أنواع الطاقة المختلفة

أشكال الطاقة المختلفة

تتواجد الطاقة في أشكال متعددة في العالم، بدءًا من الكائنات الحية وحتى الكواكب العملاقة، ويمكن أن تتحول من شكل لآخر. فيما يلي نلقي الضوء على أبرز هذه الأشكال:

الطاقة الميكانيكية

تُعرف الطاقة الميكانيكية (بالإنجليزية: Mechanical Energy) بأنها الطاقة الناتجة عن حركة الأجسام أو موقعها، حيث يمكن أن تتولد من كلا العنصرين. تُستخدم هذه الطاقة لإنجاز العمل، مثل كرة تُطلق من ارتفاع معين، حيث تمتلك طاقة ميكانيكية نتيجة لموقعها وسرعتها.

تنقسم الطاقة الميكانيكية إلى نوعين رئيسيين هما:

طاقة حركية.
طاقة وضع.

تُعرف طاقة الوضع بأنها الطاقة المخزنة في جسم ساكن نتيجة لموقعه، كإنسان يقف على ارتفاع معين أو كرة مرتفعة. أما الطاقة الحركية، فهي الناتجة عن تنقل الجسم أو حركته، مثل مركبة تسير بسرعة معينة أو شخص يتأرجح على أرجوحة.

بشكل عام، تكون طاقة الوضع صفر للجسم المتحرك، بينما تكون طاقة الحركة صفرًا للجسم الساكن، وترتبط هاتان الطاقتان علاقة رياضية تُحدد الطاقة الميكانيكية الكلية على النحو التالي:

الطاقة الميكانيكية = الطاقة الحركية + طاقة الوضع

وعبر الرموز:

ط م = ط ح + ط و

كما تُعبر كالتالي:

ط م = 1/2 × ك × ع² + ك × جـ × أ

وبالأحرف الإنجليزية:

M.E = K.E + P.E

وبالتالي:

M.E = 1/2 mv² + mgh

حيث أن:

ط م (M.E): الطاقة الميكانيكية، بوحدة الجول.
ط ح (K.E): الطاقة الحركية، بوحدة الجول.
ط و (P.E): طاقة الوضع، بوحدة الجول.
ك (m): كتلة الجسم، بوحدة كغ.
ع (v): سرعة الجسم، بوحدة م/ث.
أ (h): ارتفاع الجسم، بوحدة المتر.
جـ (g): تسارع الجاذبية الأرضية، بوحدة م/ث².

الطاقة الكهربائية

تعرف الطاقة الكهربائية (بالإنجليزية: Electrical Energy) بأنها الطاقة الناتجة عن حركة الإلكترونات المشحونة أثناء انتقالها عبر موصل. تستخدم الطاقة الكهربائية في العديد من التطبيقات اليومية، ومنها:

الإضاءة.
توليد الحرارة أو التبريد.
تشغيل الأجهزة الإلكترونية والآلات.

يمكن إنتاج الطاقة الكهربائية من خلال ثلاث طرق أساسية:

الوقود الأحفوري:

يعتبر المصدر الرئيسي للطاقة الكهربائية، حيث استخدم الغاز الطبيعي لإنتاج 40% من الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأميركية في عام 2020، إلى جانب الفحم والنفط.

الطاقة النووية:

تُعتمد هذه الطاقة على الانشطار النووي داخل محطات الطاقة النووية، حيث تمثل 20% من إجمالي الطاقة الكهربائية المنتجة في أمريكا بحلول عام 2020.

الطاقة المتجددة:

يمكن الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح والمياه، والتي تمثل 20% من الطاقة الكهربائية المنتجة في أمريكا حتى عام 2020.

الطاقة المغناطيسية

تنتج الطاقة المغناطيسية (بالإنجليزية: Magnetic Energy) نتيجة حركة الإلكترونات في اتجاه محدد، مثل اتجاهها من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي في المغناطيس.

يمكن التعبير عن الطاقة المغناطيسية من خلال اتجاه المجال المغناطيسي المنبعث من الأجسام الممغنطة، وهو المنطقة المحيطة بالمغناطيس، ويُشار إليه بخطوط وهمية تمثل اتجاهه وكثافته.

الطاقة الكهرومغناطيسية

تتداخل الطاقة الكهربائية مع المغناطيسية، ويمكن التعبير عنهما سوياً بمصطلح الطاقة الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic Energy) التي تجمعهما. تتنوع أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية باختلاف الطول الموجي والتردد، حيث تشمل:

موجات الراديو.
أشعة غاما.
الأشعة تحت الحمراء.
الأشعة فوق البنفسجية.
الموجات السينية.

الطاقة الكيميائية

تعرف الطاقة الكيميائية (بالإنجليزية: Chemical Energy) بأنها الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية للمركبات المختلفة. خلال التفاعلات الكيميائية الطاردة، ينبعث جزء من هذه الطاقة على شكل حرارة. تتحول الطاقة الكيميائية بشكل طبيعي إلى أشكال أخرى، كما يتضح في الجدول التالي:

أمثلة على تحويل الطاقة الكيميائية	طريقة التحويل
محطات توليد الكهرباء.	تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الفحم إلى طاقة كهربائية.
البطاريات من خلال التحليل الكهربائي.	تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
العمليات الحيوية في جسم الإنسان.	تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الطعام إلى طاقة حرارية وميكانيكية.
احتراق الخشب.	تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الأخشاب إلى طاقة ضوئية وحرارية.
انفجار الألعاب النارية.	ينتج عن التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة في الألعاب النارية 3 أنواع من الطاقة: الحرارية، الصوتية، والضوئية.
احتراق الغاز الطبيعي.	تتحول فيه الطاقة الكيميائية إلى طاقة ضوئية وحرارية.

تتحول الطاقة الكيميائية بصورة أساسية من شكل إلى آخر بعد حدوث التفاعلات الكيميائية، وتعتبر الطاقة الكيميائية المحرك الرئيس لهذه التفاعلات، حيث لا يمكن لتفاعل كيميائي أن يحدث دون وجود طاقة تُمتص أو تُنبعث.

يمكن تحديد وجود هذه الطاقة من خلال قياس الفرق بين المتفاعلات والنواتج باستخدام جهاز يسمى المسعّر.

الطاقة الحرارية

توجد الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal Energy) في جميع الأجسام، بغض النظر عن حالتها الفيزيائية (صلبة، سائلة، غازية). كل جسم يتكون من جزيئات صغيرة تُسمى ذرّات، التي تكون في حالة حركة دائمة مما يؤدي إلى تصادمات تُنتج الطاقة الحرارية.

تنتقل الطاقة الحرارية بطرق مختلفة، منها:

الحمل

حيث تنتقل الحرارة عبر السوائل والغازات بسبب فرق الكثافة بين الهواء البارد والسخن.

التوصيل

وتنتقل فيه الحرارة بين المواد الصلبة نتيجة لتقارب الذرّات وجزيئاتها من خلال التواصل المباشر.

الإشعاع

وهو الطريقة التي تسمح بانتقال الطاقة الحرارية عبر الأشعة والموجات دون الحاجة إلى جسيمات، حيث تنتشر بسرعة الضوء وفي جميع الاتجاهات.

تنتقل الحرارة بين الأجسام دائمًا من الجسم الأكثر حرارة إلى الأقل حرارة حتى الوصول إلى حالة التوازن الحراري. على سبيل المثال، عند وضع قطعة ثلج في سائل دافئ، تنتقل الحرارة من السائل إلى الثلج مما يؤدي إلى ذوبانه، بينما يتسبب الثلج في تبريد السائل.

تتجلى أهمية الطاقة الحرارية في مجالات متعددة مثل التدفئة والطهي والتجفيف والتصنيع وتسخين المياه، بالإضافة إلى عمليات التبريد وغيرها.

الطاقة الأيونية

تسمى الطاقة الأيونية أيضاً طاقة التأين (بالإنجليزية: Ionization Energy)، وهي الطاقة المطلوبة لإزالة الإلكترون من ذرة العنصر. تُقاس هذه الطاقة بوحدات الجول والإلكترون فولت.

تكون الطاقة الأيونية اللازمة لإزالة الإلكترون الأول أقل من تلك المطلوبة لإزالة الإلكترونات الأخرى. كلما زادت سهولة انتزاع الإلكترون، زادت نشاط العنصر كيميائيًا.

تدور الإلكترونات السالبة في مدارات حول النواة الموجبة، حيث يحافظ الترابط بين الإلكترونات والنواة على استقرار الذرة. تهدف الطاقة الأيونية إلى التغلب على هذا الترابط، مما يجعل الذرة تتحول إلى أيونات بشحنات.

الطاقة النووية

تعود تسميتها (الطاقة النووية) (بالإنجليزية: Nuclear Energy) إلى وجودها داخل أنوية الذرات، حيث تُعتبر طاقة ضخمة تساهم في تماسك هذه الأنوية. يمكن الاستفادة من هذه الطاقة في توليد الكهرباء دون الإضرار بالبيئة.

تشمل أمثلة الطاقة النووية:

الانشطار النووي (Nuclear Fission).
الاندماج النووي (Nuclear Fusion).
التحلل الإشعاعي (Nuclear Decay).

يتم استخدام عنصر اليورانيوم في محطات المفاعلات النووية لإنتاج الطاقة. تبدأ العملية بتفكك بعض ذرات اليورانيوم أثناء الانشطار، مما يؤدي إلى تفكك ذرّات أخرى في تفاعل متسلسل، مما ينتج طاقة حرارية تُستخدم في تحريك التوربينات لتوليد الكهرباء.

الطاقة الصوتية

تعتمد الطاقة الصوتية (بالإنجليزية: Sound Energy) على وسط تنتقل من خلاله على شكل موجات، فهي لا تسطيع الانتقال في الفراغ، بل يمكن أن تنتقل عبر الهواء أو الماء أو المعادن. تُنتج هذه الموجات من اهتزاز المواد نتيجة قوة ما.

تتأثر الطاقة الصوتية بالوسط الحامل، حيث تتقلص وتمتد، ويختلف تردد الموجات الصوتية مما يؤدي إلى تباينها. عند وصول هذه الموجات إلى الأذن، يتمكن الدماغ من تفسيرها. ومن أمثلة هذه الأصوات:

صوت الكلام أو الغناء.
صوت التصفيق.
أصوات الآلات الموسيقية.
صوت الألعاب النارية.
صوت مراوح التكييف.

تتسم الطاقة بأشكال متنوعة في العالم، بعضها ملحوظ والآخر غير مرئي، كما يمكن أن تتحول الطاقة من شكل إلى آخر، مثل تحول الطاقة الكيميائية في الغذاء إلى طاقة ميكانيكية تتيح الحركة أو طاقة حرارية للحفاظ على الدفء. ومن الأشكال الأخرى للطاقة هي الطاقة الميكانيكية، والطاقة الكهرومغناطيسية، والطاقة النووية، والطاقة الصوتية، والطاقة الأيونية وغيرها。