نستخدم كلمة "طاقة" كثيرًا في أحاديثنا اليومية. هناك أشكالٌ عديدةٌ للطاقة نستخدمها يوميًا للحركة، والكلام، والطبخ، والقفز، أو لتشغيل الإضاءة، والتدفئة، والموسيقى، والتلفزيون. في هذا الدرس، سنتعلم عن الطاقة وأشكالها المختلفة من خلال مواقف نمر بها في حياتنا اليومية.
دعونا نبدأ.
الطاقة تُحدث الأشياء. في كل مرة يتحرك فيها شيء، يكون ذلك بفضل الطاقة. في كل مرة يسخن فيها شيء، يكون ذلك بفضل الطاقة. في كل مرة يُصدر فيها شيء صوتًا، يكون ذلك بفضل الطاقة. نستخدم الطاقة للتفكير واللعب والتحدث. في الواقع، في كل مرة نفعل فيها أي شيء، نستخدم الطاقة!
نستخدم الطاقة لتدفئة وتبريد منازلنا ومدارسنا ومكاتبنا. نستخدمها للإضاءة والأجهزة المنزلية. تُحرك مركباتنا، وتُحلق طائراتنا، وتُبحر قواربنا، وتُشغّل الآلات.
جميع الكائنات الحية تحتاج إلى طاقة أيضًا. تستخدم النباتات ضوء الشمس للنمو. يأكلها الإنسان والحيوانات، ويستخدمون الطاقة المخزنة فيها. الطعام هو وقود أجسامنا لتلبية احتياجاتها من الطاقة.
هل لاحظتَ بعد مباراة كرة قدم (أو أي رياضة أخرى) أن جسمكَ يشعر بالحرارة؟ ذلك لأن جسمكَ يُنتج طاقة حرارية.
ببساطة، الطاقة هي القدرة على بذل الشغل. تأتي الطاقة بأشكال مختلفة، ونستخدمها بطرق متعددة. لنلقِ نظرة على بعض الأمثلة من حياتنا اليومية:
أيهما أكثر طاقةً - طائرةٌ تحلق في السماء أم كتابٌ يسقط عن طاولة؟ الطائرة التي تحلق في السماء لديها طاقةٌ أكبر لأنها أسرع بكثير من الكتاب، ولأنها أثقل من الكتاب.
عندما تبرد الشوكولاتة الساخنة، هل تكتسب طاقة حرارية أم تفقدها؟ تفقدها لأن الحليب يُطلق طاقته الحرارية (أو حرارته) إلى البيئة المحيطة، ولم يعد يمتص الطاقة الحرارية من ارتفاع درجة حرارة الموقد.
كيف تعتقد أن آلات القهوة أو التلفزيون يبدأ العمل عند توصيلها بالمقبس؟ ذلك لأن الطاقة الكهربائية تنتقل عبر خطوط الكهرباء، ثم تُزوّد العديد من الآلات المختلفة بالطاقة اللازمة للعمل.
أي صوتين يحمل طاقة أكبر - بوق الشاحنة أم نافورة الماء؟ البوق يحمل طاقة أكبر، فكلما ارتفع صوت الشيء، زادت طاقته الصوتية.
تُقاس طاقة الجسم بقدرته على بذل شغل. لذا، فإن وحدة قياس الطاقة هي نفسها وحدة قياس الشغل، وهي الجول (J). الجول الواحد (J) هو الطاقة اللازمة لبذل شغل مقداره جول واحد. يشير الجول إلى كمية الطاقة المنتقلة إلى الجسم عن طريق العمل لتحريكه لمسافة متر واحد ضد قوة مقدارها نيوتن واحد. تُستخدم وحدة طاقة أكبر تُسمى الكيلوجول (kJ). 1 كيلوجول = 1000 جول.
الطاقة الحركية - أي جسم متحرك يستخدم الطاقة الحركية. على سبيل المثال، تحليق طائرة في السماء، ورمي الكرات، والجري، وركوب الدراجات، وغيرها من الأمثلة على الطاقة الحركية. السيارة المتحركة على الطريق تمتلك طاقة حركية، بينما السيارة المتوقفة لا تمتلكها. هذا يعني أن الطاقة الحركية موجودة فقط عندما يتحرك الجسم أو الجسم. عندما يكون الجسم في حالة سكون، تصبح طاقته الحركية صفرًا. هذا يعني أنه عندما تكون الحركة صفرًا، تكون الطاقة الحركية صفرًا. تتراوح الطاقة الحركية بين الصفر والقيمة الموجبة. مثال: طفل يتأرجح على أرجوحة. سواء كانت الأرجوحة تتحرك للأمام أو للخلف، فإن قيمة الطاقة الحركية لا تكون سالبة أبدًا.
الطاقة الكامنة - هي طاقة موضع الجسم. مثال: عندما يتأرجح طفل على أرجوحة ويصل إلى قمة القوس، تكون طاقته الكامنة في أقصى حد. وعندما يقترب من الأرض، تكون طاقته الكامنة في أدنى مستوياتها (0). مثال آخر هو رمي كرة في الهواء. عند أعلى نقطة، تكون طاقة الوضع في أعلى مستوياتها. وعندما ترتفع الكرة أو تسقط، يكون لديها مزيج من الطاقة الكامنة والحركية.
الطاقة الميكانيكية - هي الطاقة الناتجة عن حركة جسم أو موقعه. الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. أمثلة: الجسم الذي يمتلك طاقة ميكانيكية يمتلك طاقة حركية وطاقة كامنة، مع أن طاقة أحد هذين الشكلين قد تساوي صفرًا. السيارة المتحركة تمتلك طاقة حركية. إذا صعدت السيارة إلى أعلى جبل، فستمتلك طاقة حركية وطاقة كامنة. الكتاب الموضوع على طاولة يمتلك طاقة كامنة.
الطاقة الكيميائية - هي الطاقة المُخزّنة في روابط الذرات والجزيئات. عند حدوث هذا التفاعل الكيميائي، تُطلق هذه الطاقة. نستخدم الطاقة الكيميائية في سيارتنا على شكل وقود (بنزين/ديزل) للقيادة. البطاريات، والكتلة الحيوية، والنفط، والغاز الطبيعي، والفحم أمثلة على الطاقة الكيميائية المُخزّنة. الطعام أيضًا مثال جيد على الطاقة الكيميائية المُخزّنة، حيث تُطلق هذه الطاقة أثناء عملية الهضم.
الطاقة الكهربائية - طاقة تُولّدها جسيمات صغيرة مشحونة تُسمى الإلكترونات. البرق هو أحد أشكال الطاقة الكهربائية. تعمل جميع أجهزتنا تقريبًا، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة، وآلات القهوة، والهواتف المحمولة، والمكانس الكهربائية، والتلفزيون، بالكهرباء.
الطاقة الحرارية - تُعرف أيضًا بالطاقة الحرارية. الطاقة الناتجة عن النار هي طاقة حرارية، تعكس فرق درجة الحرارة بين النظامين. كما نعلم، تتكون المادة من جزيئات. عند رفع درجة حرارة المادة، تهتز الجزيئات بشكل أسرع. الطاقة الحرارية هي الطاقة الناتجة عن درجة حرارة المادة. كوب من القهوة الساخنة، ومواقد الكهرباء أو الغاز، ومدفأة الغرفة، وغيرها من أمثلة الطاقة الحرارية.
طاقة الضوء - تُعرف أيضًا بالطاقة الإشعاعية. تحصل الأرض على معظم طاقتها من ضوء الشمس. تستمد النباتات طاقة الضوء من الشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية (غذاء) تساعدها على النمو، وتُعرف هذه العملية باسم التمثيل الضوئي.
طاقة الصوت - كلما ارتفع صوت صراخنا، زادت طاقة الصوت التي نستخدمها. أي شيء تسمعه هو طاقة صوتية. بالإضافة إلى أصواتنا، هناك العديد من الأمثلة الأخرى على طاقة الصوت: التصفيق، العزف على الجيتار، نباح الكلاب، إلخ.
الطاقة النووية - تُخزَّن الطاقة النووية في نواة الذرات. تُطلَق هذه الطاقة عند اتحاد النوى (الاندماج) أو انقسامها (الانشطار). مثال: الانشطار النووي، والاندماج النووي، والتحلل النووي أمثلة على الطاقة النووية. يُعدُّ التفجير الذري وتوليد الطاقة من محطة نووية أمثلةً محددة على هذا النوع من الطاقة. تُشَقِّط محطات الطاقة النووية نوى ذرات اليورانيوم لإنتاج الكهرباء.
الطاقة الكهرومغناطيسية - الطاقة الكهرومغناطيسية أو الطاقة الإشعاعية هي طاقة الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية. مثال: أي شكل من أشكال الضوء لديه طاقة كهرومغناطيسية، بما في ذلك أجزاء الطيف التي لا نستطيع رؤيتها. من أمثلة الطاقة الكهرومغناطيسية: الراديو، وأشعة جاما، والأشعة السينية، والموجات الدقيقة، والأشعة فوق البنفسجية.
طاقة الجاذبية - الطاقة المرتبطة بالجاذبية هي التجاذب بين جسمين بناءً على كتلتهما. ويمكن أن تُشكل أساسًا للطاقة الميكانيكية، مثل الطاقة الكامنة لجسم موضوع على رف، أو الطاقة الحركية للقمر في مداره حول الأرض. مثال: طاقة الجاذبية تُبقي الغلاف الجوي ملتصقًا بالأرض.
طاقة التأين - هي شكل الطاقة الذي يربط الإلكترونات بنواة ذرتها أو أيونها أو جزيئها. مثال: طاقة التأين الأولى للذرة هي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون واحد تمامًا. طاقة التأين الثانية هي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون ثانٍ، وهي أكبر من الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون الأول.
ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى، بل تتحول فقط من شكل إلى آخر. ومن الأمثلة على ذلك الطاقة الكيميائية في الطعام التي تتحول إلى طاقة حركية عند الحركة.
ترتبط الكتلة ارتباطًا وثيقًا بالطاقة. ونتيجةً للتكافؤ بين الكتلة والطاقة، فإن أي جسم ساكن ذي كتلة يمتلك كمية طاقة مكافئة تُسمى طاقة السكون. كتلة السكون هي كتلة الجسم الساكن. أي زيادة في طاقة الجسم فوق طاقة السكون ستزيد كتلته الكلية. مثال: تسخين جسم يؤدي إلى زيادة في الطاقة تُقاس بزيادة طفيفة في كتلته.
الطاقة المتجددة
الطاقة المتجددة هي طاقة مُنتَجة من مصادر لا تنضب أو قابلة للتجديد خلال حياة الإنسان. ومن الأمثلة الأكثر شيوعًا طاقة الرياح، والطاقة الشمسية، والطاقة الحرارية الأرضية، والكتلة الحيوية، والطاقة الكهرومائية.
الطاقة الشمسية هي نوع من الطاقة الشمسية، يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية وحرارية وكيميائية. على سبيل المثال، تُستخدم الألواح الشمسية للاستفادة من الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة كهربائية. يمكن استخدام هذه الطاقة في الإضاءة أو التدفئة. كما تُستخدم في الأجهزة الكهربائية، مثل الهواتف المحمولة. يتوفر هذا النوع من الطاقة بكثرة في المناطق الاستوائية من العالم، حيث يُستخدم تقليديًا لتجفيف محاصيل مثل البن والذرة والأرز. من مزايا هذا النوع من الطاقة أنه رخيص الثمن، ولا ينضب، ومصادره متعددة، وهو مصدر طاقة نظيف.
طاقة الرياح هي الطاقة المستمدة من الرياح. تُستخدم طواحين الهواء لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية تُستخدم في مجالات متعددة، منها توليد الكهرباء، وطحن الحبوب، وضخ المياه. ولقرون، استُغلت طاقة الرياح لدفع السفن البحرية، مثل المراكب الشراعية والسفن. وتُعدّ المناطق ذات المناظر الطبيعية المفتوحة من أبرز المناطق المحتملة لازدهار طاقة الرياح.
تُسمى الطاقة المُستمدة من الماء بالطاقة الكهرومائية. تُنتَج هذه الطاقة عند حركة الماء. يمتلك الماء المتدفق بسرعة عالية طاقة حركية هائلة تُمكّنه من إنجاز شغل. على سبيل المثال، يُمكن استخدام قوة الماء لتشغيل مطاحن الحبوب. كما تُستخدم هذه الطاقة لتشغيل التوربينات التي تُولّد الكهرباء الكهرومائية.
الطاقة غير المتجددة
في المقابل، الطاقة غير المتجددة هي الطاقة التي تأتي من مصادر ستنفد أو لن تُجدد خلال حياتنا. معظم مصادر الطاقة غير المتجددة هي الوقود الأحفوري، مثل الفحم والغاز والنفط.
يُشير البترول إلى الهيدروكربونات السائلة والغازية المُشتقة من المواد الحيوانية والنباتية، والتي ترسبت وضغطت وحُوِّلت إلى هذه الأشكال داخل الصخور الرسوبية. بعد تكرير البترول، تُشتق منه منتجات مختلفة، منها البنزين، ووقود الطائرات، ومواد التشحيم، والكيروسين، والبتومين. تُستخدم هذه المنتجات لأغراض مُختلفة. يُستخدم الديزل الصناعي في الصناعات المُتعلقة بالأفران والغلايات، لتوليد الوقود للمركبات والسفن ومحركات القاطرات والآلات.
الفحم صخر بني أو أسود، يتكون أساسًا من الكربون المتشكل منذ ملايين السنين نتيجة انضغاط المواد النباتية. وقد انخفض استخدام الفحم كمصدر للطاقة في السنوات الأخيرة مع اكتشاف الطاقة الحرارية الأرضية، والطاقة الكهرومائية، والبترول.
الغاز الطبيعي هو نوع من الغاز يتشكل تحت الأرض وفي الطبقات العليا من النفط الخام، وقد يتشكل أيضًا بشكل مستقل. يُستخدم في الصناعات بشكل رئيسي للتدفئة والأغراض المنزلية، كالتدفئة والإضاءة والطهي.
