بحث شامل عن الطاقة
تستخدم كلمة الطاقة في مجالات مختلفة مثل الفيزياء والاقتصاد والتكنولوجيا والكيمياء وغيرها. معناه متغير ، وبالتالي ترتبط الطاقة بأفكار القوة أو التخزين أو الحركة أو التحويل أو التشغيل.
بمعنى أوسع ، يستخدم مصطلح الطاقة أيضًا في اللغة اليومية للإشارة إلى نشاط أو نشاط شخص أو كائن أو منظمة. على سبيل المثال ، “استيقظت خالد ولديها الكثير من الطاقة للذهاب إلى المدرسة.”
مقدمة عن الطاقة
الطاقة هي نوع من الغموض. في معظم الأوقات لا يمكننا رؤيتها ، ومع ذلك فهي موجودة في كل مكان حولنا. تعمل محركات السيارات السريعة على حرق الطاقة ، وأضواء الشوارع التي تتألق في الليل تستخدم الطاقة – كل ما يمكنك التفكير فيه هو يستخدم الطاقة بطريقة أو بأخرى. الطاقة شيء سحري يجعل أشياء أخرى تحدث. كل شيء في العالم هو إما طاقة أو مادة (“أشياء” من حولنا) وحتى المادة ، عندما تتعامل معها حقًا ، فهي نوع من الطاقة!
يتكون الكون من مادة بأشكال مختلفة ، وكل أشكال المادة تحتوي على طاقة. تنشأ الأشكال المختلفة للطاقة على الأرض من الشمس – مصدر الطاقة النهائي. تلتقط النباتات الطاقة الضوئية من الشمس ، ومن خلال عملية التمثيل الضوئي ، تحولها إلى طاقة كيميائية. يمكن تسخير هذه الطاقة المخزنة من النباتات بعدة طرق. على سبيل المثال ، فإن تناول المنتجات النباتية كغذاء يوفر الطاقة لأجسامنا لتعمل ، وحرق الأخشاب أو الفحم (النباتات المتحجرة) يولد الحرارة والكهرباء. لذلك ، نظرًا لأن جميع تغييرات المادة تنطوي على تغييرات في الطاقة ، فمن الضروري فهم كيفية تدفق الطاقة من شكل إلى آخر.
تعريف الطاقة
تُعرف الطاقة بأنها القدرة على القيام بالعمل. يتم العمل عندما تتسبب قوة مطبقة على جسم ما في تحرك الجسم ضد قوة معارضة. على سبيل المثال ، يتم العمل عندما يتم دفع طاولة عبر غرفة مقابل المقاومة من الأرضية.
يمكن تصنيف الطاقة إلى نوعين رئيسيين – الطاقة الكامنة والطاقة الحركية.
- الطاقة الكامنة هي الطاقة المرتبطة بالموضع النسبي أو التركيب أو الحالة الخاصة بجسم ما.
- الطاقة الحركية هي الطاقة المرتبطة بحركة الجسم. على سبيل المثال ، تمتلك المياه الموجودة خلف السد طاقة كامنة نظرًا لموقعها فوق سطح الأرض. عندما يتدفق إلى أسفل عبر المولدات ، فإنه يكتسب طاقة حركية ، والتي يمكن تشغيلها لتوليد الكهرباء في محطة الطاقة الكهرومائية.
أشكال الطاقة
هناك أشكال متخلفة من الطاقة منها:
- الطاقة الحركية
- الطاقة الحرارية
- الكهربائية
- الكيميائية
- النووية
أو غيرها من الأشكال المختلفة ، علاوة على ذلك ، هناك حرارة وعمل – أي طاقة في عملية الانتقال من جسم إلى آخر. بعد أن يتم نقلها ، يتم تحديد الطاقة دائمًا وفقًا لطبيعتها. ومن ثم ، قد تصبح الحرارة المنقولة طاقة حرارية ، بينما قد يتجلى العمل المنجز في شكل طاقة ميكانيكية.
الطاقة الكامنة والطاقة الحركية
على الرغم من وجود العديد من أنواع الطاقة في العالم ، إلا أنها تقع جميعها في فئتين عريضتين: الطاقة الكامنة والطاقة الحركية.
عندما يتم تخزين الطاقة وانتظار القيام بالأشياء ، فإننا نسميها الطاقة الكامنة ؛ تعني “الإمكانية” ببساطة هي الطاقة التي لديها القدرة على القيام بشيء مفيد فيما بعد.
وعندما يتم استخدام الطاقة المخزنة للقيام بشيء ما ، فإننا نسميها الطاقة الحركية ؛ تعني الحركة ، وبشكل عام ، عندما يتم استخدام الطاقة المخزنة ، فإنها تجعل الأشياء تتحرك أو تحدث.
أمثلة عن الطاقة الحركية والكامنة
من السهل العثور على أمثلة لكل من الطاقة الكامنة والطاقة الحركية في العالم من حولنا.
إذا دفعت صخرة إلى أعلى تل ، فستجد أنه جهد حقيقي للوصول إلى القمة. هذا لأن قوة الجاذبية تحاول باستمرار سحبك (والصخرة) إلى أسفل. في العلم ، نقول إن عليك القيام بعمل ضد قوة الجاذبية لدفع الصخرة إلى أعلى التل. القيام بالعمل يعني أنه يجب عليك استخدام الطاقة: يجب على عضلات الجسم تحويل السكر والدهون لتوليد الطاقة التي تحتاجها لدفع الصخرة. أين تذهب هذه الطاقة؟ على الرغم من أنك تستخدم الطاقة أثناء التسلق ، فإن جسمك والصخور يكتسبان أيضًا الطاقة – الطاقة الكامنة. عندما تكون الصخرة في أعلى التل ، يمكنك تركها تتدحرج إلى الأسفل مرة أخرى. يمكن أن تتدحرج للأسفل لأنها تخزن طاقة كامنة. بمعنى آخر ، لديها القدرة على التدحرج إلى أسفل التل بمفردها.
عندما تبدأ الصخرة في التدحرج لأسفل التل ، تتحول الطاقة الكامنة التي كانت بها في الجزء العلوي تدريجياً إلى طاقة حركية. عندما نتحدث عن الطاقة الحركية ، فإننا نعني عادة الطاقة التي يمتلكها شيء ما لأنه يتحرك. أي شيء له كتلة (يحتوي على بعض المواد التي تشغل حجمًا) ويتحرك بسرعة معينة (أو سرعة) له طاقة حركية. كلما زادت كتلة الشيء وزادت سرعته ، زادت طاقته الحركية. إذا كانت شاحنة وسيارة تسيران بالتوازي مع بعضهما البعض على الطريق السريع ، وبنفس السرعة ، فإن الشاحنة لديها طاقة حركية أكبر من السيارة لأنها تحتوي على كتلة أكبر بكثير.
إقرأ أيضاً: أنواع الطاقة الحركية
أنواع أخرى من الطاقة الكامنة والحركية
يمكن أن يكون للأشياء طاقة كامنة وحركية لأسباب أخرى. وفيما يلي بعض الأمثلة الأخرى. إن عبور سحابة رعدية فوقنا “لديها القدرة” على إطلاق الطاقة الكهربائية على شكل صواعق ضخمة من البرق. بمعنى آخر ، نقول أن لديها طاقة كهربائية كامنة. افترض أنك تريد إطلاق سهم من قوس. عندما تسحب الوتر المطاطي للخلف ، عليك أن تمده إلى ما بعد شكله الطبيعي. أثناء قيامك بذلك ، فإنك تمنحها ما يُعرف باسم الطاقة الكامنة المرنة (يطلق عليها أحيانًا أيضًا الطاقة الميكانيكية الكامنة). عندما تقوم بتحرير الوتر ، فإنه يستخدم الطاقة الكامنة المخزنة لإطلاق السهم في الهواء.
مثلما توجد أنواع عديدة من الطاقة الكامنة ، فهناك أنواع مختلفة من الطاقة الحركية أيضًا. عندما تطلق سحابة رعدية طاقتها الكهربية المحتملة على شكل برق ، تتطاير شرارات عملاقة من السماء إلى الأرض. صاعقة البرق هي تيار كهربائي ضخم (تدفق كهرباء) يتحرك في الهواء – بعبارة أخرى ، هذا ما يمكن أن نشير إليه باسم “الطاقة الحركية الكهربائية”. يمكننا أيضًا التفكير في الصوت والحرارة والضوء كأمثلة على الطاقة الحركية لأنها تنطوي على انتقال الطاقة من مكان إلى آخر.
الطاقة الحرارية
تعتبر الحرارة من أكثر أنواع الطاقة شيوعًا في عالمنا – ولكن هل هي طاقة كامنة أم طاقة حركية؟ في الواقع ، يمكن أن تكون كلاهما. لنفترض أنك قمت بتسخين قضيب حديدي في النار بحيث يتوهج باللون الأحمر. إذا قمت بغمره في دلو من الماء البارد ، ستنتج كمية كبيرة من البخار. تذهب الطاقة من القضيب الساخن إلى الماء وتسخن ذلك أيضًا ، مما يفقد بعضًا من طاقته في هذه العملية. هذا يعني أن القضيب الساخن – قضيب به طاقة حرارية – لديه طاقة كامنة: لديه القدرة على تسخين شيء آخر.
لكن القضيب الساخن يحتوي أيضًا على طاقة حركية. داخل قضيب حديدي ، توجد مليارات من ذرات الحديد متماسكة معًا في بنية صلبة تسمى الشبكة البلورية. على الرغم من أن الذرات مثبتة إلى حد كبير في نفس المكان ، إلا أنها تهتز باستمرار. كل ذرة لديها القليل من الطاقة الحركية. كلما سخنت قضيبًا حديديًا وزادت سخونته ، كلما اهتزت الذرات – وزادت الطاقة الحركية لديها. بعبارة أخرى ، يتم الاحتفاظ بالحرارة داخل القضيب بواسطة ذرات الاهتزاز وطاقتها الحركية. تُعرف فكرة أن الحرارة تسببها الذرات والجزيئات التي تتحرك حولها باسم النظرية الحركية للمادة.
تحب الأجسام الساخنة تمرير طاقتها الحرارية إلى أشياء أخرى قريبة. إذا لمست شيئًا ساخنًا ، فإن بعض طاقته الحرارية تتدفق إليك – وتحترق. وهذا ما يسمى بالتوصيل الحراري. لكن ليس عليك أن تلمس شيئًا لتشعر بحرارته. إذا جلست على مسافة من نار موقدة ، فستتمكن من الشعور بطاقتها الحرارية على وجنتيك على الرغم من أن النيران لا تلمسك في الواقع. يحدث هذا لأن النار تمرر طاقتها عبر الفضاء الفارغ من خلال عملية تسمى الإشعاع الحراري. الإشعاع هو الطريقة التي تمرر بها الشمس طاقتها عبر حوالي 150 مليون كيلومتر من الفضاء الفارغ إلى الأرض في رحلة تستغرق ما يزيد قليلاً عن 8 دقائق.
تتحرك الطاقة الحرارية أيضًا بطريقة ثالثة ، تُعرف بالحمل الحراري. إذا وضعت قدرًا من الحساء فوق الموقد وقمت بتسخينه ، تنتقل الحرارة من الموقد إلى المقلاة عن طريق التوصيل. يسخن الحساء في قاع المقلاة بسرعة. هذا يجعله أقل كثافة من الحساء الذي فوقه ، لذلك يرتفع إلى أعلى. عندما يرتفع الحساء الدافئ ، يدفع الحساء البارد في الأعلى بعيدًا عن الطريق ، ويتراجع الحساء البارد مرة أخرى ليحل محله. قريبًا ، هناك نوع من الحلقة غير المرئية تتشكل داخل الحساء ، مع الطاقة الحرارية التي يتم حملها باستمرار من الموقد وتدور عبر السائل في الأعلى. هذه العملية هي أيضًا الطريقة التي تنتقل بها الحرارة عبر منطاد الهواء الساخن ، من الموقد الموجود في الأسفل ، لذلك يقوم بشكل منتظم بتسخين كل الغاز الموجود بداخله.
مصادر الطاقة
إذا كان لديك فنجان قهوة ساخن جالسًا على مكتبك ، فإن الطاقة الحرارية التي يحتويها جاءت في الأصل من الماء الساخن الذي استخدمته في صنعه. يحصل الماء الساخن على طاقته من الغلاية الموصولة بمأخذ الكهرباء. ومن أين أتت الكهرباء؟ على الأرجح ، من محطة توليد الكهرباء ، والتي تحرق وقودًا مثل الغاز أو الفحم أو الزيت لإطلاق الطاقة الموجودة فيه. لكن من أين أتت الطاقة في هذا الوقود في الأصل؟
يمكنك لعب لعبة الطاقة هذه إلى الأبد ، وتتبع الطاقة من شيء إلى آخر – وصولاً إلى مصدرها الأصلي. أينما تبدأ وكيفما تذهب ، ينتهي بك الأمر دائمًا في نفس النقطة: الشمس.
توفر كرة النار العملاقة هذه في الفضاء أكثر من 99 بالمائة من الطاقة التي نستخدمها على الأرض. قد تعتقد أن الطاقة الشمسية غير مستقبلية وغير عملية ، ولكن في الحقيقة كان العالم يعمل بالطاقة الشمسية منذ نشوئه. إن ممارسة لعبة الطاقة تكشف شيئًا آخر أيضًا: لا يمكننا أبدًا توليد الطاقة أو تدميرها. بدلاً من ذلك ، كل ما يمكننا فعله هو تحويلها من شكل إلى آخر. تُعرف هذه الفكرة ، التي تعد واحدة من أبسط قوانين الفيزياء ، باسم الحفاظ على الطاقة.
تنقسم الطاقة التي نستخدمها في حياتنا اليومية إلى ثلاث فئات عريضة: الطعام الذي نتناوله للحفاظ على استمرار أجسامنا ، والطاقة التي نستخدمها في منازلنا ، والوقود الذي نضعه في سياراتنا. يأتي الطعام الذي نأكله من النباتات والحيوانات ، والتي تهضمها معدتنا لصنع مادة سكرية تسمى الجلوكوز ينقلها الدم حول أجسامنا لتقوية عضلاتنا. تحصل جميع الحيوانات في النهاية على طاقتها من النباتات ، التي تعمل بدورها بواسطة ضوء الشمس. النباتات مثل الألواح الشمسية الحية التي تمتص طاقة الشمس وتحولها إلى طعام. تميل الطاقة التي نستخدمها في منازلنا إلى توفيرها من الفحم والغاز والنفط. هذه “أنواع الوقود الأحفوري” الثلاثة هي إمدادات الطاقة الجوفية ، التي تم إنشاؤها منذ ملايين السنين ، والتي نقوم بالحفر أو التنقيب أو الأنابيب إلى السطح لتلبية احتياجاتنا من الطاقة اليومية. تأتي معظم الطاقة التي نستخدمها في سياراتنا أيضًا من النفط. تكمن مشكلة الوقود الأحفوري في أننا نستخدمه بسرعة أكبر مما نصنعه. مشكلة أخرى هي أن حرق الوقود الأحفوري ينتج غازًا يسمى ثاني أكسيد الكربون يتراكم في الغلاف الجوي للأرض ويسبب مشكلة تعرف باسم الاحتباس الحراري (تغير المناخ).
الكهرباء – أفضل أنواع الطاقة
كان الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز والفحم مفيدًا للغاية في التنمية الاقتصادية للبشرية. أدى الفحم إلى الثورة الصناعية في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر ، بينما أتاح النفط نموًا هائلاً في النقل الشخصي بعد اختراع محرك الاحتراق الداخلي. أصبح الغاز ، وهو وقود أنظف وأكثر كفاءة ، مصدرًا متزايد الأهمية للطاقة منذ منتصف القرن العشرين. ومع ذلك ، فإن كل هذه الأنواع من الوقود لها عيوبها. الفحم متسخ وغير فعال. يوجد النفط في إمدادات محدودة في أماكن مثل الشرق الأوسط والطلب المتزايد عليه هو مصدر رئيسي للتوترات والحروب العالمية. على الرغم من سهولة نقل الغاز من مكان إلى آخر ، إلا أنه يمكن أن يكون خطيرًا عند التسرب. يعد تحويل الفحم والغاز والنفط وأنواع الوقود الأخرى إلى كهرباء طريقة لجعلها أكثر تنوعًا وفائدة.
الكهرباء هي نوع من الطاقة يتم إنتاجها عادة في محطات توليد الطاقة عن طريق حرق الوقود. وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية ، فإن ما يقل قليلاً عن 30 بالمائة من الكهرباء المصنوعة في الولايات المتحدة تأتي من الفحم. داخل محطة توليد الكهرباء ، يتم حرق الفحم في فرن ضخم لتحرير الطاقة التي يحتوي عليها كحرارة. تُستخدم الحرارة لغلي الماء وإنتاج البخار ، والذي يحول آلية تشبه المروحة الدوارة تسمى التوربين. التوربين متصل بصانع أو مولد كهرباء ينتج الكهرباء بينما يدور التوربين حوله.
إن الشيء العظيم في الكهرباء هو أنها متعددة الاستخدامات. يمكن تحويل أي نوع من أنواع الوقود تقريبًا إلى كهرباء. بمجرد توليد الكهرباء في محطة توليد الكهرباء ، يصبح من السهل نقلها من مكان إلى آخر إما فوق الأرض أو تحت الأرض عبر الكابلات. داخل المنازل والمصانع والمكاتب ، يتم تحويل الكهرباء إلى أنواع أخرى من الطاقة عن طريق مجموعة واسعة من الأجهزة. إذا كان لديك موقد كهربائي أو محمصة ، فإنها تأخذ الكهرباء التي توفرها محطة توليد الكهرباء وتحولها مرة أخرى إلى طاقة حرارية لطهي الطعام. تعمل الأضواء في منزلك على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية (وما لم تكن تستخدم مصابيح موفرة للطاقة ، فهناك قدر كبير من الحرارة).
إقرأ أيضاً: مصادر الطاقة المتجددة
مستقبل الطاقة
وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، من المتوقع أن ينمو استخدام الطاقة في العالم بنسبة 71 بالمائة بين عامي 2003 و 2030. حوالي 85 بالمائة من الطاقة التي نستخدمها على الأرض اليوم تأتي من الوقود الأحفوري ، لكن هذا لا يمكن أن يستمر لفترة أطول. سوف ينفد الوقود الأحفوري عاجلاً أم آجلاً ، وحتى إذا استمر لفترة أطول من المتوقع ، فقد يجعل الاحتباس الحراري يخرج عن السيطرة.
لحسن الحظ ، لأن الكثير من الطاقة التي نستخدمها تأتي من الكهرباء ، فلدينا بدائل. يمكننا إنتاج الكهرباء من طاقة الرياح ، على سبيل المثال ، أو الألواح الشمسية. يمكننا حرق القمامة لتوليد الحرارة التي ستقود محطة توليد الكهرباء. يمكننا زراعة ما يسمى “محاصيل الطاقة” (الكتلة الحيوية) لحرقها في محطات الطاقة لدينا بدلاً من الوقود الأحفوري. ويمكننا تسخير الاحتياطيات الضخمة من الحرارة المحتجزة داخل الأرض ، والمعروفة باسم الطاقة الحرارية الأرضية. تُعرف مصادر الطاقة هذه معًا باسم الطاقة المتجددة ، لأنها ستستمر إلى الأبد (أو على الأقل طالما الشمس تتألق) دون أن تنفد. إمدادات الأرض من الطاقة المتجددة هائلة. موجة محيط ارتفاعها 3 أمتار لديها طاقة كافية لكل متر من عرضها لتزويد 1000 مصباح كهربائي. إذا تمكنا من تغطية واحد في المائة فقط من الصحراء الكبرى بألواح شمسية ، فيمكننا إنتاج ما يكفي من الكهرباء لكوكبنا بأكمله.
سنحتاج أيضًا إلى أن نكون أكثر ذكاءً في طريقة استخدامنا للطاقة. من خلال تصميم الآلات والأجهزة التي تؤدي نفس الوظائف ولكنها تستخدم طاقة أقل ، يمكننا أن نجعل الطاقة التي نملكها أكثر من ذلك بكثير. وهذا ما يسمى بكفاءة الطاقة (توفير الطاقة) وهي بمثابة طريقة مجانية تمامًا لتوليد الطاقة. غالبًا ما تجد شركات الطاقة أن التخلي عن آلاف المصابيح الموفرة للطاقة أرخص من بناء محطات طاقة جديدة.
إقرأ أيضاً: سلبيات وإيجابيات الطاقة المتجددة
ماذا عن السيارات؟ في المستقبل ، سيتم تشغيل معظم سياراتنا بالكهرباء من البطاريات الموجودة على متنها أو من أجهزة تشبه البطاريات تسمى خلايا الوقود ، والتي تستخدم غاز الهيدروجين لتوليد الكهرباء وتوليد الطاقة للمحركات الكهربائية. أصبحت السيارات الكهربائية بالفعل شائعة.
على عكس السيارات التقليدية ، تمتلك السيارة الهجينة محركين: أحدهما ، محرك بنزين قياسي ، يستخدم للقيادة عالية السرعة – على الطريق السريع ، على سبيل المثال ؛ الآخر ، وهو محرك كهربائي مدمج ، يعمل على تشغيل السيارة بشكل نظيف وهادئ وفعال في المدن.
اليوم ، تأتي معظم الكهرباء لدينا من محطات الطاقة البعيدة التي تنتقل عبر أطوال ضخمة من الكابلات. يتطلب الأمر طاقة لنقل الطاقة من مكان إلى آخر. إن إنتاج الكهرباء في محطات الطاقة البعيدة وتحويلها إلى الأسلاك يهدر حوالي ثلثي طاقتها. بمعنى آخر ، إذا قمت بحرق ثلاثة أطنان من الفحم في محطة توليد الكهرباء ، فإنك تهدر طنين منها في الحصول على الطاقة من الفحم ، وتوليد الكهرباء ، ونقل الطاقة الكهربائية للعملاء. هذا هو السبب في أن مباني المستقبل من المرجح أن تنتج المزيد من قوتها المحلية ، على سبيل المثال ، باستخدام الألواح الشمسية ، أو توربينات الرياح.
في كل ثانية ، ترسل الشمس طاقة أكثر مما قد يستخدمه الناس على الأرض في مليون سنة. لا تصل كل هذه الطاقة إلى كوكبنا وليست كلها في شكل يمكننا التقاطه. ولكن إذا فكرنا في الطاقة التي نستخدمها ، واستخدمناها بحكمة أكثر ، فليس هناك سبب لماذا يجب علينا إفساد كوكبنا لأطفال الغد عندما نصنع الطاقة التي نستخدمها اليوم.
إقرأ أيضاً: ماهي الموجات الصوتية؟