ما هي الطاقة في الفيزياء؟ (ث / الصيغة والأمثلة)

ربما تستخدم كلمة "طاقة" في حياتك اليومية طوال الوقت ، ولكن ماذا تعني حقًا؟ ما هي الكمية الجسدية التي تحصل عليها عندما تقول أشياء مثل ، "ليس لدي الطاقة اليوم" ، أو "هؤلاء الأطفال بحاجة إلى حرق بعض الطاقة"؟

قد يمنحك الاستخدام العامي للكلمة إحساسًا أوليًا عن ماهية الطاقة ، ولكن في هذه المقالة ستفعل ذلك تعرف على كيفية تعريف علماء الفيزياء للطاقة ، وتعلم ماهية أنواع الطاقة المختلفة ، واطلع على بعض الأمثلة على طول طريق.

الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل أو إحداث التغيير. إنها مختلفة عن القوة. القوة هي الشيء الذي يسبب التغيير ، بينما يمكن اعتبار الطاقة الدافع وراء القوة. يتطلب الأمر طاقة من أجل تطبيق القوة ، وغالبًا ما يؤدي تطبيق القوة على جسم ما إلى نقل الطاقة إليه.

وحدة الطاقة في النظام الدولي للوحدات هي الجول حيث 1 جول = 1 نيوتن × 1 متر أو 1 كجم⋅ م²/س². تشمل الوحدات الأخرى السعرات الحرارية والسعرات الحرارية والكيلووات في الساعة.

أهم شكلين أساسيين للطاقة هماالطاقة الكامنةوالطاقة الحركية. يتم تخزين الطاقة الكامنة في حين أن الطاقة الحركية هي طاقة الحركة.

عادة ما يفرق العلماء بين الإصدارات المجهرية والميكروسكوبية لأنواع الطاقة هذه. على سبيل المثال،

الطاقة الحركية الميكانيكية هي الطاقة الناتجة عن حركة الجسم العياني. لكن داخل أي جسم ، تمتلك الجزيئات نفسها طاقات حركية خاصة بها من نوع مختلف.

يسمى مجموع الجهد الميكانيكي للجسم والطاقة الحركية بهإجمالي الطاقة الميكانيكية. هذه ليست نفس الطاقة الكلية للجسم ، والتي ستكون مجموع كل أشكال طاقته ، بما في ذلك الطاقة الحرارية والكيميائية وما إلى ذلك.

نوع الطاقة الكامنة المخزنة في الروابط الجزيئية هو شكل من أشكال الطاقة يسمىالمواد الكيميائيةطاقة. تسمى الطاقة المخزنة في الروابط الذرية أو الروابط النوويةالذريالطاقة أونوويطاقة.

تسمى الطاقة الحركية الموجودة على المستوى الجزيئي بسبب اهتزازات وحركات الجزيئاتحراريالطاقة أوالحرارةطاقة. عندما تقيس درجة الحرارة ، فأنت تقيس متوسط ​​كمية هذا النوع من الطاقة.

تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا من الطاقة الميكانيكية المحتملة التي قد تتعلم عنها ما يلي:

• ​طاقة الجاذبية الكامنة:الطاقة المخزنة في جسم ما بناءً على موقعه في مجال الجاذبية. على سبيل المثال ، الكرة المرفوعة عالياً فوق الأرض لها طاقة وضع الجاذبية. عند إطلاقه ، سوف يسقط نتيجة لذلك.
• ​طاقة الوضع الكهربائي:هذه هي الطاقة المخزنة في جسم مشحون بسبب موقعه في مجال كهربائي. على سبيل المثال ، ستمنح الإلكترونات في الدائرة كمية معينة من طاقة الوضع الكهربائي بسبب البطارية. عندما تكون الدائرة متصلة ، يؤدي هذا إلى تدفق الإلكترونات.
• ​طاقة الوضع المغناطيسي:هذه هي الطاقة المخزنة في جسم ذي عزم مغناطيسي بسبب موقعه في مجال مغناطيسي. ضع في اعتبارك عندما تمسك بمغناطيسين زر بالقرب من بعضهما البعض وتشعر بهما يسحبان ؛ هذا بسبب الطاقة المغناطيسية الكامنة.
• ​الطاقة الكامنة المرنة:هذه طاقة مخزنة في مادة مرنة. على سبيل المثال ، يخزن الشريط المطاطي الممتد الطاقة ، كما يفعل الزنبرك المضغوط. عندما يتم إطلاق سراح أي منهما ، سوف يتحركان.

تختلف الطاقة الحركية الميكانيكية عن الطاقة الكامنة من حيث أنها مرتبطة بالحركة ، وتأتي في نوع واحد فقط. معادلة بسيطة تعطي الطاقة الحركية لأي جسم ذي كتلةمتتحرك بسرعةالخامس. هذا هو:

كلما تحرك الجسم بشكل أسرع أو زاد وزنه ، زادت طاقته الحركية.

عندما يتم إطلاق جسم يحتوي على طاقة كامنة ويسمح له بالتحرك بحرية ، فإنه سيبدأ في التسارع. نتيجة لذلك ، تزداد طاقتها الحركية. في نفس الوقت ، تنخفض الطاقة الكامنة. في الشبكة ، تظل الطاقة الميكانيكية الكلية للجسم ثابتة (بافتراض عدم وجود احتكاك أو تأثير قوى مماثلة) ، فقط تتغير الطاقة.

في القسم الأخير ، تم تقديم معادلة الطاقة الحركية الميكانيكية. هناك أيضًا صيغ لأنواع مختلفة من الطاقات المحتملة بالإضافة إلى المعادلات التي تصف العلاقة بين الطاقة والكميات الفيزيائية الأخرى.

طاقة الجاذبية الكامنة للكتلةمعلى ارتفاعحفوق الأرض:

أينز= 9.8 م / ث² هي عجلة الجاذبية.

طاقة الوضع الكهربائي لشحنة ماففي الجهدالخامسهو ببساطة:

ال الطاقة الكامنة المخزنة في الربيع اعطي من قبل:

أينكهل ثابت الربيع (ثابت يعتمد على صلابة الزنبرك) وΔxهي الكمية التي يتم بها ضغط أو شد الزنبرك.

يتم الحصول على تغيير الطاقة الحرارية (المعروف أيضًا باسم الطاقة الحرارية المنقولة) بالمعادلة التالية:

أينسهي الطاقة ،مهي الكتلةجهي السعة الحرارية المحددة وΔ تهو تغير درجة الحرارة بوحدات كلفن.

كمية الشغل الفيزيائية (المُعرَّفة على أنها ناتج القوة والإزاحة) لها نفس وحدات الطاقة (J أو Nm). ترتبط الكميتان ، الشغل والطاقة الحركية ، من خلال نظرية الطاقة الحركية للشغل ، والتي تنص على أن صافي العمل على جسم ما يساوي التغير في الطاقة الحركية للجسم.

من الحقائق الأساسية في الطبيعة أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تم تلخيص هذا في قانون حفظ الطاقة. ينص هذا القانون على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة.

بينما تظل الطاقة الإجمالية ثابتة ، فإنها يمكن أن تتغير في كثير من الأحيان. قد تتغير الإمكانات إلى حركية ، وقد تتغير الحركية إلى طاقة حرارية وما إلى ذلك. لكن المبلغ الإجمالي يظل دائمًا كما هو.

من المهم ملاحظة أن هذا القانون يحدد نظامًا منعزلاً. النظام المعزول هو النظام الذي لا يمكن بأي حال من الأحوال التفاعل مع محيطه. النظام الوحيد المحتمل تمامًا في الكون هو الكون نفسه. ومع ذلك ، من الممكن إنشاء العديد من الأنظمة على الأرض قريبة من كونها معزولة (تمامًا كما يمكن جعل الاحتكاك ضئيلًا ، حتى لو لم يكن صفرًا).

يمكن أن يحدث تحويل الطاقة بعدة طرق ، عادةً من الطاقة المخزنة التي يتم إطلاقها كطاقة حركية من نوع ما أو كطاقة مشعة.

يمكن إطلاق الطاقة الكيميائية ، على سبيل المثال ، أثناء التفاعلات الكيميائية. خلال مثل هذا التفاعل ، يتغير من طاقة الوضع الكيميائي إلى شكل آخر ، والذي قد يتضمن طاقة مشعة أو طاقة حرارية.

يتم إطلاق الطاقة النووية أثناء تفاعل نووي. هذا هو المكان الذي اشتهر فيه أينشتاينه = مك²تدخل المعادلة حيز التنفيذ (الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء). كتلة النواة التي تنقسم لتطلق الطاقة ستكون أخف قليلاً في النهاية بمقدار تحدده صيغة آينشتاين. بقدر ما يبدو من الجنون ، يمكن اعتبار الكتلة نفسها شكلاً من أشكال الطاقة الكامنة.

هنا على الأرض ، من المحتمل أن تستخدم الطاقة الكهربائية كثيرًا. في كل مرة تضيء فيها الضوء في منزلك أو تقرأ شيئًا ما من على شاشة إلكترونية كما أنت الآن ، فأنت تستخدم الطاقة الكهربائية. لكن من أين تأتي هذه الطاقة؟

الجواب الواضح هو البطاريات أو مقبس الحائط ، ولكن ما هو المصدر الأساسي الفعلي؟

عندما يتعلق الأمر بالبطاريات ، غالبًا ما يتم تخزين الطاقة كيميائيًا في خلية بطارية ، لكن العديد من الأجهزة الإلكترونية تتطلب إعادة شحن بطارياتها عن طريق توصيلها بمأخذ التيار الكهربائي الموجود على الحائط.

الطاقة التي تأتي إلى منزلك من خلال خطوط الكهرباء تنبع من محطة طاقة في مكان ما. تمتلك محطات توليد الطاقة العديد من الطرق المختلفة لتجميع الطاقة وتحويلها إلى طاقة كهربائية.

تتضمن بعض مصادر الطاقة الشائعة التي تحصدها محطات الطاقة وتحويلها إلى كهرباء ما يلي:

• ​طاقة شمسية:هذه طاقة مشعة تأتي من الشمس ويمكن أن تلتقطها الخلايا الشمسية.
• ​الطاقة الحرارية الأرضية:هذه هي الطاقة الحرارية الموجودة في عمق الأرض والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى سطح الأرض لاستخدامها.
• ​الوقود الحفري:وتشمل هذه الفحم والنفط ، اللذان غالبًا ما يتم حرقهما لإطلاق الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية.
• ​الطاقة النووية:تولد محطات الطاقة النووية الطاقة عن طريق تفكيك النوى الذرية وتسخير الطاقة المخزنة في الروابط النووية.
• ​الطاقة الكهرومائية:هذه هي الطاقة التي تأتي من طاقة الجاذبية الكامنة وكذلك الطاقة الحركية في المياه المتدفقة.
• ​طاقة الرياح:لحصد طاقة الرياح ، يتم استخدام التوربينات العملاقة. تدير الرياح التوربينات ، وتنقل طاقتها إليها.

تذكر مرة أخرى في بداية هذا المقال حيث تم ذكر العبارات ، "ليس لدي الطاقة اليوم ،" و "هؤلاء الأطفال بحاجة إلى حرق بعض الطاقة"؟ يستفيد البشر من الطاقة طوال الوقت ، وليس فقط من أجهزتهم الإلكترونية. تتطلب كل من الحركات الكبيرة لجسمك والعمليات الصغيرة داخل جسمك طاقة.

يتطلب الأمر طاقة للجري أو التنزه أو السباحة أو حتى مجرد تنظيف أسنانك. تذكر الطاقة الحركية؟ عندما تتحرك ، فأنت تفعل ذلك عن طريق الطاقة الحركية. يجب أن تأتي هذه الطاقة من مكان ما.

تتطلب العديد من العمليات غير المرئية التي تحدث في جسمك أيضًا طاقة ، مثل التنفس وتدوير الدم والهضم وما إلى ذلك.

من أين يحصل البشر على طاقتهم؟ الطعام بالطبع! الطعام الذي تتناوله يخزن طاقة كيميائية فيه. عندما يشق هذا الطعام طريقه إلى معدتك ، فإن حمض المعدة يكسر الطعام بشكل مؤكد تشق جزيئات الطعام طريقها إلى جميع الأماكن المختلفة في جسمك التي قد تحتاجها طاقة. ثم ، عند الحاجة ، يتم الحصول على الطاقة عن طريق تفاعل كيميائي صغير.

الآن ، إذا كنت لا تأكل طوال اليوم وتقوم بالكثير من الجري في الأرجاء ، فإنك تنفق الكثير من الطاقة وستشعر "بالاستنزاف" حتى تأكل وتزود جسمك بالمزيد مما يحتاجه.