قانون حفظ الطاقة

بواسطة: - آخر تحديث: ١٥:١٢ ، ٩ فبراير ٢٠٢٠
قانون حفظ الطاقة

الطاقة

إنّ مجرد التفكير في أمر ما يحتاج إلى بعض الطاقة، وفي الواقع كل ما يحدث في العالم يستخدم طاقة من نوع ما، فبالرغم من أنّها شيء لا يمكن رؤيته، إلّا أنّها موجودة في كل مكان؛ فمحرك السيارة يعمل على حرق الطاقة ليستطيع الحركة، وأضواء الشوارع التي تتألّق ليلًا تستخدم الطاقة، كما يمكن القول بأن الطاقة شيء سحري يجعل الأشياء الأخرى تحدث؛ فكل شيء في العالم هو إما طاقة أو مادة، وحتى المادة بحد ذاتها إن تعمق الإنسان بها فسيجد أنها أيضًا نوع من الطاقة! وأن هذه الطاقة محفوظة في النظام الكوني! إذ سيناقش هذا المقال قانون حفظ الطاقة.[١]

قانون حفظ الطاقة

يشير مصطلح "الحفظ" في الفيزياء إلى شيء لا يتغير، وهذا يعني أن المُتغيّر في المعادلة يُمثّل كميّة محفوظة ثابتة بمرور الوقت، لها نفس القيمة قبل الحدث وبعده، وهناك العديد من الكميات المحفوظة في الفيزياء وغالبًا ما تكون مفيدة بشكل ملحوظ لعمل تنبؤات في مواقف معقّدة للغاية، ففي علم الميكانيكا هناك ثلاث كمّيات أساسية يتم حفظها وهم: الطاقة والزخم والزخم الزاوي، وقد يكون ملاحظًا أن الطاقة غالبًا ما تتغير في التصادمات، وهذا يعود إلى بعض القواعد الأساسية التي يجب إيضاحها قبل عرض قانون حفظ الطاقة وهي كالآتي:[٢]

  • يُشير قانون حفظ الطاقة إلى إجمالي الطاقة للنظام؛ فعندما تتحرك الأجسام مع مرور الوقت فإن الطاقة المرتبطة بها قد تتغير في الأشكال ولكن إذا تم الحفاظ على الطاقة فسيظل المجموع الكلّي ثابتًا.
  • الحفاظ على الطاقة ينطبق فقط على الأنظمة المعزولة؛ فالكرة التي تدور حول أرضية قاسية لن تلتزم بقانون حفظ الطاقة، لأنها ليست معزولة عن الأرض، فقوة الاحتكاك تقوم بتحويل الطاقة إلى شكل آخر، ومع ذلك إذا تم الأخذ بعين الاعتبار الكرة والأرضية معًا فسيتم تطبيق الحفاظ على الطاقة.

عندما يتم الحفاظ على الطاقة يمكن إعداد معادلات تساوي مجموع أشكال الطاقة المختلفة في النظام ممّا يجعل بالإمكان بعد ذلك من حل المعادلات الخاصة بالسرعة أو المسافة أو أي حالة أخرى تعتمد عليها الطاقة[٢]، وينص قانون حفظ الطاقة على أن " كمية الطاقة في نظام مُغلق تبقى ثابتة، فالطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من العدم، إنّما تتحول من شكل إلى آخر"[٣]، إذ تتواجد الطاقة بأشكال عديدة تشمل طاقة الجاذبية والطاقة الحركية والحرارية والكهربائية والكيميائية والإشعاعية والنووية وغيرها من أشكال الطاقة.[٤]

أمثلة على قانون حفظ الطاقة

بعد عرض مفهوم حفظ الطاقة اتضح أن الطاقة الكلّية لنظام مغلق في البداية تساوي الطاقة الكلية بعد سلسلة التحولات التي مرت بها خلال وقت معيّن، فالطاقة دائمًا محفوظة، ولفهم قانون الحفاظ على الطاقة بشكل أفضل لا بدّ من عرض بعض الأمثلة، فقد تبدو فكرة "النظام المغلق" مجرّدة ومثاليّة بعض الشيء لكنها تصبح أكثر وضوحًا عند عرض بعض الأمثلة على الحياة الواقعية، ومن هذه الأمثلة ما يأتي: [٣]

قيادة السيارة

عند تعبئة السيارة بالبنزين يتكوّن نظام مغلق؛ إذ إنّ جميع الطاقة الموجودة محجوزة داخل الغاز في الخزّان بشكل كيميائي فعندما يتدفق الغاز إلى المحرك يتم تحويل الطاقة الكيميائية في الغاز أولًا إلى طاقة حرارية ثم تحويل الحرارة إلى طاقة حركية، إلّا أن بعض الطاقة تضيع في كل مرحلة من هذه العملية، بعضها بسبب الاحتكاك وبعضها الآخر يتم فقده على شكل طاقة صوتية.[٣]

كما يتم استخدام بعضها لتشغيل المصابيح الأمامية وتكييف الهواء وما إلى ذلك، ومع ذلك إذا قمت بقياس الطاقة التي في البنزين منذ البداية وحساب مقدار الطاقة التي تنهيها وتفقدها في الطريق - من الطاقة الحركية المفيدة والطاقة المفقودة إلى الاحتكاك والصوت ومقاومة الهواء وما إلى ذلك - سيكون حساب الطاقة دائمًا كالآتي " الطاقة التي تبدأ بها هي الطاقة التي تنتهي بها ".[٣]

غلي الماء

عند غلي الماء بغلاية كهربائية تتدفق الطاقة الكهربائية المستمدة من مقبس الطاقة على الحائط إلى عنصر التسخين في قاعدة غلاية الماء وعندها يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية يتم تمريرها إلى الماء البارد المحيط بها، يتم تحويل معظم الطاقة الكهربائية التي تدخل الغلاية إلى طاقة حرارية في الماء، فإذا تم إضافة إجمالي الطاقة الكهربائية المفقودة من خلال إمداد الكهرباء والطاقة الإجمالية التي اكتسبها الماء، فيجب أن تكون متماثلة تقريبًا وليس بقيمة متساوية، والسبب هنا أنه في هذه الحالة ليس هنالك نظام مغلق هنا؛ إذ يتم تحويل بعض الطاقة الأصلية إلى صوت كما تنقل الغلايات بعض الحرارة إلى محيطها لذا فهذه الطاقة مهدرة.[٣]

المراجع[+]

  1. "Energy", www.explainthatstuff.com, Retrieved 18-01-2020. Edited.
  2. ^ أ ب "What is conservation of energy?", www.khanacademy.org, Retrieved 18-01-2020. Edited.
  3. ^ أ ب ت ث ج "The conservation of energy", www.explainthatstuff.com, Retrieved 18-01-2020. Edited.
  4. "Energy conservation and transformation", www.britannica.com, Retrieved 18-01-2020. Edited.