الطاقة هي ما يجعل الحياة ممكنة ليس فقط على كوكبنا ، ولكن أيضًا في الكون. ومع ذلك ، يمكن أن يكون مختلفًا جدًا. لذا ، فإن الحرارة ، والصوت ، والضوء ، والكهرباء ، وأجهزة الميكروويف ، والسعرات الحرارية هي أنواع مختلفة من الطاقة. لجميع العمليات التي تحدث من حولنا ، هذه المادة ضرورية. تستقبل الشمس معظم الطاقة الموجودة على الأرض ، ولكن هناك مصادر أخرى لها. تنقلها الشمس إلى كوكبنا ما يصل إلى 100 مليون من أقوى محطات الطاقة التي ستنتجها في نفس الوقت.
ما هي الطاقة؟
النظرية التي طرحها ألبرت أينشتاين تدرس العلاقة بين المادة والطاقة. استطاع هذا العالم العظيم إثبات قدرة مادة ما على التحول إلى مادة أخرى. وفي نفس الوقت اتضح أن الطاقة هي أهم عامل في وجود الأجسام ، وأن المادة ثانوية.
الطاقة ، إلى حد كبير ، هي القدرة على القيام ببعض الأعمال. هي التي تقف لمفهوم القوة القادرة على تحريك الجسم أو إعطائه خصائص جديدة. ماذا يعني مصطلح "الطاقة"؟ الفيزياء هي علم أساسي كرس العديد من العلماء من مختلف العصور والبلدان حياتهم. حتى أرسطو استخدم كلمة "طاقة" للإشارة إلى النشاط البشري. ترجمت "الطاقة" من اللغة اليونانية ، "النشاط" ، "القوة" ، "الفعل" ، "القوة". في المرة الأولى ظهرت هذه الكلمة في أطروحة لعالم يوناني تسمى "الفيزياء".
بالمعنى المقبول عمومًا الآن ، صاغ الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ هذا المصطلح. وقع هذا الحدث المهم في عام 1807. في الخمسينيات من القرن التاسع عشر. كان الميكانيكي الإنجليزي ويليام طومسون أول من استخدم مفهوم "الطاقة الحركية" ، وفي عام 1853 قدم الفيزيائي الاسكتلندي ويليام رانكين مصطلح "الطاقة الكامنة".
اليوم هذه الكمية العددية موجودة في جميع فروع الفيزياء. إنه مقياس واحد لأشكال مختلفة من الحركة وتفاعل المادة. بمعنى آخر ، إنه مقياس لتحول نموذج إلى آخر.
القياسات والتسميات
كمية الطاقة تقاس بالجول (J). قد يكون لهذه الوحدة الخاصة ، اعتمادًا على نوع الطاقة ، تسميات مختلفة ، على سبيل المثال:
- W هو إجمالي الطاقة للنظام
- Q - حراري.
- U - الإمكانات.
أنواع الطاقة
هناك العديد من أنواع الطاقة المختلفة في الطبيعة. أهمها:
- ميكانيكي
- كهرومغناطيسي ؛
- كهربائي ؛
- مادة كيميائية ؛
- حراري
- نووي (ذري).
هناك أنواع أخرى من الطاقة: ضوء ، صوت ، مغناطيسي. في السنوات الأخيرة ، يميل عدد متزايد من الفيزيائيين إلى فرضية وجود ما يسمى بالطاقة "المظلمة". كل نوع من الأنواع المذكورة سابقًا من هذه المادة له خصائصه الخاصة. على سبيل المثال ، يمكن أن تنتقل الطاقة الصوتية باستخدام الموجات. إنها تساهم في اهتزاز طبلة الأذن في أذن الناس والحيوانات ، وبفضل ذلك يمكن سماع الأصوات. في سياق التفاعلات الكيميائية المختلفة ، يتم إطلاق الطاقة اللازمة لحياة جميع الكائنات الحية. أي وقود وطعام ومراكم وبطاريات هي تخزين هذه الطاقة
يعطي نجمنا الأرض طاقة على شكل موجات كهرومغناطيسية. بهذه الطريقة فقط يمكنها التغلب على مساحات الكون. بفضل التكنولوجيا الحديثة ، مثل الألواح الشمسية ، يمكننا استخدامها بأكبر قدر من التأثير. تتراكم الطاقة الزائدة غير المستخدمة في مرافق تخزين الطاقة الخاصة. إلى جانب أنواع الطاقة المذكورة أعلاه ، والينابيع الحرارية ، والأنهار ، والمد والجزر المحيطية ، وغالبًا ما يتم استخدام الوقود الحيوي.
الطاقة الميكانيكية
تتم دراسة هذا النوع من الطاقة في فرع الفيزياء المسمى "الميكانيكا". يُشار إليه بالحرف E. ويقاس بالجول (J). ما هذه الطاقة؟ تدرس فيزياء الميكانيكا حركة الأجسام وتفاعلها مع بعضها البعض أو مع المجالات الخارجية. في هذه الحالة ، تسمى الطاقة الناتجة عن حركة الأجسامالحركية (يرمز لها Ek) ، والطاقة الناتجة عن تفاعل الأجسام أو المجالات الخارجية تسمى الجهد (Ep). مجموع الحركة والتفاعل هو إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام.
هناك قاعدة عامة لحساب كلا النوعين. لتحديد مقدار الطاقة ، من الضروري حساب الشغل المطلوب لنقل الجسم من حالة الصفر إلى هذه الحالة. علاوة على ذلك ، كلما زاد العمل ، زادت الطاقة التي يتمتع بها الجسم في هذه الحالة.
فصل الأنواع وفقًا لمعايير مختلفة
هناك عدة أنواع من تقاسم الطاقة. وفقًا لمعايير مختلفة ، يتم تقسيمها إلى: خارجي (حركي ومحتمل) وداخلي (ميكانيكي ، حراري ، كهرومغناطيسي ، نووي ، جاذبية). وتنقسم الطاقة الكهرومغناطيسية بدورها إلى مغناطيسية وكهربائية ، وتنقسم الطاقة النووية إلى طاقة تفاعلات ضعيفة وقوية.
الحركية
أي أجسام متحركة تتميز بوجود الطاقة الحركية. كثيرا ما يطلق عليه ذلك - القيادة. تُفقد طاقة الجسم المتحرك عندما تتباطأ. وبالتالي ، كلما زادت السرعة زادت الطاقة الحركية.
عندما يتلامس جسم متحرك مع جسم ثابت ، يتم نقل جزء من الجسم الحركي إلى الأخير ، مما يجعله يتحرك. صيغة الطاقة الحركية هي كما يلي:
Ek=mv2:2،حيث m هي كتلة الجسم ، v هي السرعة من الجسم
بالكلمات ، يمكن التعبير عن هذه الصيغة على النحو التالي: الطاقة الحركية للجسم هينصف حاصل ضرب كتلته في مربع سرعته
إمكانية
هذا النوع من الطاقة تمتلكه أجسام في نوع من مجال القوة. لذلك ، يحدث المغناطيس عندما يكون الجسم تحت تأثير مجال مغناطيسي. كل الأجسام على الأرض لديها طاقة جاذبية محتملة.
اعتمادًا على خصائص كائنات الدراسة ، يمكن أن يكون لديهم أنواع مختلفة من الطاقة الكامنة. لذلك ، فإن الأجسام المرنة والمرنة القادرة على التمدد ، لديها الطاقة الكامنة من المرونة أو التوتر. أي جسم ساقط كان بلا حراك سابقًا يفقد إمكاناته ويكتسب الحركية. في هذه الحالة ، ستكون قيمة هذين النوعين متساوية. في مجال الجاذبية لكوكبنا ، ستبدو صيغة الطاقة الكامنة على النحو التالي:
Ep=mhg ،حيث m هو وزن الجسم ؛ ح هو ارتفاع مركز كتلة الجسم فوق مستوى الصفر ؛ g هو تسارع السقوط الحر.
بالكلمات ، يمكن التعبير عن هذه الصيغة على النحو التالي: الطاقة الكامنة لجسم يتفاعل مع الأرض تساوي ناتج كتلته ، وتسارع الجاذبية والارتفاع الذي يقع عنده.
هذه القيمة العددية هي سمة من سمات احتياطي الطاقة لنقطة مادة (جسم) تقع في مجال قوة محتملة وتستخدم لاكتساب الطاقة الحركية بسبب عمل قوى المجال. يطلق عليها أحيانًا وظيفة الإحداثيات ، وهي مصطلح في لانغرانج (وظيفة لاغرانج للنظام الديناميكي). يصف هذا النظام تفاعلهم.
الطاقة الكامنة تساوي صفرًا من أجلتكوين معين من الهيئات الموجودة في الفضاء. يتم تحديد اختيار التكوين من خلال ملاءمة المزيد من الحسابات ويسمى "تطبيع الطاقة الكامنة".
قانون الحفاظ على الطاقة
أحد أهم المسلمات الأساسية للفيزياء هو قانون الحفاظ على الطاقة. حسب قوله ، لا تظهر الطاقة من أي مكان ولا تختفي في أي مكان. يتغير باستمرار من شكل إلى آخر. بمعنى آخر ، لا يوجد سوى تغيير في الطاقة. لذلك ، على سبيل المثال ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية لبطارية مصباح يدوي إلى طاقة كهربائية ، ومنها إلى ضوء وحرارة. تقوم الأجهزة المنزلية المختلفة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء أو حرارة أو صوت. في أغلب الأحيان ، تكون النتيجة النهائية للتغيير هي الحرارة والضوء. بعد ذلك تذهب الطاقة إلى الفضاء المحيط.
يمكن لقانون الطاقة أن يفسر العديد من الظواهر الفيزيائية. يجادل العلماء بأن حجمه الإجمالي في الكون يظل ثابتًا دون تغيير. لا أحد يستطيع توليد الطاقة من جديد أو تدميرها. في تطوير أحد أنواعه ، يستخدم الناس طاقة الوقود ، والماء الساقط ، والذرة. في نفس الوقت يتحول أحد أشكاله إلى شكل آخر.
في عام 1918 ، تمكن العلماء من إثبات أن قانون الحفاظ على الطاقة هو نتيجة رياضية للتناظر الانتقالي للوقت - قيمة الطاقة المترافقة. بمعنى آخر ، يتم الحفاظ على الطاقة بسبب حقيقة أن قوانين الفيزياء لا تختلف في أوقات مختلفة.
ميزات الطاقة
الطاقة هي قدرة الجسم على القيام بالعمل. مغلقالأنظمة الفيزيائية ، يتم الحفاظ عليها طوال الوقت (طالما كان النظام مغلقًا) وهي واحدة من ثلاثة تكاملات مضافة للحركة التي تحافظ على القيمة أثناء الحركة. وتشمل هذه: الطاقة ، الزخم الزاوي ، الزخم. يعتبر إدخال مفهوم "الطاقة" مناسبًا عندما يكون النظام المادي متجانسًا في الوقت المناسب.
الطاقة الداخلية للهيئات
هو مجموع طاقات التفاعلات الجزيئية والحركات الحرارية للجزيئات التي تتكون منها. لا يمكن قياسها مباشرة لأنها وظيفة لا لبس فيها لحالة النظام. عندما يجد النظام نفسه في حالة معينة ، يكون لطاقته الداخلية قيمة متأصلة ، بغض النظر عن تاريخ وجود النظام. دائمًا ما يكون التغيير في الطاقة الداخلية أثناء الانتقال من حالة فيزيائية إلى أخرى مساويًا للفرق بين قيمها في الحالتين النهائية والأولية.
الطاقة الداخلية للغاز
بالإضافة إلى المواد الصلبة ، تحتوي الغازات أيضًا على طاقة. يمثل الطاقة الحركية للحركة الحرارية (الفوضوية) لجزيئات النظام ، والتي تشمل الذرات والجزيئات والإلكترونات والنوى. الطاقة الداخلية للغاز المثالي (نموذج رياضي للغاز) هي مجموع الطاقات الحركية لجزيئاته. يأخذ هذا في الاعتبار عدد درجات الحرية ، وهو عدد المتغيرات المستقلة التي تحدد موضع الجزيء في الفضاء.
استخدام الطاقة
كل عام تستهلك البشرية المزيد والمزيد من موارد الطاقة. في أغلب الأحيان من أجل الطاقة ،ضرورية لإضاءة وتدفئة منازلنا ، وتشغيل المركبات والآليات المختلفة ، وتستخدم الهيدروكربونات الأحفورية مثل الفحم والنفط والغاز. إنها موارد غير متجددة.
لسوء الحظ ، يأتي جزء ضئيل فقط من طاقة كوكبنا من الموارد المتجددة مثل المياه والرياح والشمس. حتى الآن ، تبلغ حصتهم في قطاع الطاقة 5٪ فقط. 3٪ أخرى من الناس يتلقون في شكل طاقة نووية منتجة في محطات الطاقة النووية.
الموارد غير المتجددة لديها الاحتياطيات التالية (بالجول):
- الطاقة النووية - 2 × 1024؛
- طاقة الغاز والنفط - 2 × 1023؛
- الحرارة الداخلية للكوكب - 5 × 1020.
القيمة السنوية لموارد الأرض المتجددة:
- الطاقة الشمسية - 2 × 1024؛
- رياح - 6 × 1021؛
- أنهار - 6 ، 5 × 1019؛
- المد البحري - 2.5 × 1023.
فقط مع الانتقال في الوقت المناسب من استخدام احتياطيات الطاقة غير المتجددة للأرض إلى احتياطيات الطاقة المتجددة ، فإن البشرية لديها فرصة لوجود طويل وسعيد على كوكبنا. لتنفيذ أحدث التطورات ، يواصل العلماء في جميع أنحاء العالم دراسة الخصائص المختلفة للطاقة بعناية.
