسمبر 1900 م عندما بين أن جسما م لا يمكنه إصدار الضوء إلى مستويات الطاقة معينة ، مما يدل على أن بعض المسارات الفيزيائية ليست مستمرة و لا يمكن أن تنتج إلا كميات محددة من الطاقة ، أطلق عليها مصطلح كمات الطاقة.




بعد ذلك بقليل أي في عام 1902 م بيّن " فيليب فون لونار " ( PHILIPP VON LENARD ) أن الظاهرة الكهروضوئية لها علاقة بطول الموجة للضوء المستعمل .

و بحلول 17 مارس 1905 م اعطى ألبرت إينشتاين ( ALBERT EINSTEIN )

تفسيرا للفعل الكهروضوئي و ذلك بافتراضه أن الضوء يتكون من جسيمات ( الطبيعة الجسيمية للضوء ) أطلق عليها اسم " الفوتونات " و أن هذه الجسيمات تتميز بطول موجتها ( ط ) أو تواترها ( ن ) و يرتبط المقداران السابقان بالعلاقة


سر = ك × ن .









بعدها بشهرين نشر مقالين حول نظريته في النسبية ، حيث قدم معادلته الشهيرة

. . . . . . . . . . . . . . . ط = ك ســرض2 . . . . . . . . .

و التي تربط الطاقة بالكتلة و التي تعتبر أن الطاقة و الكتلة هما وجهان لعملة واحدة و التي تجسدت في التفاعلات النوويـــــــة .



محاولة تعريف :


محاولة أولى : نقول عن جملة أنها تمتلك طاقة إذا كان بمقدورها إنجاز عمل ميكانيكي أو ما يكافئه .

محاولة ثانية : الطاقة هي مفهوم تجريدي ، يمثل فرق الحالة في التحول الفيزيائي لجسم .

فالماء الساخن يكتسب طاقة بالنسبة للماء البارد .

تحــولات الطــاقة :


رأينا سابقا أن أهم ما يميز الطاقة هو تحولاتها ، فالطاقة النووية ( أي الاشعاعية ) في قلب الشمس تتحول إلى ضوء ( طاقة كهرومغناطيسية ) تحولها النباتات إلى ألياف ( طاقة كيميائية ) تتحول داخل محرك ( إلى طاقة ميكانيكية ) تحولها المنوبة إلى طاقة كهربائية يحولها الفرن إلى طاقة حرارية يمكن تحويلها بدورها إلى نوع أخر من الطاقة .

فالطاقة يمكن تتجزأ و أن تتحول لكن مجموع الطاقات المتحولة يبقى ثابتا مساويا للطاقة الابتدائية ( المبدأ الأول للترموديناميك ) .


إن المحرك الكهربائي يحول جل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ( حركة ) لكن للأسف فإن جزءا منها يتحول حتما إلى حرارة تنتشر في الطبيعة ، و لا يمكن بأي حال استرجاعها ( المبدأ الثاني للترموديناميك " الانتروبي " ) .

و يصدق هذا مع كل الآلات فهي تحول الطاقة التي تستهلكها إلى نوع أخر من الطاقة و إلى طاقة ضائعة ، و الآلة الجيدة هي التي يكون الضياع فيها أقل ما يمكن ، لذا يعرف الفيزيائيون مقدارا جديدا هو مردود الآلة ، و هو النسبة بين الطاقة التي تنتجها و الطاقة التي تستهلكها .


مـــــر = طاقة ناتجة \ طاقة مستهلكة

مـــــر = ط' \ ط ،


مـر = ط' \ ( ط' + ط" )

و بالتالي فمردود كل آلة أقل أو يساوي الواحد : . . . . . . . . . . مر ≤ 1

مثال 1 : بعض الأجهزة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى شكل أخر من الطاقة ( و التي تسمى آخذات ).

مثال ( 2 ) : بعض الأجهزة التي تحول أشكال طاقة أخرى إلى طاقة كهربائية و تسمى المولدات .

الاستطاعة :


نعرف الاستطاعة : بأنها غزارة الإنتاج ، أو هي طاقة وحدة الزمن بمعنى هي النسبة بين الطاقة الناتجة ( أو المستهلكة ) و الزمن اللازم لذلك . فإذا رفع شخص أول حمولة كتلتها 50 كغ ارتفاعا مقداره 10 م في فترة زمنية مقدارها 4 ثواني ، و شخصا ثانيا رفع نفس الحمولة و إلى نفس الارتفاع و لكن في فترة زمنية مقدارها 2 ثانية ، فإننا نقول أن استطاعة الثاني أكبر من استطاعة الأول لأنه قام بنفس العمل في زمن أقل ، و حسابــيا نكتب :

العمل المنجز :


* طاقة الأول ( العمل المنجز ) :

D ط1 = عم1 = ك . ج . ع = 50 × 10 × 10 = 000 5 جول .

D ط1 = عم1 = 000 5 جول

* طاقة الثاني ( العمل المنجز ) :

D ط2 = عم2 = ك . ج . ع = 50 × 10 × 10 = 000 5 جول .

D ط2 = عم2 = 000 5 جول

· لنقسم طاقة كل شخص على الزمن اللازم له فنجد :

· الأول : D ط1 \ D ز1 = 000 5 \ 4 = 250 1 ( و.د)

· الثاني : D ط2 \ D ز2 = 000 5 \ 2 = 500 2 ( و.د)

إن المقدار المميّز للشخص الثاني ( 500 2 و.د ) أكبر من مقدار الشخص الأول ، أو بقول أخر ، استطاعة الثاني أكبر من استطاعة الثاني .

· يرمز للاستطاعة بــــ : عـه

· و تعطى عبارتها :

عه = D ط \ D ز

· وحدة الاستطاعة :

تقاس الاستطاعة في ( و . د ) بـــــــــــــ ( واط ) ( WATT )

** رتبة مقادير الاستطاعة :( ORDRE DE GRANDEUR DE PUISSANCE °




الاستطاعة ( عه ) الأجهزة


1 ميلي واط ساعة ، حاسبة

1 واط مصباح يد ، أنبوب تالقي ، مصباح توهج

1 كيلو واط = 310 واط أجهزة كهرومنزلية· تأسيسة كهربائية منزلية

1 ميغاواط = 610 واط محرك قطار سريع

1 جيغا واط = 910 واط محطة توليد الكهرباء

1 بيتا واط = 1510 واط ليزر مستقبلي