تعريف الطاقة

القدرة على العمل هي القدرة على الأداء وتتواجد بعدة أشكال مثل الحركية والحرارية والكهربائية والكيميائية والنووية وأشكال أخرى مختلفة. تعبر الطاقة أيضا عن عملية نقلها من جسم إلى آخر، وبعد النقل يتم تحديد الطاقة وفقا لطبيعتها. وبالتالي، يمكن للحرارة المنقولة تحويلها إلى طاقة حرارية، في حين يمكن أن يظهر العمل المنجز على شكل طاقة ميكانيكية.

ما هو تعريف الطاقة

يمكن تعريف الطاقة على أنها القوة التي تمكننا من القيام بأي نوع من النشاط البدني، ويقال إن `الطاقة هي القدرة على العمل`. وتتم معالجة الموارد الفيزيائية أو الكيميائية لتوليد الطاقة التي يتم استخدامها أيضا لتوفير الضوء أو الحرارة للأغراض المنزلية أو الصناعية 

أنواع الطاقة

• الطاقة الحرارية: الحرارة أو الطاقة الحرارية هي طاقة تنتج عن حركة الذرات أو الجزيئات، ويمكن اعتبارها كطاقة ترتبط بدرجة الحرارة.
• الطاقة الحركية: الطاقة الحركية هي طاقة الحركة، مثلما يحتوي البندول المتأرجح على طاقة حركية.
• الطاقة المحتملة: يكون الجسم قادرًا على الحفاظ على طاقة كامنة بسبب موقعه، على سبيل المثال، يحتوي الكرة التي توضع على الطاولة على طاقة كامنة بسبب تأثير الجاذبية عليها.
• الطاقة الميكانيكية: الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية والمحتملة للجسم.
• طاقة الضوء: الفوتونات هي شكل من أشكال الطاقة.
• الطاقة الكهربائية: تمثل الطاقة الناتجة عن حركة الجسيمات المشحونة، مثل البروتونات أو الإلكترونات أو الأيونات.
• الطاقة المغناطيسية: يتم إنتاج هذا الشكل من الطاقة بواسطة مجال مغناطيسي.
• الطاقة الكيميائية: يتم إطلاق أو امتصاص الطاقة الكيميائية من خلال التفاعلات الكيميائية، ويتم إنتاجها عن طريق كسر أو تشكيل الروابط الكيميائية بين الذرات والجزيئات.

قانون حفظ الطاقة

وفقا لقانون الحفاظ على الطاقة، يظل إجمالي الطاقة في النظام ثابتا، على الرغم من أن الطاقة يمكن أن تتحول إلى أشكال أخرى، على سبيل المثال، عندما تتصادم كرتان في لعبة البلياردو، تتحول الطاقة المتولدة إلى طاقة حركية وقد تتولد قليل من الحرارة في نقطة الاصطدام، وعندما تتحرك الكرات، تحتوي على طاقة حركية سواء كانت في حالة حركة أو سكون، ولديها أيضا طاقة كامنة لأنها موجودة على سطح الطاولة.

لا يمكن توليد الطاقة أو تدميرها ، لكنها يمكن أن تغير الأشكال وترتبط أيضًا بالكتلة ، تنص نظرية التكافؤ بين الكتلة والطاقة على أن الجسم في حالة استراحة في إطار مرجعي لديه طاقة راحة ، إذا تم توفير طاقة إضافية للجسم ، فإنه في الواقع يزيد من كتلة ذلك الجسم مثال ، إذا قمت بتسخين محمل فولاذي إضافة طاقة حرارية فستزيد كتلته.

الطاقة النووية: تتعلق هذه الطاقة بالتفاعلات مع بروتونات ونيوترونات الذرة، ويتم ذلك عادة عبر القوة القوية، ومن الأمثلة على ذلك الطاقة المنبعثة من الانشطار والاندماج.

تشمل أشكال الطاقة الأخرى الطاقة الحرارية الأرضية، ويتم تصنيف الطاقة على أنها متجددة أو غير متجددة.

ربما يحدث تداخل بين أنواع الطاقة، وعادةً ما يحتوي الجسم على أكثر من نوع واحد من الطاقة في المرة الواحدة، فعلى سبيل المثال، يحتوي البندول المتأرجح على الطاقة الحركية والطاقة المحتملة والطاقة الحرارية، وقد يحتوي على طاقة كهربائية ومغناطيسية اعتمادًا على تكوينه.

 كيف تقاس الطاقة

وحدة الطاقة هي الجول، وتعرف السعة الحرارية المحددة أو الحرارة النوعية فقط للمادة بأنها كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد (جم) من المادة بدرجة مئوية واحدة، وتستغرق 4.18 جول (ج) لرفع درجة حرارة 1 غرام من الماء 1 درجة مئوية عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. والكيلوجول هو ألف جولة، وهو كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة 239 جراما من الماء بمقدار درجة مئوية واحدة. على سبيل المثال، يحتوي شريحة الخبز المحمصة بالزبدة على حوالي 315 كيلوجول، مما يمنحك طاقة كافية لركوب الدراجة لمدة 10 دقائق أو الجري لمدة 6 دقائق.

تطبيقات الطاقة 

الطاقة في الكيمياء

في سياق الكيمياء تعد الطاقة خاصية لمادة نتيجة تركيبها الذري أو الجزيئي أو الكلي ، نظرًا لأن التحول الكيميائي يرافقه تغيير في واحد أو أكثر من هذه الأنواع من الهياكل ، فإنه يصاحبه دائمًا زيادة أو نقصان في طاقة المواد المعنية ، يتم نقل بعض الطاقة بين المناطق المحيطة والمواد المتفاعلة للتفاعل في شكل حرارة أو ضوء وبالتالي ، قد يكون لمنتجات التفاعل طاقة أكثر أو أقل من المواد المتفاعلة ، يقال أن التفاعل يكون طاردًا للحرارة أو خارجياً إذا كانت الحالة النهائية أقل على مقياس الطاقة من الحالة الأولية ، في حالة التفاعلات الماصة للحرارة يكون الوضع معكوسًا.

عادة ما تكون التفاعلات الكيميائية غير ممكنة ما لم تتجاوز المواد المتفاعلة حاجز الطاقة المعروف باسم طاقة التنشيط. ترتبط سرعة التفاعل الكيميائي عند درجة حرارة محددة T بطاقة التنشيط E بواسطة عامل تعداد بولتزمان (e – E / kT)، وهو احتمال أن يكون للجزيء طاقة أعلى من أو مساوية لـ E عند درجة الحرارة المعطاة T. يعرف هذا الاعتماد الأساسي لمعدل التفاعل باسم معادلة أرينيوس. يمكن توفير الطاقة التنشيطية اللازمة للتفاعل الكيميائي على شكل طاقة حرارية.

الطاقة في  الأحياء

في علم الأحياء الطاقة هي سمة لجميع النظم البيولوجية من المحيط الحيوي إلى أصغر كائن حي ، داخل كائن حي وهي مسؤولة عن نمو وتطور بيولوجي خلية أو عضية على الاحيائي الحي ، الطاقة المستخدمة في التنفس يتم تخزين معظمها في الجزيئية الأكسجين ويمكن أن تكون مقفلة من خلال ردود الفعل مع جزيئات من مواد مثل الكربوهيدرات السكريات بما في ذلك الدهون والبروتينات المخزنة من قبل الخلايا من الناحية الإنسانية ، المكافئ البشري يشير بالنسبة لكمية معينة من نفقات الطاقة ، إلى الكمية النسبية من الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي البشري ، بافتراض أن متوسط ​​إنفاق الطاقة البشرية يبلغ 12500 كيلو جول في اليوم ومعدل الأيض الأساسي 80 واط ، على سبيل المثال ، إذا كانت أجسامنا تعمل في المتوسط عند 80 واط ، فإن المصباح الكهربائي الذي يعمل عند 100 واط يعمل عند 1.25 مكافئ بشري (100 ÷ 80) أي 1.25 He ، بالنسبة لمهمة صعبة مدتها بضع ثوانٍ فقط ، يمكن للشخص أن يخرج آلاف واط ، عدة أضعاف 746 واط في حصان رسمي واحد ، بالنسبة للمهام التي تستغرق بضع دقائق ، يمكن للإنسان المناسب أن يولد ربما 1000 واط ، بالنسبة للنشاط الذي يجب الحفاظ عليه لمدة ساعة ، ينخفض ​​الناتج إلى حوالي 300 لنشاط مستمر طوال اليوم ، 150 واط تقريبًا كحد أقصي يساعد المكافئ البشري على فهم تدفقات الطاقة في النظم الفيزيائية والبيولوجية من خلال التعبير عن وحدات الطاقة من حيث الإنسان فهو يوفر إحساسًا لاستخدام كمية معينة من الطاقة.

يتم استيعاب طاقة الشمس المشعة أيضا من قبل النباتات كطاقة كيميائية محتملة في عملية التمثيل الضوئي، حيث يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء، المركبين ذوي الطاقة المنخفضة، إلى كربوهيدرات ودهون وبروتينات ومركبات عالية الطاقة مثل الأكسجين و ATP. يمكن للكربوهيدرات والدهون والبروتينات أن تفرز الطاقة المخزنة خلال عملية التمثيل الضوئي كحرارة أو ضوء، ويمكن أن يحدث ذلك فجأة بسبب شرارة في حريق الغابة، أو يمكن أن يتم تحريره ببطء خلال عملية الهضم للكائنات الحية مثل الحيوانات والبشر، عندما تمتص الجسيمات العضوية وتنشط عملية التحلل بواسطة الإنزيمات.

: يحتاج أي كائن حي إلى مصدر خارجي للطاقة، يعتمد النبات الأخضر على الطاقة المشعة من الشمس، بينما يعتمد الحيوان على الطاقة الكيميائية المخزنة في الطعام، ولتنمو وتتكاثر الكائنات الحية، يحتاج البالغون إلى الحصول على 1500 إلى 2000 سعرة حرارية يوميا، مكونة من الأكسجين وجزيئات الطعام، والتي تتألف بشكل رئيسي من الكربوهيدرات والدهون، مثل الجلوكوز (C6H12O6) والستيارين (C57H110O6)، وتتأكسد جزيئات الطعام في الميتوكوندريا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء