الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ، أي لا يمكن تغييرها أو تدميرها وإنما تتحول من شكل إلى آخر ، ويتم تعريفها فيزيائيًا أنها الكمية التي يتم نقلها للأجسام ، وحتى الكائنات الحية لا يمكنها العيش بدونها فهي تحصل عليها من خلال الغذاء ، كما شهد تاريخ الحضارة الإنسانية على أهمية الطاقة في العمل والتي استمدته من الوقود الأحفوري وأنواع الطاقة المتجددة ، ونتطلع في هذا المقال على الطاقة الكامنة .
ما هي الطاقة الكامنة
الطاقة الكامنة هي القوى المخزنة داخل الجسم أثناء السكون ، والتي تتحرك وفقًا لتغير حالة ووضع وترتيب الجسم ، وهي طاقة رئيسية بجانب الطاقة الحركية ، على سبيل المثال ” الزنبرك ” يحتوي على طاقة مرتفعة عند ضغطه أو شده ، كذلك ” الكرة الفولاذية ” لديها طاقة كامنة أكبر وهي مرتفعة مقارنة بسقوطها على الأرض ، حيث يمكنها المزيد من الحركة وهي مرتفعة ، والطاقة الكامنة متعلقة بنظام وليس جسم فردي محدد ، فهي تعتبر النظام المكون للكرة الأرضية . [1]
كما يتم تعريف الطاقة الكامنة أنها تلك القدرة التي يمتلكها أي جسم في أداء العمل أو توليد الحرارة ، ويتم حسابها من مجموع كتلتها أو تكوينها ووضعها أو بعدها النسبي عن الأجزاء أو الأجسام الأخرى وبعدها عن الأرض وشحنتها الكهربية والميكانيكية ، وتعتمد الطاقة الكامنة بالنسبة للأرض على المسافة بين الجسم والجاذبية الأرضية ، فعندما ترفع الكرة يتم نقل طاقة إضافية إلى النظام ويتم تخزينها كطاقة جاذبية كامنة . [1]
ومن أشكال الطاقة الكامنة أيضًا الطاقة المخزنة بين لوحات المكثف المشحونة ، وهي ما يطلق عليها اسم الطاقة الكيميائية ، أو قدرة مادة معينة على توليد الحرارة أو تغيير تكوينها ، أي أنها الطاقة المحتملة التي تنتج عن القوى المتفاعلة بين جزيئاتها وذراتها ، وتعد الطاقة النووية أحد أشكال الطاقة الكامنة . [1]
وتعتمد الطاقة الكامنة على التكوينات الأولية والنهائية للجزيئات ، حيث تكون مستقلة بذاتها عن حركة ومسار الجسيمات . [1]
على سبيل المثال في حالة ” الكرة الفولاذية ” فإذا كان وضعها الأولي على مستوى سطح الأرض وكان موضعها النهائي أعلى سطح الأرض على ارتفاع عشرة أقدام فالطاقة الكامنة تكون واحدة في الحالتين بغض النظر عما حدث لكي ترتفع ، لأن الطاقة الكامنة تتناسب مع النقطة المرجعية أو الأولية ، فإذا اختلف وضع الكرة الأولى وكانت موجودة في حفرة – تحت سطح الأرض – ثم ارتفعت عشرة أقدام ستزيد الطاقة الكامنة للكرة الضعف . [1]
ويكون حساب طاقة الجاذبية المحتملة بالقرب من سطح الأرض عن طريق ضرب وزن الجسم في مسافة تزيد عن النقطة المرجعية . [1]
وفي الأنظمة المقيدة مثل الذرات حيث يتم الاحتفاظ بالإلكترونات بواسطة القوة الكهربائية للجاذبية داخل النواة ، تكون الإشارة الصفرية للطاقة المحتملة تعد مسافة بعيدة عن النواة وتكون الطاقة الكهربائية من المستحيل كشفها ، لذا تعد طاقة الإلكترونات في هذه الحالة سلبية ، أو أي جسم تكون طاقته المحتملة صفر . [1]
تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة
يمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة والتي يطلق عليها اسم ” الطاقة الحركية ” ثم إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الكهربائية . [1]
على سبيل المثال : يحدث تدفق الماء خلف السد عن طريق التوربينات التي تقوم بتحويل المولدات الكهربائية ، ومن خلال تلك العملية يتم إنتاج طاقة كهربائية وطاقة حرارية غير صالحين للاستخدام لأنها ناتجة من الاحتكاك . [1]
تم تضمين الطاقة الكامنة قديمًا مع الطاقة الحركية باعتبارهما أشكالًا للطاقة الميكانيكية ، ويمكن حساب إجمالي الطاقة من خلالهما في أنظمة الجاذبية الثابتة . [1]
كما تعتبر جميع أشكال الطاقة مرتبطة بديهيًا بالحركة ، بمعنى أن أي جسم يمتلك الطاقة الحركية ، مثالًا: الأجسام الساكنة مثل الزنبرك أو القوس بالرغم من سكونهم فإنهم قادرون على خلق حركة ، أي أنه يحتوي في تكوينة على الطاقة الكامنة ، وكذلك الطاقة النووية تحتوي على الطاقة الكامنة حيث تنتج تكوين جسيمات دون الذرة داخل نواة الذرة . [1]
قانون الديناميكا الحرارية
وهو المبدأ الذي يقول أن الطاقة لا يمكن إنشائها أو تدميرها وإنما يتم نقلها من شكل إلى آخر ، ويعد هذا هو القانون الأول للديناميكا الحرارية والحفاظ على الطاقة ، مثالًا: في حالة انزلاق صندوق أسفل التل فإن الطاقة الكامنة التي كانت بداخل الصندوق في حالة وضعه الأول – أعلى التل – قد تحولت إلى طاقة حركية أثناء المنحدر ، وفي حالة تعرض الصندوق إلى اضطراب أو احتكاك في المنحدر فيتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية إذ تم تسخين الصندوق والمنحدر . [1]
كذا يمكن تحويل الطاقة لعدة أشكال لها بعدة طرق مختلفة ، مثل حصول الإنسان على الطاقة الميكانيكية والكهربائية القابلة للاستخدام بواسطة العديد من الأجهزة ، كمحركات الحرارة التي تعمل من خلال حرق الوقود الأحفوري والمولدات والبطاريات وخلايا الوقود والأنظمة الديناميكية المغناطيسية . [1]
وحدة قياس الطاقة
يتم قياس الطاقة في النظام الدولي للوحدات ” si ” بوحدة قياس تسمى ” الجول ” ويساوي الجول الواحد نفس العمل التي قامت به قوة نيوتن واحدة على مسافة واحد متر . [1]
الطاقة الصفرية
وهي طاقة اهتزازية تقوم الجزيئات بحفظها عند درجة حرارة صفر مطلق ، وكان لدخول درجة الحرارة في الفيزياء هدفًا هو قياس شدة الحركة الجزيئية العشوائية ، ومن الممكن أن وصول درجة الحرارة في الجزيئات إلى الصفر المطلق يؤدي إلى توقف الحركة بالكامل وحتى توقف الجزيئات نفسها . [1]
ما هي الطاقة الكامنة
الطاقة الكامنة هي القوى المخزنة داخل الجسم أثناء السكون ، والتي تتحرك وفقًا لتغير حالة ووضع وترتيب الجسم ، وهي طاقة رئيسية بجانب الطاقة الحركية ، على سبيل المثال ” الزنبرك ” يحتوي على طاقة مرتفعة عند ضغطه أو شده ، كذلك ” الكرة الفولاذية ” لديها طاقة كامنة أكبر وهي مرتفعة مقارنة بسقوطها على الأرض ، حيث يمكنها المزيد من الحركة وهي مرتفعة ، والطاقة الكامنة متعلقة بنظام وليس جسم فردي محدد ، فهي تعتبر النظام المكون للكرة الأرضية . [1]
كما يتم تعريف الطاقة الكامنة أنها تلك القدرة التي يمتلكها أي جسم في أداء العمل أو توليد الحرارة ، ويتم حسابها من مجموع كتلتها أو تكوينها ووضعها أو بعدها النسبي عن الأجزاء أو الأجسام الأخرى وبعدها عن الأرض وشحنتها الكهربية والميكانيكية ، وتعتمد الطاقة الكامنة بالنسبة للأرض على المسافة بين الجسم والجاذبية الأرضية ، فعندما ترفع الكرة يتم نقل طاقة إضافية إلى النظام ويتم تخزينها كطاقة جاذبية كامنة . [1]
ومن أشكال الطاقة الكامنة أيضًا الطاقة المخزنة بين لوحات المكثف المشحونة ، وهي ما يطلق عليها اسم الطاقة الكيميائية ، أو قدرة مادة معينة على توليد الحرارة أو تغيير تكوينها ، أي أنها الطاقة المحتملة التي تنتج عن القوى المتفاعلة بين جزيئاتها وذراتها ، وتعد الطاقة النووية أحد أشكال الطاقة الكامنة . [1]
وتعتمد الطاقة الكامنة على التكوينات الأولية والنهائية للجزيئات ، حيث تكون مستقلة بذاتها عن حركة ومسار الجسيمات . [1]
على سبيل المثال في حالة ” الكرة الفولاذية ” فإذا كان وضعها الأولي على مستوى سطح الأرض وكان موضعها النهائي أعلى سطح الأرض على ارتفاع عشرة أقدام فالطاقة الكامنة تكون واحدة في الحالتين بغض النظر عما حدث لكي ترتفع ، لأن الطاقة الكامنة تتناسب مع النقطة المرجعية أو الأولية ، فإذا اختلف وضع الكرة الأولى وكانت موجودة في حفرة – تحت سطح الأرض – ثم ارتفعت عشرة أقدام ستزيد الطاقة الكامنة للكرة الضعف . [1]
ويكون حساب طاقة الجاذبية المحتملة بالقرب من سطح الأرض عن طريق ضرب وزن الجسم في مسافة تزيد عن النقطة المرجعية . [1]
وفي الأنظمة المقيدة مثل الذرات حيث يتم الاحتفاظ بالإلكترونات بواسطة القوة الكهربائية للجاذبية داخل النواة ، تكون الإشارة الصفرية للطاقة المحتملة تعد مسافة بعيدة عن النواة وتكون الطاقة الكهربائية من المستحيل كشفها ، لذا تعد طاقة الإلكترونات في هذه الحالة سلبية ، أو أي جسم تكون طاقته المحتملة صفر . [1]
تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة
يمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة والتي يطلق عليها اسم ” الطاقة الحركية ” ثم إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الكهربائية . [1]
على سبيل المثال : يحدث تدفق الماء خلف السد عن طريق التوربينات التي تقوم بتحويل المولدات الكهربائية ، ومن خلال تلك العملية يتم إنتاج طاقة كهربائية وطاقة حرارية غير صالحين للاستخدام لأنها ناتجة من الاحتكاك . [1]
تم تضمين الطاقة الكامنة قديمًا مع الطاقة الحركية باعتبارهما أشكالًا للطاقة الميكانيكية ، ويمكن حساب إجمالي الطاقة من خلالهما في أنظمة الجاذبية الثابتة . [1]
كما تعتبر جميع أشكال الطاقة مرتبطة بديهيًا بالحركة ، بمعنى أن أي جسم يمتلك الطاقة الحركية ، مثالًا: الأجسام الساكنة مثل الزنبرك أو القوس بالرغم من سكونهم فإنهم قادرون على خلق حركة ، أي أنه يحتوي في تكوينة على الطاقة الكامنة ، وكذلك الطاقة النووية تحتوي على الطاقة الكامنة حيث تنتج تكوين جسيمات دون الذرة داخل نواة الذرة . [1]
قانون الديناميكا الحرارية
وهو المبدأ الذي يقول أن الطاقة لا يمكن إنشائها أو تدميرها وإنما يتم نقلها من شكل إلى آخر ، ويعد هذا هو القانون الأول للديناميكا الحرارية والحفاظ على الطاقة ، مثالًا: في حالة انزلاق صندوق أسفل التل فإن الطاقة الكامنة التي كانت بداخل الصندوق في حالة وضعه الأول – أعلى التل – قد تحولت إلى طاقة حركية أثناء المنحدر ، وفي حالة تعرض الصندوق إلى اضطراب أو احتكاك في المنحدر فيتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية إذ تم تسخين الصندوق والمنحدر . [1]
كذا يمكن تحويل الطاقة لعدة أشكال لها بعدة طرق مختلفة ، مثل حصول الإنسان على الطاقة الميكانيكية والكهربائية القابلة للاستخدام بواسطة العديد من الأجهزة ، كمحركات الحرارة التي تعمل من خلال حرق الوقود الأحفوري والمولدات والبطاريات وخلايا الوقود والأنظمة الديناميكية المغناطيسية . [1]
وحدة قياس الطاقة
يتم قياس الطاقة في النظام الدولي للوحدات ” si ” بوحدة قياس تسمى ” الجول ” ويساوي الجول الواحد نفس العمل التي قامت به قوة نيوتن واحدة على مسافة واحد متر . [1]
الطاقة الصفرية
وهي طاقة اهتزازية تقوم الجزيئات بحفظها عند درجة حرارة صفر مطلق ، وكان لدخول درجة الحرارة في الفيزياء هدفًا هو قياس شدة الحركة الجزيئية العشوائية ، ومن الممكن أن وصول درجة الحرارة في الجزيئات إلى الصفر المطلق يؤدي إلى توقف الحركة بالكامل وحتى توقف الجزيئات نفسها . [1]
