بحث عن تحولات الطاقة

تظهر قيمة بحث عن تحولات الطاقة عندما نميز بين التعريف الفيزيائي والصيغة الرياضية والظروف التي تصلح فيها.^[1]

نظرة عامة عن الطاقة

تُعرّف الطاقة (بالإنجليزيّة: Energy) بأنّها القابليّة أو القُدرة على إنجاز شغلٍ ما، وقد تمّ الاستفادة من الطاقة في المجتمعات الحديثة بسبب التوصُّل إلى طرق تُساعد على تحويلها من شكلٍ إلى آخر من أجل الاستفادة من الشكل الجديد لها لإنجاز شغلٍ ما، إذ يتمّ الاستفادة من أشكال الطاقة المختلفة للعديد من الأعمال؛ كطهي الطعام على الموقد، وإضاءة المباني، وتحويل الماء إلى جليد في المُجمّدات، وتحرُّك السيارات على الطرق، وتحرُّك القوارب في المياه، ويوجد أشكال عديدة للطاقة تندرج تحت فئتين أساسيتين كالآتي:

• الطاقة الكامنة (بالإنجليزية: Potential Energy): والتي تُسمّى بطاقة الوضع أيضاً، وهي عبارة عن طاقة مُختزنة.
• الطاقة الحركية (بالإنجليزية: Kinetic Energy): هي حركة المواد المختلفة؛ كحركة الذّرات، والجزيئات، والأمواج، و الإلكترونات ، وغيرها من المواد والأجسام.

تحوّلات الطاقة

يُعرَّف تحوُّل الطاقة (بالإنجليزية: Energy Conversion) على أنّه تحوُّل أشكال الطاقة التي يتمّ الحصول عليها مباشرةً من الطبيعة إلى أشكالٍ أخرى يتمّ الاستفادة منها من قِبل الإنسان، وتحدث عملية تحوّل الطاقة في معظم العمليات التي تحدث في الكون وبشكلٍ مستمر، ومن عمليات تحويل الطاقة ما يأتي:

• تحويل الطاقة الشمسيّة إلى طاقة كيميائيّة في النباتات عن طريق عملية البناء الضوئي، إذ تحتاج عملية البناء الضوئي إلى كلٍّ من أشعة الشمس، والماء، وثاني أكسيد الكربون لتصنيع الغذاء.
• تحويل الطاقة الميكانيكيّة لمياه الشلالات إلى طاقة كهرومغناطيسيّة في المولّدات.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة المختزنة في البنزين إلى طاقة حراريّة ثمَّ إلى طاقة حركيّة لتحريك السيارة.
• تحويل الطاقة الشمسيّة إلى طاقة كهربائيّة عن طريق الخلايا الشمسيّة، والاستفادة من تلك الطاقة في الإضاءة أو تشغيل الأجهزة.

يُذكر أنّه عند تحويل أحد أشكال الطاقة إلى شكلٍ آخرٍ بأيّة طريقة فإنّ كمية الطاقة بالشكل الأوليّ لها تكون مُساويةً لكمية الشكل الجديد للطاقة، فالطاقة محفوظة خلال أيّ نظام يتمّ فيه تحويل الطاقة من شكلٍ لآخر، كما تنطوي بعض عمليات تحويل الطاقة على تحويل أُحادي للطاقة، وبعضها ينطوي على تحوّلات متعددة للطاقة.

التحوّلات الأحادية للطاقة

يتمّ تحويل أحد أشكال الطاقة إلى شكلٍ آخر من أجل الاستفادة من الشكل الجديد في التحوّلات الأُحادية، حيث تتمّ عملية التحويل بشكلٍ مباشر خلال خطوة واحدة، ومن الأمثلة التي توضّح بعض التحوّلات الأحادية ما يأتي:

• تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة حراريّة في المحمصة الكهربائيّة من أجل تحميص الخبز.
• تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة كهرومغناطيسيّة في الهاتف من أجل إتمام المكالمات.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة المُخزّنة في الطعام بعد تناوله إلى طاقة حركيّة في جسم الإنسان تُحرِّك العضلات.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة في الطعام بعد تناوله إلى طاقة حراريّة داخل الجسم من أجل الحفاظ على درجة حرارته.
• تحويل الطاقة الكهرومغناطيسيّة إلى طاقة كهربائيّة داخل الخلايا الكهروضوئيّة.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة إلى طاقة كهربائيّة داخل البطاريّات.
• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية داخل المُبرّدات الحراريّة.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة إلى طاقة كهربائيّة في عمليات توليد الكهرباء بالضغط (بالإنجليزية: Piezoelectric).

التحولات المتعددة للطاقة

يتمّ حدوث سلسلة من التحوّلات من أجل الحصول على شكلٍ يتمّ الاستفادة منه في التحوّلات المتعددة للطاقة، ومن الأمثلة عليها ما يأتي:

• تحوّلات الطاقة في عود الثقاب: حيث يتمّ تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية تُحفّز الجزيئات لإطلاق طاقتها الكيميائيّة المخزّنة، والتي بدورها تتحوّل إلى مزيد من الطاقة الحراريّة وإلى طاقة كهرومغناطيسيّة تظهر كضوء مرئي.
• تحوّلات الطاقة في محرّك السيارة: يتمّ إنتاج شرارة من الطاقة الكهربائيّة في المحرّك تُحرّر الطاقة الكيميائية المختزنة في الوقود؛ ممّا يؤدّي إلى تمدد الوقود والضغط على أجزاء السيارة، ويؤدّي الضغط المستمر والمتزايد على أجزاء السيارة إلى انعطاف العجلات نتيجة تحويل الطاقة الكيميائيّة إلى طاقة ميكانيكيّة.
• دورة الديزل: وفيها يتمّ تحويل الطاقة الكيميائيّة إلى طاقة ميكانيكيّة بعد مرورها بسلسلة من التفاعلات كالآتي:
  • طاقة كيميائيّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة ميكانيكيّة.
• دورة رانكن داخل التوربينات البخاريّة: والتي يتمّ فيها تحويل أشكال متعددة للطاقة إلى الطاقة الكهربائيّة بعد مرورها بسلسلة من التفاعلات كالآتي:
  • طاقة كيميائيّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
  • طاقة نوويّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
  • طاقة شمسيّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
  • الطاقة الحراريّة الجوفيّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
• دورة برايتون داخل التوربينات الغازيّة أو المحرّكات النفاثّة: والتي يتمّ فيها تحويل أشكال متعددة للطاقة إلى طاقة كهربائية بعد مرورها بسلسلة من التفاعلات كالآتي:
  • طاقة كيميائيّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
  • طاقة نوويّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
  • طاقة شمسيّة ← طاقة حراريّة ← طاقة ميكانيكيّة ← طاقة كهربائيّة.
  • تحويل الطاقة الميكانيكيّة التي تمتلكها الرياح، والأمواج، والمد والجزر إلى طاقة كهربائيّة: وذلك بعد مرورها بسلسلة من التفاعلات كالآتي:
    • طاقة حركية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.

أمثلة على تحوّلات الطاقة

يتم اللّجوء إلى تحويل الطاقة من شكلٍ إلى آخر في كثيرٍ من الأحيان، إذ إنّ الأشكال الأوليّة المُتاحة للطاقة قد لا تُحقّق الفائدة المطلوبة، ومن تحوّلات الطاقة التي يُمكن أن تحدث ما يأتي:

• تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة ميكانيكيّة للحركة: تتمّ هذه العملية داخل العديد من الآلات كالقطار الكهربائيّ، فبدايةً يتمّ تشغيل القطار الكهربائيّ بالطاقة الكهربائيّة التي يتمّ الحصول عليها من محطات توليد الكهرباء ، ثمّ يتمّ تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة ميكانيكيّة للحركة عن طريق المحرّك الكهربائيّ للقطار.
• تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة حراريّة: وهو أكثر أشكال تحوّل الطاقة شيوعاً، فهو يتمّ داخل معظم الأجهزة المستخدمة في المنازل؛ كمُجفف الشعر، والسخان الكهربائيّ، والمحمصة الكهربائيّة، كما أنّ بعض الأجهزة غير المخصصة لإنتاج الطاقة الحرارية قد يضيع جزء من الطاقة عند تحوّلها فتنتج على شكل حرارة عند لمس الأجهزة؛ كالتلفاز أو الحاسوب.
• تحويل الطاقة الحراريّة إلى طاقة إشعاعيّة: يتمّ استخدام الفوانيس كمصدر للإضاءة، حيث تتم عملية تحويل الطاقة الحراريّة الناتجة عن اللهب فيها إلى طاقة إشعاعيّة من خلال نقع قطعة من القماش المحبوك بأكاسيد فلزية ثقيلة، حبث تضيء القطعة القماشية بفعل حرارة اللهب دون أن تحترق.
• تحويل الطاقة الحراريّة إلى طاقة ميكانيكيّة للحركة: تحتوي العديد من الأجهزة الكهربائيّة على مُنظّم حراريّ يُنظّم درجة حرارة الجهاز، وذلك من خلال احتوائه على شريط ثُنائيّ المعادن، فيتمدد أحد المعدنين أكثر من الآخر عند درجة حرارة معينة، ممّا يُسبّب انحناء الشريط، ومع انحناء الشريط ينقطع تدفُّق الكهرباء إلى الجهاز فيتوقف عن العمل.
• تحويل الطاقة الميكانيكيّة للحركة إلى طاقة كهربائيّة: وذلك عن طريق استخدام مولدات الطاقة اليدويّة، حيث يتمّ تخزين الطاقة الميكانيكيّة فيها كطاقة مرونيّة مختزنة في زنبرك، وعند تحرير الطاقة المختزنة يبذل الزنبرك قوةً على سطح بلوريّ فيُشحن السطح كهربائياً، وبعد تراكم كمية كافية من الشحنات على جميع الأسطح البلورية، يتمّ انتقال الشرارة بين جميع تلك الأسطح المشحونة، ممّا يؤدّي إلى إنتاج الطاقة الكهربائيّة.
• تحويل الطاقة الميكانيكيّة للحركة إلى طاقة حراريّة: يتمّ تحويل الطاقة الميكانيكيّة للحركة إلى طاقة حراريّة نتيجة الاحتكاك بعد فرك الأسطح المختلفة معاً، ويُمكن حدوث ذلك عن طريق استخدام مثقاب كهربائي يتكوّن من كتلتين من الخشب المضغوط وأنبوب معدني مملوء بالماء بإحداث احتكاك بينهما، إذ يتمّ وضع كمية من الماء داخل الأنبوب المعدنيّ، ثمَّ إغلاقه بواسطة سدّادة مطاطية، وعند احتكاك كتلتيّ الخشب المضغوط والأنبوب المعدنيّ المملوء بالماء تتحوّل الطاقة الميكانيكيّة للحركة إلى طاقة حراريّة فيتحوّل الماء إلى بخار، ثمّ ينتشر البخار إلى خارج الأنبوب المعدنيّ والفلين ويعود للتحوّل من الطاقة الحراريّة إلى طاقة ميكانيكيّة.
• تحويل الطاقة الإشعاعيّة إلى طاقة كهربائيّة: يتمّ تحويل الطاقة الإشعاعية التي يتمّ الحصول عليها من أشعة الشمس إلى طاقة كهربائيّة باستخدام الخلايا الشمسيّة، إذ إنّها تُنتج الكهرباء للاستفادة منها في تشغيل العديد من الأجهزة وإضاءة المصابيح الكهربائية.
• تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة إشعاعيّة: يُمكن تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة إشعاعيّة، ومن الأمثلة على ذلك المصباح الكهربائي الذي يُحوّل الطاقة الكهربائية إلى ضوء وهو أحد أشكال الطاقة الإشعاعيّة.
• تحويل الطاقة المغناطيس يّة إلى طاقة الجاذبيّة: عند وضع مغناطيسين فوق بعضهما بحيث تكون أقطابهما المتشابهة متواجهةً، تنشأ قوّة تنافر بينهما ويبتعدان عن بعضهما، وفي حال محاولة التأثير على المغناطيس العلوي بدفعه نحو المغناطيس السفلي ثمّ تحريره، سيتمّ تحويل جزء من الطاقة المغناطيسيّة إلى طاقة ميكانيكيّة والجزء الآخر سيتحوّل إلى طاقة وضع الجاذبية.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة الكامنة إلى طاقة كهربائيّة: تُعدّ البطاريّات أكثر الأجهزة شيوعاً لتخزين الطاقة فيها، حيث يتمّ تخزين الطاقة الكيميائيّة داخلها ثمَّ يتم تحويلها إلى طاقة كهربائيّة عند تشغيل البطاريّة.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة الكامنة إلى طاقة إشعاعيّة: تبعث المصابيح الكهربائيّة ضوءاً مرئيّاً إضافةً إلى كمية من الأشعة تحت الحمراء، لكن في المقابل يُمكن إنتاج ضوء مرئي من بعض تفاعلات الضوء مستحث كيميائياً (بالإنجليزية: Chemiluminescent Reactions) دون انبعاث كميات من الأشعة تحت الحمراء.
• تحويل الطاقة الإشعاعيّة إلى طاقة كيميائيّة كامنة: تنتشر أشعة من الطاقة النوويّة من الشمس في جميع الاتجاهات، وهي إحدى أشكال الطاقة الإشعاعية، ويتسرّب جزء منها إلى الغلاف الجوي، فتمتصه النباتات وتُحوّله إلى طاقة كيميائية كامنة على شكل كربوهيدرات.
• تحويل الطاقة الكيميائيّة الكامنة إلى طاقة حراريّة: يتمّ تحويل الطاقة الكيميائيّة المُخزّنة إلى طاقة حراريّة وطاقة إشعاعيّة بنوعيها المرئيّة وغير المرئيّة عند احتراق المواد المختلفة، ويحدث هذا الشكل من التحوّلات بشكلٍ كبيرٍ عند حرق كلّ من الغاز الطبيعي، والنفط، والفحم، وتُعدّ عمليات التحويل السابقة من أكثر العمليّات أهميةً من الناحية الاقتصاديّة، لكن في المقابل لها العديد من الآثار البيئية الضارّة.

كفاءة تحويل الطاقة

تتمّ عملية تحويل الطاقة داخل كلٍّ من الأجهزة البسيطة والأجهزة المُعقدة، إذ يُمكن حدوث تحوّل للطاقة داخل لعبة سيارة كهربائية حيث يتمّ تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة ميكانيكيّة، أو داخل محرّك سيارة والذي يُحوّل الطاقة الكيميائيّة للبنزين إلى طاقة ميكانيكيّة، وعند تحويل الطاقة من شكلٍ إلى آخر يتمّ إهدار كمية من تلك الطاقة، كما أنّ بعض عمليات التحويل تحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة للحصول على كمية صغيرة من الشكل الجديد للطاقة، لكن تُعدّ هذه العمليات غير فعّالة، لذا من المهم تخفيض تكاليف إنتاج الطاقة من خلال الوصول إلى عمليات تحويل فعّالة يتمّ فيها إهدار كميات أقل من الطاقة.

على سبيل المثال يُستخدم المصباح الكهربائي المتوهج (بالإنجليزية: Incandescent Bulbs) للإضاءة، حيث إنّه يُحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاعيّة تشمل الضوء المرئي الذي يتمّ الاستفادة منه، والأشعة تحت الحمراء التي تُعتبر طاقةً ضائعةً بسبب عدم الاستفادة منها، والتي تظهر كحرارة يُمكن الشعور بها عند لمس زجاج المصباح، لذا تمَّ إنتاج مصابيح بكفاءة كهربائية أعلى من كفاءة المصابيح المتوهجة كالمصابيح الفلوريّة المدمجة (بالإنجليزية: Fluorescent Lights) التي تُنتج نفس كمية الضوء المرئي الذي يتمّ إنتاجه في المصابيح المتوهجة لكن مع كمية أقل بكثير من الأشعة تحت الحمراء.

تُعبِّر كفاءة الطاقة لأيّ جهاز عن التوازن بين كلٍّ من الطاقة الداخلة قبل عملية التحويل والطاقة الناتجة بعد عملية التحويل، ويُعبَّر عنها كميّاً من خلال القانون الآتي: كفاءة الجهاز = الطاقة الناتجة المفيدة / الطاقة الداخلة

• مثال:

احسب كفاءة مُحرّك كهربائيّ إذا علمت أنّه يستهلك 100 واط من الطاقة الكهربائيّة من أجل الحصول على 90 واط من الطاقة الميكانيكيّة. الحل: القدرة هي معدل استهلاك الطاقة، ومن الممكن التعبير عن الكفاءة أيضاً كنسبة قدرة مع إلغاء وحدة الوقت كالآتي:

الكفاءة = الطاقة الناتجة المفيدة / الطاقة الداخلة = القدرة الناتجة المفيدة / القدرة الداخلة

إذن:

كفاءة المحرك الكهربائي = القدرة أو الطاقة الميكانيكيّة الناتجة / القدرة أو الطاقة الكهربائيّة الداخلة

بالتعويض: كفاءة المحرك الكهربائي = 90 واط / 100 واط

بتعويض واط = جول / ثانية

كفاءة المحرك الكهربائي = 90 (جول/ثانية) / 100 (جول/ثانية)

كفاءة المحرك الكهربائي = 90 جول / 100 جول

كفاءة المحرك الكهربائي = 90 / 100

كفاءة المحرك الكهربائي = 0.9

كفاءة المحرك الكهربائي = ?