تحقيق مسبار
لا تقتصر تطبيقات قانون حفظ الطاقة على ناحية واحدة من نواحي الحياة؛ وإنما تتوفر العديد من التطبيقات على هذا القانون. يُسلّط المقال الضوء على بعض من تطبيقات حفظ الطاقة مع بيان طريقة حل الأسئلة المختلفة على هذا المبدأ؛ ليستطيع الطلبة التعامل معها بسهولة، وينتهي بتوضيح أنواع الكميات المحفوظة، ثم ذكر بعض من أنواع الطاقة.
هل يوجد تطبيقات لقانون حفظ الطاقة في الحياة العملية؟
هُناك العديد من التطبيقات على قانون حفظ الطاقة من الحياة العملية بالفعل، وهو قانونٌ ينص على أن الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث من العدم في أيّ نظامٍ معزول وإنما تتحوّل من صورة إلى أُخرى؛ ومن ذلك تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية لتمشي السيارات في حياتنا اليومية، وفي بعض التطبيقات يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية أيضًا.
ما هي أبرز التطبيقات على قانون حفظ الطاقة؟
استطاع الإنسان الاستفادة من قانون حفظ الطاقة في العديد من التطبيقات العملية والعلمية، وتضم القائمة الآتية بعضًا من تطبيقات حفظ الطاقة:
- محركات السيارات: تُعد السيارات واحدةً من وسائل النقل الأساسية في الوقت الراهن، وتقوم محركات السيارات بتحويل الطاقة الكيميائية إلى نوعين آخرين من الطاقة؛ هُما الطاقة الحرارية والطاقة الحركية.
- الأشجار وتحويل الطاقة: عندما تشعّ الشمس على الأرض تقوم الأشجار بامتصاص الطاقة الإشعاعية، وبعد ذلك تقوم بتحويلها إلى طاقة كيميائية، وهي من صور حفظ الطاقة.
- الطرق على المسمار: تولّد حركة المطرقة طاقةً ميكانيكيةً عند الطرق على المسمار، وفي هذه الحالة تتحوّل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية، بالإضافة إلى طاقة تشوّه.
- التفاعل النووي الحراري: عند إجراء التفاعلات النووية الحرارية يتم تحويل الطاقة النووية إلى شكلين آخرين من أشكال الطاقة؛ هما الطاقة الإشعاعية بالإضافة إلى الطاقة الحرارية.
- الخلّاط الكهربائي: كثيرًا ما يُستخدم الخلاط الكهربائي في المطبخ لإنتاج الأطباق المختلفة، وفي هذا النوع من الخلاطات يتم الاعتماد على قوانين الطاقة الكهربائية؛ لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية وطاقة حرارية.
- المصباح الكهرباء: يقوم المصباح الكهربائي بتوفير الضوء المناسب عند الحاجة، ويعتمد هذا المصباح على الطاقة الكهربائية، ويقوم بتحويلها إلى طاقة حرارية وطاقة إشعاعية.
- تصادم الجسيمات المرن: في التصادم المرن يكون مجموع الطاقة قبل وقوع الاصطدام مساويًا لمجموع الطاقة الحركية بعد الانتهاء من الاصطدام، سواءً كان اصطدام كرة أو غيرها، وهي من التطبيقات على قانون حفظ الطاقة.
- تأرجح البندول: عندما يتأرجح البندول إلى الأعلى يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة، وعند التوقّف في الأعلى تكون الطاقة الحركية صفرًا؛ فيقوم البندول بالاعتماد على الطاقة الكامنة مرةً أُخرى لتحويلها إلى طاقة حركيّة من جديد.
ما هي أبرز الحقائق حول مبادئ قانون حفظ الطاقة؟
يُعد قانون حفظ الطاقة واحدًا من أبرز القوانين الفيزيائية، ويتم الاعتماد على هذا القانون في كثير من المجالات؛ بما في ذلك مجالات توليد الطاقة الكهربائية، وتضم القائمة الآتية عدة من أبرز الحقائق حول مبادئ حفظ الطاقة:
- الكمية المحفوظة خاصية فيزيائية: إن الحفاظ على الطاقة من الخصائص الفيزيائية التي تتمتع بها الكميات المحفوظة، وهذا يعني أنها تظل ثابتة دون النظر إلى المسار المتبع.
- فائدة مبدأ حفظ الطاقة: هُناك عدد من الكميات المحفوظة في الفيزياء، وفي معظم الأحيان يتم الاعتماد على مبدأ حفظ الطاقة لتوقّع بعض الحالات المُعقدة جدًا فيما يتعلق بهذه الكميات.
- تساوي طرفي المعادلة: بالنظر إلى قانون حفظ الطاقة يتبيّن بأن مجموع الطاقة الحركية للجُسيّمات قبل الاصطدام يساوي مجموع الطاقة الحركية بعد الاصطدام، وهذا يعني تساوي طرفي المعادلة.
- شمول الأنظمة الحية بالقانون: لا يقتصر تطبيق قانون حفظ الطاقة على المنشآت الصناعية أو الاختبارات التجريبية فحسب، وإنما يشمل هذا القانون الأنظمة الحية أيضًا؛ فإن الطاقة تنتقل بينها وتتحول من شكل إلى آخر.
هل هرمان فون هلمهولتز مكتشف قانون حفظ الطاقة؟
كان الألماني هرمان فون هلمهولتز مكتشف قانون حفظ الطاقة؛ إذ إنه أول من تطرق إليها في بعض أوراقه البحثية، وفيما يأتي بعضًا من أبرز المحطات التاريخية والحقائق حول حياة هلمهولتز:
- الحصول على شهادة الطب: في عام 1842 استطاع هلمهولتز الحصول على شهادة الطب من برلين، وكانت دراسة هذا التخصص بناءً على رغبة والده.
- الانضمام إلى الجمعية الفيزيائية: أصبح هرمان فون هلمهولتز واحدًا من أعضاء جمعية برلين الفيزيائية في ألمانيا عام 1845، وهذا يعني أن انضمامه سبق العمل جراحًا في الجيش الألماني.
- التعيين أستاذًا لعلم وظائف الأعضاء: تم تعيين هلمهولتز أستاذًا لعلم وظائف الأعضاء في جامعة كونيغسبرغ عام 1950، وتمكّن من اختراع منظار العين بعد عام واحد من شغل هذا المنصب.
- الانتقال إلى جامعة هايدلبرغ: انتقل هرمان هلمهولتز إلى جامعة هايدلبرغ عام 1859؛ ليتولّى منصب رئاسة علم وظائف الأعضاء في هذه الجامعة.
- منصب أستاذ الفيزياء: بين العامين 1877-1887 شغل هرمان فون هلمهولتز منصب أستاذ الفيزياء في المعهد العسكري للطب والجراحة داخل العاصمة الألمانية برلين.
- خطاب يوم التأسيس لجامعة برلين: في عام 1878 ألقى هلمهولتز خطابًا بعنوان الحقائق في الإدراك، وذلك بمناسبة يوم التأسيس لجامعة برلين الألمانية.
كيف يمكن التعامل مع أسئلة حفظ الطاقة؟
توجد العديد من الخطوات التي ينبغي على المرء اتباعها بشكل متسلسل لحل جميع الأسئلة التي تتعلق بقانون حفظ الطاقة، وهي الخطوات الآتي ذكرها وفق جامعة هاواي:
- التحقق من المعطيات والمطلوب: في البداية يجب قراءة السؤال بعناية ومعرفة جميع المعطيات من القيم المتوفرة، بالإضافة إلى التحقق من القيمة المطلوب حسابها، ويُمكن الاعتماد على الرسم للمساعدة في ذلك.
- التأكد من الطاقة الكامنة: بعد معرفة المعطيات والمطلوب يتم التحقق من جميع القوى المَعنيّة في السؤال؛ لتحديد ما إذا كانت الطاقة الكامنة واحدةً منها، أو يُمكن استخراج الطاقة الكامنة من الشغل الذي تبذله القوى.
- تحديد القانون المناسب: يختلف القانون الذي يتم تطبيقه لحل أسئلة حفظ الطاقة حسب المعطيات، وينبغي اللجوء إلى أكثر القوانين عمومًا في بعض الأحيان، وفيما يأتي طريقة اختيار القانون:
- إذا تمّت معرفة الطاقة الكامنة للقوى التي تدخل في السؤال وكان النظام محافظًا؛ فهذا يعني أن القوى كلها محافظة، ويُمكن حل السؤال بالاعتماد على القانون KEi+PEi=KEf+PEf لحل السؤال.
- في حالة لم تتم معرفة الطاقة الكامنة لبعض القوى لأي سبب من الأسباب؛ فلا بُد من استخدام قانون حفظ الطاقة بأكثر أشكاله عمومًا، وهو الشكل KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf الذي يتضمن مدخلات أكثر.
- محاولة تسهيل الحل: قبل الحل يُمكن تسهيل المعادلة من خلال حذف بعض المدخلات إذا أمكن ذلك؛ فإن بعض المدخلات تصبح صفرًا إذا اختار الشخص نقطة محددة من النظام عند الحل لحساب الكميات المحفوظة.
- التأكد من الإجابة: في بعض الأحيان تكون الإجابة غير معقولة، وتستدعي من المرء التحقق من طريقة حل السؤال مرة أخرى، ولذلك فإنه من الضروري التأكد من الإجابة عند الانتهاء وعدم تركها إذا لم تكن معقولة.
هل هناك فرق بين القوى المحافظة والقوى غير المحافظة؟
إن هُناك فرقًا كبيرًا بين القوى المحافظة والقوى غير المحافظة؛ فإن القوى المُحافظة تكون في نظام معزول ولا تُستحدث فيها الطاقة؛ وإنما تتحول من شكل إلى آخر ضمن النظام ذاته، وأما القوى غير المحفوظة؛ فإنها تفقد بعضًا من الطاقة التي لا تتم استعادتها مرةً أخُرى بذات القيمة التي كانت عليها قبل وبعد العمليات المختلفة؛ مثل الاحتكاك؛ إذ إن الاحتكاك يقوم بإبطاء الجسم حتى يتوقّف بالكُليّة، وهو ما يتسبب بتبديد الطاقة الحركية التي كانت عند الجسم إلى طاقة حرارية.
ما هي أنواع الكميات المُحافِظة؟
هُناك 4 أنواع من الكميات المحافظة في الفيزياء، وهي كما يأتي حسب موقع سيانسينغ:
- الكُتلة: تُعبِّر الكتلة عن قيمة إذا تم ضربها بقوة الجاذبية الأرضية نتج عنها الوزن، وهي إحدى الكميات المحفوظة التي لا يمكن تدميرها أو تشكيلها من العدم.
- الزخم: سواءً تكوّن النظام من جسمين اثنين أو أكثر لا يتغير الزخم الكُلّي للنظام شريطة أن لا تتوفر أيّة خسائر للطاقة؛ نتيجة الاحتكاك أو التفاعلات مع الأجسام الخارجية عند حدوث التصادم.
- الزخم الزاوي: يختلف الزخم الزاوي عن الزخم لأنه يكون حول محور الجسم الدوّار فحسب، وهو كذلك من الكميات الفيزيائية المحفوظة.
- الطاقة: إن للطاقة الكثير من الأشكال المختلفة؛ بما في ذلك الطاقة الحرارية والطاقة الكيميائية والطاقة الإشعاعية، ومنها الطاقة الكهربائية أيضًا، وهذا يعني أن قوانين الطاقة الكهربائية تدخل في بعض حسابات حفظ الطاقة.
هل هناك عدة أنواع للطاقة؟
هُناك عدة أنواع للطاقة بالفعل، وربما تختلف حسابات قانون حفظ الطاقة في بعض جزئياتها عند اختلاف نوع الطاقة الذي يشتمل عليه السؤال، ومنها الطاقة الكيميائية التي يتم تخزينها في الروابط التي تتشكل بين الأجزاء الصغيرة من المواد، وتتوفر هذه الطاقة في كل من الفحم والبنزين وأشكال الوقود الأخرى، كما أنها موجودة في السكّر أيضًا.
إلى جانب الطاقة الحرارية والطاقة الكيميائية تُعد الطاقة الكهربائية من أشكال الطاقة أيضًا، وتتوفر من خلال حركة الإلكترونات، وكذلك الطاقة المشعة التي ترتبط بحركة الموجات الكهرومغناطيسية والضوء، والطاقة الميكانيكية التي يكتسبها الجسم بسبب حركته أو موضعه، والطاقة النووية التي تنشأ عن انقسام نواة الذرات أو انصهارها، وتعتمد الشمس على التفاعلات النووية لتوفير طاقتها الهائلة.
اقرأ/ي أيضًا:
هل يمكن توليد الكهرباء من الرياح؟
هل يمكن التخلص من ظاهرة الاحتباس الحراري؟
