ما هي الطاقة الكامنة
الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، ولا يمكن تغييرها أو تدميرها، بل تتحول من شكل إلى آخر، وتعرف فيزيائيا على أنها الكمية التي يتم نقلها إلى الأجسام، ولا يمكن للكائنات الحية العيش بدونها، وتحصل عليها من خلال الغذاء، ويشهد تاريخ الحضارة الإنسانية على أهمية الطاقة في العمل، والتي استمدتها من الوقود الأحفوري وأنواع الطاقة المتجددة، ونتطلع في هذه المقالة إلى الطاقة الكامنة
ما هي الطاقة الكامنة
الطاقة الكامنة هي الطاقة التي يخزنها الجسم أثناء السكون، والتي تتحرك بناء على تغير حالة ووضع وترتيب الجسم. وهي طاقة رئيسية بجانب الطاقة الحركية، على سبيل المثال، عند ضغط الزنبرك يحتوي على طاقة مخزنة، والكرة الفولاذية لديها طاقة كامنة أكبر من طاقتها عند سقوطها على الأرض، حيث يمكنها المزيد من الحركة. وترتبط الطاقة الكامنة بالنظام بدلا من الجسم الفردي، ولذلك فهي تعتبر جزءا من نظام الكرة الأرضية .
تعرف الطاقة الكامنة على أنها القدرة التي يمتلكها أي جسم على توليد الحرارة أو القيام بعمل، ويتم حسابها بالنظر إلى كتلة الجسم وتركيزه النسبي إلى الأجزاء الأخرى، وكذلك بالنظر إلى المسافة بين الجسم والجاذبية الأرضية وشحنته الكهربائية والميكانيكية. وتتوقف الطاقة الكامنة بالنسبة للأرض على المسافة بين الجسم والجاذبية الأرضية، حيث يتم تخزين الطاقة الإضافية كطاقة جاذبية كامنة عند رفع الجسم عن سطح الأرض
ومن بين أشكال الطاقة الكامنة أيضا الطاقة المخزنة بين صفائح المكثف المشحونة، ويطلق عليها الطاقة الكيميائية، أو قدرة مادة معينة على إنتاج الحرارة أو تغيير تركيبها، وهي الطاقة المحتملة التي تنتج عن التفاعلات بين جزيئاتها وذراتها التي تشكلها، وتعد الطاقة النووية أحد أشكال الطاقة الكامنة
تعتمد الطاقة الكامنة على التراكيب الأولية والنهائية للجزيئات، حيث تكون مستقلة بذاتها عن حركة ومسار الجسيمات .
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 .
يمكن حساب الطاقة الجاذبية المحتملة بالقرب من سطح الأرض عن طريق ضرب وزن الجسم في المسافة المتبقية عن النقطة المرجعية .
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 .
تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة
يمكن تحويل الطاقة المخزونة إلى طاقة حركية، والتي تسمى `الطاقة الحركية`، وبعد ذلك يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الكهربائية
على سبيل المثال : يتم تحويل تدفق الماء خلف السد إلى طاقة كهربائية وحرارية غير صالحة للاستخدام، عن طريق التوربينات التي تقوم بتحويلها إلى مولدات كهربائية، وتنتج هذه العملية طاقة حرارية عن طريق الاحتكاك .
تم دمج الطاقة الكامنة القديمة مع الطاقة الحركية كأشكال للطاقة الميكانيكية، ويمكن حساب إجمالي الطاقة في أنظمة الجاذبية الثابتة من خلالهما .
جميع أشكال الطاقة مرتبطة ارتباطا وثيقا بالحركة، بمعنى أن أي جسم يحمل طاقة حركية، على سبيل المثال: الأجسام الساكنة مثل الزنبرك أو القوس، على الرغم من كونها ثابتة، فهي قادرة على إحداث حركة، أي أنها تحتوي على طاقة كامنة في تكوينها، وكذلك الطاقة النووية تحتوي على طاقة كامنة حيث تنتج جسيمات خارج نواة الذرة .
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 .
يمكن تحويل الطاقة بعدة طرق مختلفة لعدة أشكال لها، مثل الحصول على الطاقة الميكانيكية والكهربائية القابلة للاستخدام بواسطة العديد من الأجهزة، مثل محركات الحرارة التي تعمل عن طريق حرق الوقود الأحفوري والمولدات والبطاريات وخلايا الوقود والأنظمة الديناميكية المغناطيسية
وحدة قياس الطاقة
يتم قياس الطاقة في النظام الدولي للوحدات باستخدام وحدة القياس المسماة “الجول”، ويساوي الجول الواحد العمل الذي تنفذه قوة نيوتن واحدة على مسافة واحد متر .
الطاقة الصفرية
تشير الطاقة الاهتزازية إلى الطاقة التي يحتفظ بها الجزيئات عند درجة حرارة الصفر المطلق. كانت درجة الحرارة موضوعًا مهمًا في الفيزياء لقياس شدة الحركة الجزيئية العشوائية، ومن الممكن أن تؤدي وصول درجة حرارة الجزيئات إلى الصفر المطلق إلى توقف الحركة تمامًا وحتى توقف الجزيئات نفسها .