تحقيق مسبار
يُعد قانون حفظ الطاقة واحدًا من القوانين المُهمة في الفيزياء، وهو أحد القوانين التي تم اكتشافها في القرن التاسع عشر الميلادي. ويُسلّط هذا المقال الضوء على مُكتشف مبدأ الحفاظ على الطاقة مع ذكر العديد من المعلومات المُهمة حول هذا المبدأ، كما أنه يوضّح الكميات الفيزيائية المحفوظة غير الطاقة أيضًا.
هل تم اكتشاف قانون حفظ الطاقة لأول مرة في ألمانيا عام 1821؟
لم يتم اكتشاف قانون حفظ الطاقة لأول مرة في ألمانيا عام 1821؛ وإنما تم تقديم الورقة الأولى في حفظ الطاقة من قِبل الألماني يوليوس ماير عام 1842، كما أن هُناك عالمين فيزيائيين آخرين كانت لهما إسهامات كبيرة في مبدأ حفظ الطاقة؛ هُما الألماني هيرمان فون هيلمهولتز والبرطاني جيمس جول، وأشار هيلمهولتز إلى ماير على أنه مؤسس هذا المبدأ في محاضرة ألقاها عام 1854 حول تفاعل القوى الطبيعية.
من هو مكتشف قانون حفظ الطاقة؟
وُلد يوليوس روبرت فون ماير عام 1814 وهو مكتشف قانون حفظ الطاقة، ولكن اكتشافه لم يلقَ اهتمامًا كبيرًا في البداية؛ لأنه كان طبيبًا ولم يكن فيزيائيًا متخصصًا. استمرت حياة ماير حتى عام 1878 وتضمنت العديد من الأحداث المُثيرة، وفيما يأتي تسلسل زمني لأبرز الأحداث في حياته:
- دراسة الطب: كان ماير مُهتمًا بالعلوم أثناء شبابه، وقرر العمل في مجال الطب، وبدأ الدراسة عام 1832 جامعة توبنغن، واستطاع الحصول على درجة الماجستير في تخصص الطب عندما أنهى دراسته عام 1838.
- ملاحظة لون الدم الوريدي للبحّارة: في عام 1840 عمل ماير طبيبًا على متن سفينة تحمل البضائع إلى الهند، ولاحظ أن الدم الوريدي للبحّارة كان أكثر إشراقًا من لون الدماء في أوردة المرضى في ألمانيا، ودفعه ذلك إلى دراسة تأثير الحرارة على التمثيل الغذائي.
- ماير أصبح كبير الجراحين: بعد رحلته إلى الهند عاد ماير إلى مدينة هايلبرون واستمر بممارسة مهنته حتى أصبح كبير الجراحين في المدينة، وأمضى وقت فراغه في إجراء بعض التجارب مع مواجهة صعوبات في إدراك عدة مفاهيم حول الطاقة.
- نشر النتائج الأولى لتجارب ماير: نشر يوليوس ماير مقالًا بعنوان ملاحظات على قوى الطبيعة غير الحيّة في إحدى المجلات العلمية عام 1842، وتضمّن هذا المقال جوهر مبدأ حفظ الطاقة؛ إلا إنه اشتمل على قليل من التفاصيل.
- نشر الورقة البحثية المفصلة: في عام 1845 قام ماير بنشر ورقة بحثية تحتوي على قدرٍ أكبر من التفاصيل مقارنةً بالورقة السابقة، وكانت الورقة الثانية بعنوان الحركة العضوية وعلاقتها بالتمثيل الغذائي.
- تقديم البحث الثالث: بعد مرور 3 سنوات تقريبًا نشر ماير ورقة بحثية بعنوان مساهمات في الديناميكيات السماوية، وفي هذه الورقة قدّم تخمينًا يتعلق بمصدر الطاقة التي تشعّها الشمس.
- محاولة الانتحار: بالرغم من مساهماته الكبيرة إلا إن ماير لم يلقَ التقدير الذي يستحقه، وكان يتهمهُ العلماء المحليون بكونه فيلسوفًا أكثر من كونه عالمًا ذو كفاءة، ولذلك لم تلقَ أبحاثه اهتمامًا كبيرًا، وأدّى ذلك إلى محاولة الانتحار عام 1950.
- ماير في مستشفى الأمراض العقلية: بالرغم من محاولة الانتحار إلا إن ماير استطاع النجاة، وتم إيداعه في مستشفى الأمراض العقلية مدة 3 سنوات بعد ذلك، ولم يقم بتقديم المزيد من الأعمال عند خروجه على الرغم من إمكانية تقديمها.
- تقدير أعمال ماير: بدأ العلماء المختصون بتقدير أعمال ماير ومساهماته تدريجيًا في وقتٍ متأخر؛ إلا إنهم لم يستطيعوا التأكّد من كونه على قيد الحياة، وما إذا كانت قدراته العقلية جيدة.
- الحصول على الدكتوراه الفخرية: بعد مرور سنوات من عدم التقدير ومحاولة الانتحار استطاع ماير الحصول على درجة الدكتوراه الفخرية من جامعة توبنغن عام 1859، وهذا يعني أنه حصل عليها بعد ورقته الأولى بقُرابة 17 سنة.
- الحصول على ميدالية كوبلي: قامت الجمعية الملكية في لندن بتكريم الألماني يوليوس ماير عام 1871 نتيجة لإسهاماته العلمية، وذلك عن طريق منحه ميدالية كوبلي.
- الحصول على جائزة بريكس بونسيليت: في السنوات الأخيرة من حياة ماير قدمت له أكاديمية باريس الفرنسية للعلوم جائزة بريكس بونسيليت.
ماهو قانون حفظ الطاقة؟
ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث في أي نظام معزول وإنما تتحول من شكل إلى آخر؛ ومن ذلك تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية، وحسب القانون المذكور يكون مجموع الطاقة الحركية لأي من الجُسيمات داخل النظام المغلق قبل الاصطدام مساويًا لمجموع الطاقة بعد انتهاء عملية الاصطدام، ويشمل هذا المفهوم كلًا من طاقة التيار الكهربائي، والطاقة المُخزنة في مجال مغناطيسي أو مجال كهربائي، بالإضافة إلى الطاقة الموجودة في الوقود والمواد الكيميائية الأُخرى.
ما هي المُحددات التي يتضمنها قانون حفظ الطاقة؟
يُمكن كتابة قانون حفظ الطاقة على الصورة KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf بشكل عام، ويُشير الحرف i الصغير إلى الطاقة أو القوة الابتدائية، في حين يشير حرف f الصغير إلى النهائية، ويُشير الرمز KE إلى الطاقة الحركة، والرمز PE إلى الشغل الذي تولده القوة المحفوظة، والرمز OE إلى جميع أنواع الطاقة الأُخرى، والرمز W إلى الشغل، كما يُشير الحرفان nc الصغيران بجانب حرف W إلى القُوى غير المحفوظة، وهذا يعني أن Wnc تُشير إلى الشغل المتولّد عن القوى غير المحفوظة في النظام.
كيف يتم حل الأسئلة التي تتعلق بقانون الحفاظ على الطاقة؟
عند الرغبة في حل أي مسألة تتعلق بالطاقة؛ بما في ذلك المسائل التطبيقية على قانون حفظ الطاقة، يمكن للشخص اتباع الخطوات الآتية:
- التعرّف على النظام: في البداية لا بُد من التعرّف على النظام وتحديد جميع المعلومات التي تم تقديمها في السؤال، بالإضافة إلى معرفة الكمية التي يجب على الشخص حسابها واستخراجها، وربما يساعد الرسم على ذلك.
- التحقّق من القُوى ذات الصلة: بعد التعرّف على النظام ينبغي التحقّق من جميع القوى ذات الصلة، ثم تحديد ما إذا كان الشخص على معرفة بمقدار الطاقة الكامنة، أو إمكانية الحصول عليها بالاعتماد على الشغل الذي تقوم به القُوى.
- الاعتماد على الطاقة الكامنة والحركية: إذا كانت الطاقة الكامنة للقوى في السؤال معروفة؛ فهذا يعني أن جميع القوى محفوظة في النظام، ويُمكن حساب الطاقة بالاعتماد على قانون الحفاظ على الطاقة البسيط KEi+PEi=KEf+PEf لحل السؤال.
- استخدام القانون العام لحفظ الطاقة: إذا كانت الطاقة الكامنة لبعض القوى معروفة دون بعضها الآخر؛ فلا بُد من استخدام قانون حفظ الطاقة الأكثر شمولًا KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf من أجل حل المسألة.
- التعويض بالقيمة صفر: عند اللجوء إلى استخدام القانون الشامل للحفاظ على الطاقة ربما يحتاج المرء إلى التعويض عن بعض القيم بصفر، ولا يشترط أن تكون جميع الحدود ذات قيمة.
- تبسيط المُعادلة: يمكن تبسيط المُعادلة من خلال اختيار النقاط التي تساعد الشخص على التعويض عن بعض الحدود بالقيمة صفر؛ مثل تعويض PEf مع PEi بالصفر إذا كان لهما ذات القيمة؛ لأن أحدهما بعد إشارة المساواة والآخر قبلها.
- الحل ثم التحقق: يتم حل السؤال بالاعتماد على مهارات الحساب الأساسية، ثم بعد ذلك يتم التحقق من كون الإجابة منطقية ومعقولة، وكذلك ينبغي التحقق من الإشارات السالبة والموجبة للقوى وغيرها من المُحددات.
ما هي أنواع الكميات المحفوظة في الفيزياء؟
تنطبق قوانين الحفظ في الفيزياء على الأنظمة المعزولة فحسب، وهُناك العديد من الكميات الفيزيائية المحفوظة إلى جانب الطاقة، وهي الكميات الآتي ذكرها:
- الكُتلة: تُعد الكتلة من الخصائص الأساسية للمادة، وتقيس ما يُعرف باسم القصور الذاتي، وعندما يتم ضربها بالجاذبية ينتج الوزن، وهي إحدى الكميات المحفوظة التي لا يُمكن أن تتدمر، أو يتم إنشاؤها من جديد في النظام المعزول.
- الزخم الزاوي: يُعبر الزخم الزاوي عن زخم الحركة حول محور الجسم الدوّار فحسب، ويساوي الكتلة مضروبةً بالسرعة والمسافة بين الجسم ومحور الدوران، وهي كذلك واحدة من الكميات الفيزيائية المحفوظة.
- زخم الحركة: يُعرف الزخم بأنه حاصل ضرب الكتلة بالسرعة للجسم، وفي الأنظمة التي تتكون من جسمين متصادمين أو أكثر لا يتغير الزخم الكلي للنظام؛ ما لم توجد خسارة عند الاحتكاك أو التفاعل مع الأجسام الخارجية.
هل القانون الأول للديناميكا الحرارية يتحدث عن الحفاظ على الطاقة؟
يتحدث القانون الأول للديناميكا الحرارية عن الحفاظ على الطاقة بالفعل، وينص على أن الطاقة الداخلية للنظام تساوي المجموع الإجمالي الكُلّي للشغل المُنجز على النظام مع زيادة أو طرح الحرارة التي تدفقت إلى النظام أو خرجت منه، وهذا يعني أنها إعادة لصياغة قانون حفظ الطاقة بالنسبة إلى الطاقة الحرارية. وفيما يأتي قوانين الديناميكا الحرارية المُهمة الأُخرى:
- القانون الصفري: عندما يكون النظامان الحراريان في حالة توازنٍ مع نظامٍ ثالث؛ فإن أول نظامين يكونان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض أيضًا.
- القانون الثاني: ينص هذا القانون على أن إجمالي الشغل في النظام يكون دائمًا أقل من الحرارة التي يتم توفيرها في النظام الحراري، ويُبيّن هذا القانون كذلك ما يُعرف باسم القصور الحراري.
- القانون الثالث: يُخصّص القانون الثالث للديناميكا الحرارية قصورًا حراريًا يساوي الصفر عندما تكون درجة الحرارة صفرًا بالكلفن، وذلك لأيّ جسم نقي في حالة بلورة مع استقراره تمامًا، وهو ما يسمح بالتعبير عن قيمة القصور الحراري خلافًا للطاقة الداخلية.
اقرأ/ي أيضًا:
هل يوجد أهمية لتعلّم مهارات التفكير العلمي؟
هل الطاقة النظيفة لها أثر إيجابي على البيئة؟
