بقاء الطاقة

في الفيزياء ينص قانون بقاء الطاقة على أنه في أي نظام معزول ، الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن يمكن تحويلها من صورة لأخرى.

يمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى مثل طاقة الحركة يمكن أن تتحول إلى طاقة حرارية ، ولكن ليس ممكنا في نظام مغلق معزول أن تخلق طاقة من نفسها أو تفنى. ونقول أن الطاقة تتبع قوانين الانحفاظ.

وقانون انحفاظ الطاقة هو أحد المبادئ الأساسية في جميع العلوم وينص على:

كمية الطاقة الكلية في نظام مغلق لا تتغير.

ونعني "بنظام مغلق" بأنه نظام لا يتبادل طاقة أو معلوماتية أو مادة أو تآثر مع الوسط المحيط.

حركة الأجسام

يعتبر جاليليو أول من فكر في انحفاظ الطاقة عام 1638 عند دراسته لحركة البندول حيث رأى ان طاقة الوضع تتحول إلى طاقة حركة باهتزاز البندول وبالعكس. ثم جاء جوتفريد لايبنتز خلال الأعوام 1676-1689 وحاول صياغة الطاقة المصاحبة للحركة رياضيا. واعتبر لايبنتز أن أنظمة متعددة كل منها له كتلة m_i و سرعة v_i يكون لها طاقة :

$\sum _i{m}_i{v}_i^2$

وتظل محفوظة طالما أن الكتل لا تتفاعل مع بعضها البعض. ويعتبر هذا التصور صحيحا بالنسبة إلى بقاء طاقة الحركة في الحالات التي لا يكون فيها احتكاك.

وكان كثير من الفيزيائيين في ذلك العهد يعتبرون انحفاظ الزخم الخطي ، والذي ينطبق أيضا على أنظمة فيها احتكاك وتعرف بالعلاقة :

$\sum _i{m}_i{v}_i$

بأنها انحفاظ للطاقة أيضا. ثم توصل العلماء فيما بعد إلى اكتشاف انحفاظ طاقة الحركة وزخم الحركة خلال دراستهم للتصادم المرن بين كرات مثلما في لعبة البلياردو.

وكان من فضل علماء ومهندسين مثل جون سميتون وكارل هوتسمان ومارك سيجوين الذين اعترضوا على ان يكون زخم الحركة هو الوحيد كقانون للحفاظ. وبالتدريج شعر العلماء أن هناك ارتباطا بين الحرارة والحركة حيث تتولد حرارة عن الاحتكاك وبالعكس. وكانت دراسات لافوازييه وبيير سيمون لابلاس عام 1783 علامات على طريق نظرية الحرارة. كذلك لاحظ بنيامين تومسون عام 1798 نشأة الحرارة من عملية حفر ماسورات المدافع ، واعتبر وجود معامل ثابت لتحويل الحركة إلى حرارة وبالعكس. عندئذ قام توماس يونج بتسمية "طاقة" على تلك الظاهرة عام 1807.

وعن طريق المعايرة توصل العلماء إلى أن الطاقة تساوي :

$\frac{1}{2}\sum _i{m}_i{v}_i^2$

والتي تفهم على انها القيمة الحقيقية لطاقة الحركة المستخدمة في ثابت تحويل الشغل وهي النتيجة التي توصل إليها يسبارد كوريوليس وجين بونسيليت خلال الاعوام 1818-1839.

ونعرفها في عصرنا الحديث ب طاقة الحركة. أي أنه إذا تحرك جسم كتلته m بسرعة مقدارها v تكون له طاقة حركة قدرها

$$\begin{gathered} \frac{1}{2} \\ m{v}^2 \end{gathered}$$

ونشاهد ذلك من حياتنا اليومية عند تصادم السيارات حيث يزداد تهشم السيارة كلما زادت سرعتها ، أو بمعنى أصح يتناسب تهشم العربة بزيادة مربع سرعتها.

قانون بقاء الطاقة في الديناميكا الحرارية

يحتوي كل نظام ديناميكي حراري على قدر من الطاقة. وتتكون تلك الطاقة من جزء خارجي $E_a$ وجزء داخلي $E_i$ يسمى طاقة داخلية.

وتشكل الطاقة الكلية لنظام مجموع ذلك الجزئين ، مع أنه عند دراستنا للديناميكا الحرارية الكيميائية نهمل طاقة النظام الخارجية ونساويها بالصفر ($\mathrm{d}{E}_a=0$) ، ونركز على تغيرات الطاقة الداخلية التي قد تتخذ صورا مختلفة. وبهذا الطريق توصل الباحثون إلى القانون الأول للديناميكا الحرارية. وينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على:

" الطاقة الداخلية لنظام هي خاصية للمواد المكونة له ، ولا يمكن إنتاجها أو افنائها. وتعتبر الطاقة الداخلية دالة حالة."

بالنسبة إلى نظام مغلق تبقى الطاقة الداخلية ثابتة ، أي لا تنقص ولا تزيد. وتعبر الديناميكا الحرارية عن ذلك لنظام المغلق بالقانون الأول للديناميكا الحرارية بالمعادلة :

$\mathrm{d}U=\delta Q+\delta W$

• U – طاقة داخلية
• Q – الحرارة
• W – الشغل

وتقول المعادلة أن التغير في الطاقة الداخلية يساوي مجموع التغير في الحرارة والتغير في الشغل الذي يؤديه النظام.

قانون بقاء الطاقة في النظرية النسبية

طبقا لمنطوق النظرية النسبية الخاصة ل أينشتاين يمتلك جسيم ذو كتلة سكون $m$ ويتحرك بسرعة $v$ يمتلك طاقة قدرها :

$E(v)=\frac{m{c}^2}{\sqrt{1-(v/c{)}^2}}$

حيث :

$c$ سرعة الضوء في الفراغ.

وفي حالة السكون تكون للجسيم الطاقة النابعة عن كتلته :

$E_{\text{Ruhe}}=m{c}^2.$

وعندما تكون سرعة الجسيم (أو الجسم) صغيرة تكون القيمة $(v/c{)}^2$) أيضا صغيرة ، ويمكن وصف طاقة الجسم بأنها مجموع طاقة السكون وطاقة الحركة طبقا لقوانين نيوتن :

$E\sim m{c}^2+\frac{1}{2}m{v}^2.$

تنطبق المعادلة على جسم يتحرك بسرعة صغيرة جدا بالنسبة لسرعة الضوء ، عندئذ يمكننا حساب طاقته بتقريب كبير عن طريق استخدام قوانين نيوتن للحركة. وهذا ما يجري في حياتنا اليومية المعتادة حيث تكون السرعات التي نتحرك بها أو تتحرك بها الأشياء المعهودة حولنا صغيرة جدا بالنسبة لسرعة الضوء.

ولكن عندما نقوم بتسريع جسيمات إلى سرعات عظيمة قريبة من سرعة الضوء فنجد أن قوانين نيوتن تتسبب في خطأ في النتيجة ، ولا بد عندئذ من تطبيق النظرية النسبية الخاصة في حسابنا لكي نحصل على النتيجة الدقيقة. وعند دراسة تصادم الجسيمات السريعة جدا فنجدها تتبع قوانين النظرية النسبية الخاصة ، ولا بد من تطبيقها في تلك الحالات.

في المعادلة الأولى هنا نجد الكسر $v/c{)}^2$) يقترب من 1 عند السرعات المقاربة لسرعة الضوء ، وهذا يؤدي إلى أن المقام في المعادلة يقترب من الصفر ، مما يجعل طاقة الجسيم تزيد زيادة هائلة وقد تقترب من الانهاية.

تبادل الطاقة

عندما يتبادل نظام طاقة مع نظام آخر ، مثلا عن طريق الإشعاع أو توصيل حراري فإننا نتكلم عن عن "نظام مفتوح " من وجهة الطاقة. ويقول قانون انحفاظ الطاقة :" الطاقة التي تدخل في نظام مطروحا منها الطاقة التي تخرج منه هي مقدار تغير طاقة النظام." وعن طريق دراسة تسريبات الطاقة (الحرارة) في نظام، الداخلة فيه والخارجة منه ، يمكن معرفة العمليات التي تتم داخله حتى ولو لم يمكن مشاهدتها مباشرة.

ولا يمكن قياس طاقة نظام بطريقة مباشرة : فبصرف النظر عن تأثيرات الجاذبية على النظام ، فلا يمكننا سوي قياس "التغيرات" في طاقة النظام فقط.

> فهو يعطيها إلى الوسط المحيط (الهواء مثلا) كعادم.

انظر أيضًا

• انحفاظ الزخم الخطي
• انحفاظ الزخم الزاوي
• كفاءة تحويل الطاقة
• طاقة كامنة
• طاقة
• طاقة نووية
• طاقة شمسية

ملف:Science-symbol-2.png

هذه بذرة مقالة عن موضوع علمي تحتاج للنمو والتحسين، فساهم في إثرائها بالمشاركة في تحريرها.

an:Conservación d'a enerchía az:Enerjinin saxlanması qanunu be:Закон захавання энергіі be-x-old:Закон захаваньня энэргіі bg:Закон за запазване на енергията bs:Zakon očuvanja energije ca:Conservació de l'energia cs:Zákon zachování energie cy:Cadwraeth egni de:Energieerhaltungssatz el:Αρχή διατήρησης της ενέργειας Conservation of energy]] eo:Principo de konservado de energio es:Conservación de la energía et:Energia jäävuse seadus fa:پایستگی انرژی fi:Energiaperiaate fr:Conservation de l'énergie gl:Conservación da enerxía he:חוק שימור האנרגיה hi:उर्जा संरक्षण का नियम hif:Conservation of energy hr:Zakon očuvanja energije ht:Lwa konsèvasyon enèji hu:Energiamegmaradás ia:Conservation de energia id:Kekekalan energi is:Orkuvarðveisla it:Legge di conservazione dell'energia ja:エネルギー保存の法則 ka:ენერგიის შენახვის კანონი ko:에너지 보존 법칙 krc:Энергия сакълауну закону la:Conservatio energiae lt:Energijos tvermės dėsnis lv:Enerģijas nezūdamības likums mk:Закон за зачувување на енергијата ml:ഊര്‍ജ്ജ സം‌രക്ഷണ നിയമം mn:Энерги хадгалагдах хууль my:စွမ်းအင် တည်မြဲမှု နိယာမ nl:Wet van behoud van energie nn:Energiprinsippet no:Energiprinsippet oc:Conservacion de l'energia pl:Zasada zachowania energii pnb:انرجی بچت دا قنون pt:Lei da conservação da energia ro:Legea conservării energiei ru:Закон сохранения энергии rue:Закон захованя енерґії sh:Zakon očuvanja energije simple:Conservation of energy sk:Zákon zachovania energie sr:Закон очувања енергије sv:Energiprincipen ta:ஆற்றல் காப்பு th:กฎทรงพลังงาน tr:Enerjinin korunumu yasası uk:Закон збереження енергії ur:قانون بقائے توانائی vi:Bảo toàn năng lượng war:Konserbasyon han enerhiya zh:能量守恒定律