طرق انتقال الطاقة
نظرة عامة عن الطاقة
تُعرَّف الطاقة (بالإنجليزية: Energy) بأنّها القدرة على إنجاز عمل ما، وتتواجد في كل مكان وبعدة أشكال، منها: الطاقة الحرارية، والحركية، والنووية، والكهربائية، بالإضافة لطاقة الوضع، وترتبط جميع أشكال الطاقة بالحركة، فأي جسم مُتحرّك يملك طاقة حركية، كما تمتلك بعض الأجسام طاقة كامنة أو طاقة وضع، فعلى سبيل المثال يمتلك كلّ من القوس والزنبرك طاقة وضع مرونية، بحيث إذا تم الضغط على الزنبرك تتخزن به طاقة وضع مرونية، وبعد إزالة الضغط عليه يرجع الزنبرك لموضعه الأصلي والسابق، وفي مثال آخر تنتج طاقة نووية عن الجسيمات الموجودة في نواة الذرة من الطاقة الكامنة المُخزّنة فيها.[١][٢][٣]
ينص قانون حفظ المادة أو القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنّ الطاقة لا تُفنى ولا تستحدث لكنها تتحول من شكل إلى آخر، أي أنه لا يمكن إنشاء طاقة من العدم أو تدميرها، فمثلاً تمتلك عربة طاقة كامنة أثناء وجودها ساكنةً أعلى مُنحدر، وبمجرّد انزلاقها فإن الطاقة الكامنة للعربة تتحوّل إلى طاقة حركية، كما يتحوّل جزء من الطاقة الكامنة إلى حرارة بسبب قوّة الاحتكاك التي تقاوم حركة العربة، أي أن الطاقة الكامنة التي كانت تمتلكها العربة لم تختفي بل تحوّلت إلى أشكال أخرى للطاقة وهي الطاقة الحركية والطاقة الحرارية، كما يجب الإشارة إلى أنّ انتقال الطاقة عبر المواد والأجسام يتم عن طريق إنجاز شغل ما، أو عن طريق الحرارة.[٣][٢][١]
طرق انتقال الطاقة
انتقال الطاقة بالشغل
يُعرف الشُغل (بالإنجليزية: Work) بالفيزياء الكلاسيكية بأنه القوة اللازمة والمبذولة لتحريك جسم ما مسافة معينة، إذ يعبَّر عنه بالقانون الآتي: (الشغل =القوة * الإزاحة)، كما يعتبر واحدة من طرق انتقال الطاقة من مادة لأخرى،[٣][٤] وبالاعتماد على القانون السابق فيمكن استنتاج ما يأتي:[٣]
- ينبغي وجود عامل يؤثر بقوة على الجسم ليتم نقل الطاقة من العامل إلى الجسم، فيتسبب في تغيير حالته الحركية من السكون إلى الحركة، فعلى سبيل المثال عند التأثير بقوة على عربة ساكنة “الجسم” من قِبل شخص” العامل” يتسبب بتحريكها لمسافة معينة، فإنّ الطاقة الكيميائية المُخزّنة في الطعام الذي تناوله الشخص انتقلت على شكل طاقة حركية اكتسبتها العربة، فبهذا تقل الطاقة الكيميائية لدى الشخص بالمقابل تزداد الطاقة الحركية للعربة.
- يوضح من القانون أن لا وجود لعلاقة تربط بين الجهد المبذول والشغل، فعلى سبيل المثال: عند تأثير الشخص بقوة على سيارته العالقة في الثلج لمحاولة تحريكها، فإنه يبذل جهداً كبيراً، فإن لم تتحرك السيارة فالشغل المبذول يساوي صفراً، مهما بذل الشخص من قوة وجهد، حيث إنّ إنجاز الشغل يعتمد على تحرّك الجسم كنتيجة للقوة التي تم التأثير بها على الجسم.[٤]
- ينبغي أن يكون اتجاه القوة المؤثرة بنفس اتجاه حركة الجسم أو عكسها، أي أن لا تكون القوة عامودية على الجسم، لأن الجسم بهذه الحالة لن يتحرك، فعلى سبيل المثال، عند حمل مجموعة كتب في اليدين والسير بشكلٍ أفقي إلى مكانٍ ما فلا يتم إنجاز شغل، أي أنّ الشغل المبذول يساوي صفراً، وذلك لأن القوة المؤثرة على الكتب تعامد اتجاه الحركة.[٤]
- يعتمد الشغل على مقدار القوة التي تؤثر على الجسم، ويُلاحظ من القانون أنه بزيادة القوة يزيد الشغل المبذول بشرط تحرّك الجسم.[٤]
انتقال الطاقة بالحرارة
تنتقل الحرارة (بالإنجليزية: Heat) أو الطاقة الحرارية من الجسم الأعلى درجة حرارة إلى الجسم الأقل درجة حرارة، أي من الأجسام الدافئة إلى الأجسام الأكثر برودة، ويؤخذ بعين الاعتبار عند انتقال الحرارة بين الجسمين فرق درجة الحرارة بينهما بغض النظر عن الطاقة الحرارية لأي من الجسمين، وذلك لأن تحديد مقدار الحرارة التي ستنتقل بين الجسمين يعتمد بشكل أساسي على الفرق في درجات الحرارة، إذ لا يُمكن حدوث انتقال للحرارة في حال عدم وجود فرق في درجات الحرارة.[٣]
التوصيل
يعرَّف التوصيل الحراري (بالإنجليزية: Conduction) بأنه انتقال الحرارة مباشرة بين مادتين عند تلامسهما،[٥] إذ تُقسّم المواد من حيث إمكانيتها للتوصيل الحراري إلى:[٥]
- الموصلات: تُعرف الموصلات أو المواد الموصلة للحرارة (بالإنجليزية: Conductors) بأنه السماح بانتقال الحرارة بشكلٍ جيد خلالها، فعلى سبيل المثال، عند لمس أجسام معدنية ساخنة من الألمنيوم أو الحديد مثلاً يؤدي إلى انتقال حرارة هذا الجسم إلى اليد بطريقة التوصيل.
- العوازل: تُعرف العوازل أو المواد العازلة (بالإنجليزية: Insulators) بأنها مواد لا تسمح بانتقال الحرارة من خلالها، ومن الأمثلة عليها، المقابض الخشبية الموجودة في معظم الأواني المنزلية والتي بدورها تمنع انتقال الحرارة إلى اليد عند لمسها، بالإضافة للبلاط الذي يعتبر مادة عازلة لكنه في الوقت نفسه أفضل من الخشب من حيث انتقال الحرارة خلاله، وما يجدر ذكره أن الهواء أيضاً يُعتبر مادة عازلة؛ فعند إدخال اليد في الفرن وهو ساخن، فإن اليد تتحمّل حرارة الفرن دون الحاجة لارتداء قفاز، كما يتم الاستفادة من خاصية التوصيل الحراري والمواد رديئة التوصيل بعدّة تطبيقات، أهمُّها استخدام المواد العازلة كالصوف الصخري في البناء من أجل تقليل انتقال الحراة بين داخل المنزل وخارجه، مما يُحافظ على دفء المنزل في فصل الشتاء وبرودته في فصل الصيف، وهذه المواد العازلة لا تمنع انتقال الحرارة بين الداخل والخارج بشكلٍ كاملٍ، إنَّمَا تعمل على التقليل من عملية النقل والانتقال الحراري.
الحمل
تعتبر عملية الحمل (بالإنجليزية: Convection) واحدة من الطرق المُستخدمة لانتقال الحرارة في السوائل والغازات، حيث يرتفع السائل أو الغاز الموجود بالأسفل عند تسخينه للأعلى، ليحلّ محلّ السائل أو الغاز البارد، فبذلك يهبط السائل أو الغاز الموجود بالأعلى ليحل محل السائل أو الغاز الذي ارتفع للأعلى، ويستمر دوران السائل أو الغاز على شكل دورة إلى أن يسخن بأكمله، ومن الأمثلة على انتقال الحرارة بالحمل تسخين ماء في وعاء، فيرتفع الماء الموجود بالأسفل إلى أعلى ليحلّ محلّ الماء البارد مما يؤدي إلى تشكُّل الفقاعات، ويتم انتقال الحرارة بالحمل في الجو عن طريق ارتفاع الهواء الساخن للأعلى وهبوط الهواء البارد ليحل محله.[٦]
الإشعاع
يعتبر الإشعاع (بالإنجليزية: Radiation) طريقة من طرق انتقال الطاقة بواسطة الأشعة الضوئية؛ سواءّ كانت مرئية، أو أشعة فوق البنفسجية، أو أشعة تحت البنفسجية، دون الحاجة لوسط مادي أو ناقل لانتقال الحرارة عبره، وتعد الشمس من أهم الأجسام المتوهجة التي تنقل حرارتها إلى أرجاء الكون من خلال عملية الإشعاع، إذ تنبعث موجات الضوء من الشمس بأطوال موجية مُختلفة فتنتشر لتصل إلى الأرض وباقي الكواكب، ثمّ تعمل هذه الموجات المُحمَّلة بالطاقة على تسخين التربة والهواء وجميع الأجسام على سطح الأرض والاستفادة من طاقتها بعدّة طرق، وبذلك تُعد الشمس مصدر الطاقة الأساسي على سطح الأرض، وتساهم بشكل رئيسي بعملية البناء الضوئي ونمو البذور، ومن الأمثلة على الأجسام المُتوهِّجة التي تنتقل حرارتها بواسطة الإشعاع: المصابيح، والحرائق، والإشعاع النووي، وما تجدر الإشارة إليه أن هناك الكثير من التطبيقات المهمة على انتقال الطاقة بالإشعاع، منها استخدام المدفأة في فصل الشتاء، إذ تنتقل الحرارة بطريقة الإشعاع مما يُشعرنا بالدفء دون الحاجة للمسها أو الوجود بالقرب منها.[٧]
الفرق بين الإشعاع والحمل والتوصيل
يوجد العديد من الفروقات بين طرق التوصيل بالحرارة الثلاث؛ الحمل، وطريقة التوصيل، وطريقة الإشعاع، والتي يُبيّنها الجدول الآتي:[٨]
| طريقة التوصيل | طريقة الحمل | طريقة الإشعاع |
|---|---|---|
| يتم انتقال الحرارة بين المواد عن طريق الاتصال المباشر. | يتم انتقال الحرارة بين السوائل. | يتم انتقال الحرارة من خلال الموجات الكهرومغناطيسية دون الحاجة لوسط ناقل. |
| تنتقل الحرارة بسبب الفرق في درجة الحرارة. | تنتقل الحرارة بسبب اختلاف الكثافة. | تنتقل الحرارة في جميع الكائنات والأجسام بدرجة حرارة أعلى من -273 درجة مئوية. |
| تعتبر أبطأ طريقة لانتقال الحرارة. | تنتقل الحرارة فيها أسرع من طريقة التوصيل وأبطأ من طريقة الإشعاع. | تعتبر أسرع طريقة لانتقال الحرارة. |
| تنتقل الحرارة من خلال جسم صلب ساخن. | تحتاج لوسط ناقل لانتقال الحرارة عبره كالماء والهواء. | تنتقل الحرارة من خلال الموجات الكهرومغناطيسية. |
| لا تخضع لقانون الانعكاس وقانون الانكسار. | لا تخضع لقانون الانعكاس وقانون الانكسار. | تخضع لقانون الانعكاس وقانون الانكسار. |
المراجع
- ^ أ ب “ENERGY TRANSFER MECHANISMS IN THE ATMOSPHERE”, cimss.ssec.wisc.edu, Retrieved 17-12-2019. Edited.
- ^ أ ب “Energy”, www.britannica.com, Retrieved 17-12-2019. Edited.
- ^ أ ب ت ث ج “Energy Education: Concepts and Practices”, www.uwsp.edu, Retrieved 17-12-2019. Edited.
- ^ أ ب ت ث “Work, Energy and Power”, people.wou.edu, Retrieved 17-12-2019. Edited.
- ^ أ ب “Mechanisms of Heat Transfer: Conduction, Convection & Radiation”, study.com, Retrieved 17-12-2019. Edited.
- ↑ “How Does Heat Travel?”, coolcosmos.ipac.caltech.edu, Retrieved 17-12-2019. Edited.
- ↑ “Radiation “, climate.ncsu.edu, Retrieved 8-1-2010. Edited.
- ↑ “Difference Between Conduction Convection and Radiation”, byjus.com, Retrieved 17-12-2019. Edited.