ما هي الطاقة؟ مفاهيم ومعاني عامة
تُعرَّف الطاقة بأنها قدرة النظام المادي على أداء العمل، ومع ذلك من المهم أن تضع في اعتبارك أنه لمجرد وجود الطاقة، فهذا لا يعني بالضرورة أنها متاحة للقيام بالعمل.
أشكال الطاقة
توجد الطاقة في عدة أشكال مثل الحرارة والطاقة الحركية أو الميكانيكية والضوء والطاقة الكامنة والطاقة الكهربائية.
- الحرارة: الحرارة أو الطاقة الحرارية هي الطاقة الناتجة عن حركة الذرات أو الجزيئات، يمكن اعتبارها طاقة مرتبطة بدرجة الحرارة.
- الطاقة الحركية: الطاقة الحركية هي طاقة الحركة، البندول المتأرجح لديه طاقة حركية.
- الطاقة الكامنة: هذه هي الطاقة الناتجة عن موضع الجسم، على سبيل المثال: الكرة الموضوعة على طاولة لها طاقة كامنة بالنسبة للأرض لأن الجاذبية تؤثر عليها.
- الطاقة الميكانيكية: الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للجسم.
- الضوء: الفوتونات هي شكل من أشكال الطاقة.
- الطاقة الكهربائية: هي الطاقة الناتجة عن حركة الجسيمات المشحونة، مثل البروتونات أو الإلكترونات أو الأيونات.
- الطاقة المغناطيسية: ينتج هذا النوع من الطاقة عن مجال مغناطيسي.
- الطاقة الكيميائية: يتم إطلاق أو امتصاص الطاقة الكيميائية عن طريق التفاعلات الكيميائية، يتم إنتاجه عن طريق كسر أو تكوين روابط كيميائية بين الذرات والجزيئات.
- الطاقة النووية: هذه هي الطاقة الناتجة عن التفاعلات مع البروتونات والنيوترونات في الذرة، عادةً ما يتعلق هذا بالقوة الشديدة، ومن الأمثلة على ذلك الطاقة المنبعثة من الانشطار والاندماج.
قد يكون هناك تداخل بين أشكال الطاقة، فعلى سبيل المثال: يحتوي البندول المتأرجح على طاقة حركية وطاقة كامنة وطاقة حرارية و (اعتمادًا على تركيبته) قد يحتوي على طاقة كهربائية ومغناطيسية.
ما هي الطاقة؟ مفاهيم ومعاني عامة
قانون حفظ الطاقة
وفقًا لقانون حفظ الطاقة، تظل الطاقة الإجمالية للنظام ثابتة، على الرغم من أن الطاقة قد تتحول إلى شكل آخر، فعلى سبيل المثال: قد تتصادم كرتا بلياردو، وتصبح الطاقة الناتجة صوتًا وربما قليلًا من الحرارة عند نقطة الاصطدام، عندما تكون الكرات في حالة حركة، فإنها تمتلك طاقة حركية، سواء كانوا في حالة حركة أو ثابتة، لديهم أيضًا طاقة كامنة لأنهم على طاولة فوق الأرض.
لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها، لكنها يمكن أن تغير أشكالها وترتبط أيضًا بالكتلة، وتنص نظرية تكافؤ الكتلة والطاقة على أن الجسم الساكن في إطار مرجعي لديه طاقة راحة، إذا تم توفير طاقة إضافية للجسم، فإنها في الواقع تزيد من كتلة ذلك الجسم، على سبيل المثال: إذا قمت بتسخين قطعة من الحديد، فإنك تزيد من كتلته بشكل طفيف جدًّا.
وحدات الطاقة
وحدة الطاقة في النظام الدولي للوحدات هي الجول (J) أو نيوتن متر (N * م)، والجول هو أيضًا وحدة عمل النظام الدولي للوحدات.
أنواع الطاقة
هناك فئتان رئيسيتان للطاقة: المتجددة وغير المتجددة.
تتوفر موارد الطاقة غير المتجددة بإمدادات محدودة، عادة لأنها تستغرق وقتًا طويلًا لتجديدها، ميزة هذه الموارد غير المتجددة هي أن محطات الطاقة التي تستخدمها قادرة على إنتاج المزيد من الطاقة عند الطلب، مصادر الطاقة غير المتجددة هي:
- فحم.
- نووي.
- بترول.
- غاز طبيعي.
الموارد المتجددة، من ناحية أخرى، تجدد نفسها باستمرار، فمصادر الطاقة المتجددة الخمسة الرئيسية هي:
- الشمس.
- الرياح.
- الماء.
- الكتلة الحيوية، أو المواد العضوية من النباتات والحيوانات.
- الطاقة الحرارية الجوفية، وهي الحرارة التي تحدث بشكل طبيعي من الأرض.
بينما تتمتع موارد الطاقة المتجددة بميزة العرض غير المحدود على المدى الطويل، إلا أنها محدودة في توفرها في أي لحظة.
على سبيل المثال: تُشرق الشمس كل يوم، لكن قدرتها على توليد الطاقة تكون محدودة عندما تكون غائمة، وهناك عيب آخر وهو أن مشغلي محطات الطاقة لا يمكنهم زيادة إنتاج الطاقة المتجددة عندما يستهلك الناس المزيد من الطاقة، كما هو الحال في يوم حار عندما يقوم العديد من الأشخاص بتشغيل مكيفات الهواء في نفس الوقت.
تحاول بعض الدول مثل الولايات المتحدة حل هذه المشكلة باستخدام تخزين الطاقة، مثل البطاريات الكبيرة، لتجميع الكهرباء من مصادر متجددة عندما يكون الطلب منخفضًا لاستخدامها لاحقًا عندما يرتفع الطلب.
ما هي الطاقة؟ مفاهيم ومعاني عامة
الطاقة غير المتجددة وتغيُّر المناخ
عندما يتم حرق الفحم والغاز الطبيعي والنفط لإنتاج الطاقة، فإنها تنبعث منها غازات احتباس الحرارة، مثل ثاني أكسيد الكربون، وعملية حبس الحرارة هذه هي ما يدفع تغير المناخ، والفشل في معالجة هذه المشكلة هو ما يحفز أزمة المناخ الحالية.
الوقود الأحفوري عبارة عن مواد تحتوي على الهيدروكربونات مثل الفحم أو الغاز والتي توجد في قشرة الأرض وتشكلت في الماضي الجيولوجي من بقايا الكائنات الحية، تمثل مصادر الطاقة هذه غالبية انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في العالم.
إذا استمرت الانبعاثات دون قيود، فقد ترتفع درجة حرارة الغلاف الجوي بما يصل إلى 2.7 درجة فهرنهايت فوق مستويات ما قبل الصناعة بحلول عام 2040، وفقًا لأحدث تقرير صادر عن الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، وهي مجموعة من العلماء الدوليين الذين تم تفويضهم من قبل الأمم المتحدة لتقديم المشورة لقادة العالم أملًا في إيجاد حل.
يقول العلماء إن هذه الزيادة في درجة الحرارة من شأنها أن تهدد الحياة على الكوكب بطرق لا تُعد ولا تُحصى، بما في ذلك النقص الحاد في المياه، المزيد من تلوث الهواء، ارتفاع مستوى سطح البحر وفقدان الموائل، موجات حرارية ذوبان الصفائح الجليدية في غرب أنتاركتيكا وغرينلاند، وتدمير الشعاب المرجانية في العالم.
على مدار الـ 150 عامًا الماضية، كان البشر مسؤولين عن الغالبية العظمى من زيادة هذه الغازات في الغلاف الجوي، كما أن حرق الوقود الأحفوري من خلال أنشطة مثل قيادة السيارة هو أكبر مصدر لهذه الانبعاثات.
هناك مجموعة من العلماء من جامعة ستانفورد قاموا بتطوير خطة قابلة للتجديد بنسبة 100٪ لكل دولة على حدة والذين يصرون على أن تكون شبكة الطاقة بين البلدان مدعومة فقط بالموارد المتجددة.
غالبًا ما يفعل صانعو السياسات الذين يستثمرون في الطاقة المتجددة ذلك بهدف توليد الطاقة دون انبعاث هذه الغازات المسببة للاحتباس الحراري.
الطاقة النووية
يناقش الخبراء ما إذا كان ينبغي اعتبار الطاقة النووية موردًا متجددًا أم غير متجدد للطاقة.
تعتبر الطاقة النووية طاقة نظيفة؛ لأنها لا تسبب أي تلوث للهواء أو تنبعث منها ثاني أكسيد الكربون، ولكنها تولد الطاقة من خلال الانشطار النووي، وهي عملية تفكك الذرات، لهذا السبب يجادل مؤيدو الطاقة النووية بأنه ينبغي اعتبارها قابلة للتجديد.
يعتقد أولئك الذين يؤيدون المزيد من الطاقة النووية أنه حتى مع الاستثمار في طاقة الرياح والطاقة الشمسية والموارد المتجددة الأخرى، فإن الطاقة النووية ضرورية، لأنه بدونها لا يمكننا تقليل الانبعاثات بسرعة كافية لدرء أسوأ آثار تغير المناخ.
يقول منتقدو هذا النهج إن كلًا من تعدين وتكرير اليورانيوم وبناء محطات الطاقة النووية يتطلبان طاقة مكثفة، والجوانب السلبية الأخرى للطاقة النووية هي الكمية المحدودة من رواسب اليورانيوم على الكوكب وإنتاج النفايات الضارة من المفاعلات النووية.
لهذه الأسباب، تعتبر إدارة معلومات الطاقة الأمريكية أن الطاقة النووية مصدر طاقة غير متجدد.