كتاب الطالب وحدة الطاقة الحركية فيزياء الصف الحادي عشر
صورة مركبة من صور الأقمار الصناعية التابعة لوكالة ناسا التي التقطت بالليل. التقطت الصور من نوفمير 1994 إلى مارس 1995.
الشكل، 5.1 يمثل صورة مركبة لصور الأقمار الصناعية الملتقطة توضح أي جزء من العالم تستخدم معظم الطاقة للإضاءة ليلا. و لا عجب اليابان هي الأبرز. ولا عجب أن تكون الولايات المتحدة وغرب أوروبا واليابان هي الابرز وتشكل كمية الضوء التي تنبعث من منطقة أثناء الليل مقياسا جيدا لمقدار الطاقة الذي تستهلكه المنطقة.
الطاقة لها أهمية أساسية فى الفيزياء. إذ لا يحدث أي نشاط فيزيائي من الناحية العملية من دون استهلاك الطاقة أو تحولها. والحسابات التي تتطلب طاقة أحد الأنظمة لها أهمية قصوى في كافة مجالات العلوم والهندسة. وكما سنتعلم في هذه الوحدة. توفر طرق حل المسائل التي تتطلب الطاقة بديلا للعمل مع قوانين نيوتن وتكون في الغالب أبسط وأسهل في الاستخدام.
تقدم هذه الوحدة مفاهيم الطاقة الحركية والشغل والقدرة وتطرح بعض الأساليب التي تستخدم منه الأفكار. مثل نظرية الشغل والطاقة الحركية. لحل أنواع متعددة من المسائل. ستتناول الوحدة 6 أنواع أخرى من الطاقة وتوسع مفهوم نظرية الشغل والطاقة الحركية ليشمل هذه الأنواع؛ فضلا عن أنها ستناقش إحدى الأفكار الرائعة في الفيزياء. بل وفي كافة العلوم. وهي قانون بقاء الطاقة.
5.1 الطاقة في حياتنا اليومية
لا توجد كمية فيزيائية لها أهمية أكبر في حياتنا اليومية من الطاقة. يشكل استهلاك الطاقة وكفاءتها وإنتاجها أهمية اقتصادية قصوى. بل إن ذلك محور النقاشات الساخنة حول السياسات الوطنية والاتفافات الدولية. (ترد كلمة إنتاج بين علامتي تنصيص لأن الطاقة لا يتم إنتاجها ولكنها تتحول من صورة أقل فعالية للاستخدام إلى أخرى أكثر قابلية للاستخدام). وتؤدي الطاقة أيضا دورا مبينا في الروتين اليومي لكل فرد مثل الحصول على الطاقة من خلال السعرات الحرارية الغذائية واستهلاكها من خلال العمليات الخلوية والأنشطة والعمل وممارسة الرياضة. ويرجع فقدان الوزن أو زيادته في النهاية إلى عدم التوازن بين الحصول على الطاقة واستهلاكها
تأخذ الطاقة صورا كثيرة وتتطلب عدة أساليب مختلفة لتناولها تماما. ومن ثم. كانت الطافة موضوعا متكررا في هذا الكتاب. نبدأ في هذه الوحدة وما يليها بالتحقيق في صور الطاقة الميكانكية. وهي الطاقة الحركية وطاقة الوضع. ومع التقدم في موضوعات هذا الكتاب. سنكتشف أن صور الطاقة الأخرى تلعب دورا مهما أيضا. تمثل الطاقة الحرارية إحدى الركائز الأساسية للديناميكيا الحرارية. تخزن الطاقة الكيميائية في المركبات الكيمائية.
ويمكن أن تستهلك التفاعلات الكبمبائبة الطاقة من البيئة (التفاعلات الماصة للحرارة) أو تنتج طاقة قابلة للاستخدام للبيئة المحيطة (التفاعلات الطاردة للحرارة). ويستفيد اقتصادنا البترولي من الطاقة الكيميائية وتحويلها إلى طاقة ميكانيكة وحرارة. والتي تشكل صورة أخرى من الطاقة (أو تحول الطاقة).
سنتعلم لاحقا أن الإشعاع الكهرومغتاطيسي يحتوي على طاقة. تشكل هذه الطاقة الأساس لإحدى صور الطاقة المتجددة. وهي الطاقة الشمسية. ويمكن أن تعود كل مصادر الطاقة المتجددة الأخرى التي توجد على الأرض تقريبا إلى الطاقة الشمسية. فالطاقة الشمسية هي المسؤولة عن الرياح التي تدفع توربينات الرباح الكبيرة. كما أن أشعة الشمس هي المسؤولة عن تبخر الماء من سطح الأرض وتحويله إلى السحب التي يسقط منها بخار
الماء على هيئة أمطار ليصل في نهاية الأمر إلى الأنهار التي يمكن إقامة سدود عليها (الشكل 5.2) لتوليد الطاقة.
وتعتمد الكتلة الحيوية التي تمثل موردا آخر من موارد الطاقة المتجددة على قدرة النباتات والحيوانات على تخزين الطاقة الشمسبة أثناء عمليات الأيض والنمو.
الشكل 5.3 السدود تولد طاقة كهربائية متجددة. (a) سد كولي الكبير الذي يقع على نهر كولومبيا في واشنطن. (b) سد على الحدود الواقعة بين البرازيل والباراغواي. (c) سد الممرات الثلاثة على نهر اليانغتسي في الصين.
في الواقع تتجاوز الطاقة التي تنبعث من الشمس على سطح الأرض احتياجات كل البشر من الطاقة بما يزيد عن IO,OOO ضعف. ومن الممكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية مباشرة باستخدام الخلايا الكهروضوئية (الشكل 5.30). وتركز جهود بحثية مكثفة حاليا على زيادة كفاءة هذه الخلابا الضوئية ودقتها مع الحد من تكلفتها. يجري بالفعل استخدام أشكال من الخلايا الشمسية لبعض الأغراض العملية. مثل في أضواء الغناء والحديقة. وتستخدم أيضا محطات توليد الطاقة الشمسية التجريبية كتلك الموضحة في الشكل 5.3a.
ستتناول الوحدة الماصة بفيزياء الكم (الوحدة 36) كيفية عمل الخلايا الضوئية بالتفصيل. ثمة مشاكل تواجه استخدام الطاقة الشمسية منها أنها غير متوفرة بالليل ومتغيرة موسميا وتقل بشدة في الأحوال الغائمة أو سوء الأحوال الجوية. واستنادا إلى طرق التركيب والتحويل المستخدمة. تحول أجهزة الطاقة الشمسية الحالية من 10 إلى 15% فقط من الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وتمثل زيادة هذه النسبة الهدف الرئيس للنشاط البحثي.
تم تطوير المواد التي تحتوي على 30% أو أكثر من إنتاج العلاقة الكهربائية من العلاقة الشمسية في المختبر ولكن لا تزال غير منتشرة على نطاف صناعي، وتفل كفاءة استخدام الكتلة الجوية لتوليد الكهرباء، بكثير عن كفاءة التقاط الطاقة الشمسية. حيث تبلغ حوالي 1% أو أقل.
تحتوي الأرض نفسها على طاقة مفيدة في صورة حرارة. والتي يمكننا جميعا باستخدام محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية. تحصل أيسلندا على نصف احتياجاتها من الطاقة تقريبا من هذا المورد. يقع مجمع جيزرس. أكبر مجمع لمحطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية في العالم. في شمال كاليفورنيا ويوفر ما يقرب من 60«% من الكهرباء لتلك المنطقة. يمكن أيضا الاستفادة من تيارات المحيطات الموجودة على الأرض ومدها وجزرها وأمواجها لتوليد طاقة مفيدة. تعد هذه الموارد وغيرها من موارد الطاقة البديلة محور تركيز بحث مكثف وسيشهد المستقبل القريب تطورات مذهلة.
في الوحدة 13. التي تتناول النسبية. ستتعلم أن مفهومي الطاقة والكتلة غير منفصلين تماما ولكنهما مرتبطان ببعضهما من خلال قانون أينشتاين الشهير E=mc2. عند دراسة الفيزياء النووية (الوحدة 40). سنجد أن انقسام النويات الذرية الكبيرة (مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم) تنطلق منه طاقة. وتعد محطات توليد الطاقة النووية التقليدية على هذا المبدأ الفيزيائي. الذي يسمى الانشطار النووي. يمكننا أيضا الحصول على طاقة مفيدة عن طريق دمج النوبات الذرية مع الكتل الصغيرة جدا (مثل الهيدروجين) لتكوين نويات أكبر حجما. وتسمى هذه العملية الاندماح النووي. تستخدم الشمس وكل النجوم الأخرى الموجودة في الكون الاندماح النووي لتوليد الطاقة.
يعتقد الكثيرون أن الطاقة الناجة عن الاندماج النووي هي الوسيلة الأكثر احتمالا لتلبية احتياجات المجتمع الصناعي الحديث من الطاقة على المدى الطويل. لعل النهج الأكثر احتمالا لإحراز تقدم في تفاعلات الاندماج النووي المتحكم بها هو المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER) في منشأة مفاعل الاندماج النووي المقترحة (يعني باللاتينية الطريق) الذي سيتم إنشاؤه في فرنسا. ولكن توجد نهج أخرى واعدة لحل مشكلة كيفية استخدام الاندماج النووي. على سبيل المثال. افتتحت منشأة الإشعال الوطنية (NIF) في مايو 2009 في مختبر لوراس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا، ستتناقش هذه التقنيات بمزبد من التفصيل.
يرتبط الشغل والقدرة بالطاقة، نستخدم جميعا هذه المفردات استخداما غير رسمي، ولكن ستشرح هذه الوحدة مدى ارتباط هذه الكميات بالطاقة في المصطلحات الفيزيائية والرياضية الدقيقة. تستطيع أن ترى أن الطاقة تشغل حيزا مهما في حياتنا. ومن بين أهداف هذا الكتاب أن يمنحك أساسا متينا في أساسيات علوم الطاقة. ويمكنك بعد ذلك المشاركة في بعض أهم مناقشات السياسة في عصرنا بطريقة مستنيرة.
ويظل السؤال الأخير قائما: ما الطاقة ؟ في معظم الكتب المدرسية. تعرف الطاقة بأنها القدرة على الشغل. ومع ذلك. فإن هذا التعريف ينقل الغموض من دون تقديم تفسير أعمق. والحقيقة أنه لا يوجد تفسير أعمق. كتب ريتشارد فايسان الحائز على جائزة نوبل وأسطورة الفيزياء في كتابه الشهير محاضرات فاينمان في الفيزياء عام 1963 ما يلي: من المهم أن ندرك أنه في الفيزياء اليوم. لا نعرف ماهية الطاقة. فليس لدينا تصور بأن الطاقة تأتي في شكل نقط صغيرة بكمية محددة. ولكن لا يسير الأمر هكذا. إذ توجد قوانين لحساب بعض الكميات العددية وعندما تجمع مع بعضها ينتج العدد 28". وتحصل على العدد نفسه دائما. إنه شيء مجرد لا يوضح لنا آلية عمل القوانين المختلفة أو أسبابها . وبعد مرور خمسة عقود. لم يتغير هذا. يمثل مفهوم الطاقة. ولا سيما قانون حفظ الطاقة (انظر الوحدة 6). أدوات مفيدة للغاية لمعرفة سلوكيات الأنظمة. ولكن لم يقدم أحد حتى الأن تفسيرا للطبيعة الحقيقية للطاقة.