ما هي أنواع الطاقة المختلفة؟
تتنوع أشكال الطاقة في العالم، بدءًا من الكائنات الحية وصولًا إلى الكواكب العملاقة. كما يمكن الطاقة أن تتحول من شكل إلى آخر، وفيما يلي أبرز أنواعها:
الطاقة الميكانيكية
الطاقة الميكانيكية (بالإنجليزية: Mechanical Energy) تنشأ في الأجسام نتيجة لحركتها أو موقعها، ويمكن أن تتولد من كلا العنصرين. تُستخدم لإجراء شغل، على سبيل المثال، كرة ملقاة على ارتفاع معين فوق سطح الأرض تمتلك طاقة ميكانيكية ناتجة عن موقعها بالنسبة للأرض ولأنها تتحرك بسرعة محددة.
تنقسم الطاقة الميكانيكية إلى نوعين رئيسيين:
- الطاقة الحركية.
- طاقة الوضع.
طاقة الوضع تعتبر الطاقة المخزنة في الجسم الثابت نتيجة لموقعه، كالشخص القائم على ارتفاع معين أو الكرة التي تطير في ارتفاع محدد. بينما الطاقة الحركية تتعلق بالتغيير في موقع الجسم أو حركته، مثل المركبة التي تسير بسرعة معينة أو الشخص الذي يتأرجح في أرجوحة بغض النظر عن اتجاه حركته.
عادةً ما تكون طاقة الوضع للجسم المتحرك صفر، في حين تكون طاقة الحركة للجسم الساكن صفرًا أيضًا. ويمكن التعبير عن العلاقة الرياضية التي تربط بينهما كما يلي:
الطاقة الميكانيكية = طاقة الحركية + طاقة الوضع
وبالرموز:
ط م = ط ح + ط و
وهذا يمكن استخدامه في الصيغة التالية:
ط م= 1/2× ك× ع² + ك× جـ × أ
باستخدام الرموز الإنجليزية:
M.E = K.E + P.E
وبتعبير آخر:
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) على أنها الطاقة الناتجة عن حركة الإلكترونات التي تنتقل خلال موصل من نقطة إلى أخرى. تدخل الطاقة الكهربائية في مجموعة متنوعة من التطبيقات اليومية، منها:
- الإضاءة.
- توليد الحرارة أو التبريد.
- تشغيل الآلات والأجهزة الإلكترونية.
تُنتج الطاقة الكهربائية من خلال ثلاث طرق رئيسية:
- الوقود الأحفوري
يُعتبر الوقود الأحفوري المصدر الرئيسي للطاقة الكهربائية، حيث على سبيل المثال، تم استخدام الغاز الطبيعي لتوليد 40% من الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأمريكية عام 2020. أيضاً، يُستخدم الفحم والنفط لهذا الغرض.
- الطاقة النووية
يعتمد إنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية على حدوث انشطار النووي في محطات الطاقة النووية، وقد بلغت نسبة الطاقة الكهربائية المولدة بهذه الطريقة في الولايات المتحدة 20% بحلول عام 2020.
- الطاقة المتجددة
يمكن الاعتماد على الطاقة المتجددة، مثل الشمس والرياح والمياه، لتوليد الطاقة الكهربائية، حيث شكل هذا النوع 20% من الطاقة الكهربائية المولدة في الولايات المتحدة عام 2020.
الطاقة المغناطيسية
تنتج الطاقة المغناطيسية (بالإنجليزية: Magnetic energy) من حركة الإلكترونات في اتجاه معين، كما يحدث عندما تتحرك من القطب الشمالي إلى الجنوبي للمغناطيس.
يمكن وصف الطاقة المغناطيسية عبر اتجاه المجال المغناطيسي الذي يتدفق من الأجسام الممغنطة. المجال المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بالمغناطيس، ويتم التعبير عنه بخطوط خيالية لا تتقاطع، تعكس اتجاهه وكثافته.
الطاقة الكهرومغناطيسية
ترتبط الطاقة الكهربائية بالمغناطيسية بشكل وثيق، حيث يمكن التعبير عنهما بمصطلح واحد هو الطاقة الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic energy) التي تشمل كلا النوعين. تتنوع أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية وفقًا للطول الموجي والتردد.
وتظهر إشعاعات الموجات المغناطيسية في أشكال متنوعة، منها:
- 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، وخلال التفاعلات الكيميائية الطاردة، يتم إطلاق جزء من هذه الطاقة على شكل حرارة. كما أن الطاقة الكيميائية يمكن أن تتحول بشكل طبيعي إلى أشكال أخرى، كما هو موضح في الجدول أدناه:
| 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 من الغذاء إلى طاقة حرارية وميكانيكية. |
| احتراق الخشب. | تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الأخشاب إلى طاقة ضوئية وحرارية. |
| انفجار الألعاب النارية. | تولد الطاقة بسبب التفاعلات الكيميائية المتصاعدة للحرارة، حيث تنشأ ثلاثة أنواع من الطاقة: طاقة حرارية وصوتية وضوئية. |
| احتراق الغاز الطبيعي. | تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ضوئية وحرارية. |
تتحول الطاقة الكيميائية بشكل أساسي من شكل إلى آخر بعد التفاعلات الكيميائية، وتعد الطاقة الكيميائية المسبب الرئيسي لهذه التفاعلات، حيث لا يمكن أن تحدث أي تفاعل كيميائي دون وجود طاقة تُمتص أو تُنبعث.
يمكن قياس وجود هذه الطاقة من خلال قياس الفرق بين المتفاعلات والنواتج باستخدام جهاز يسمى المسعر.
الطاقة الحرارية
توجد الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal energy) في جميع الأجسام بغض النظر عن حالتها الفيزيائية سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية. يتكون كل جسم من جزيئات صغيرة تعرف بالذرات، التي تكون في حركة مستمرة، مما يؤدي إلى الاصطدامات التي تنتج الطاقة الحرارية.
تنتقل الطاقة الحرارية بطرق مختلفة، منها:
- الحمل
وهي طريقة لانتقال الحرارة بين السوائل والغازات، وتعتمد على اختلاف الكثافة بين الهواء البارد والساخن.
- التوصيل
وهي طريقة لانتقال الحرارة بين المواد الصلبة نتيجة لتقارب جزيئاتها وتواصلها المباشر.
- الإشعاع
هي طريقة تسمح بانتقال الطاقة الحرارية عبر الأشعة والموجات دون الحاجة إلى جسيمات، وتحدث بسرعة الضوء وفي جميع الاتجاهات.
تنتقل الحرارة بين الأجسام من الجسم الأكثر حرارة إلى الأقل حرارة حتى الوصول إلى حالة التوازن الحراري. على سبيل المثال، عند وضع قطعة من الثلج في سائل، ستنتقل الحرارة من السائل إلى الثلج مما يؤدي إلى ذوبانه، وتسبب الثلج في تبريد السائل.
تُعتبر الطاقة الحرارية ذات أهمية كبيرة في العديد من مجالات الحياة، مثل التدفئة والطهي والتجفيف والتصنيع وتدفئة المياه وعمليات التبريد.
الطاقة الأيونية
تعرف الطاقة الأيونية أيضاً بطاقة التأين (بالإنجليزية: Ionization energy)، وهي الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من ذرة العنصر. القياس الشائع لها هو الجول والإلكترون فولت.
تكون الطاقة الأيونية المطلوبة لإزالة الإلكترون الأول أقل من الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترونات التالية، مما يعني أن العنصر يصبح أكثر نشاطًا كيميائيًا كلما كان انتزاع الإلكترون أسهل.
تدور الإلكترونات السالبة في مدارات محددة حول النواة الموجبة الشحنة، ويرتبط هذا الترابط بين الإلكترونات والنواة بتماسك الذرة، وتهدف الطاقة الأيونية إلى التغلب على هذا الربط]
الطاقة النووية
سُميت الطاقة النووية (بالإنجليزية: Nuclear energy) بهذا الاسم لأنها موجودة داخل أنوية الذرات، وهي طاقة هائلة تسهم في تماسك هذه النوى معًا. ولكن يجب إطلاق هذه الطاقة للاستفادة منها في توليد الطاقة الكهربائية، والتي تستخدم لتزويد المباني والمنشآت بالكهرباء، بأسلوب لا يضر بالبيئة.
من أمثلة الطاقة النووية:
- الانشطار النووي (Nuclear fission).
- الاندماج النووي (Nuclear fusion).
- التحلل الإشعاعي (Nuclear decay).
يُعد عنصر اليورانيوم المصدر الأساسي في محطات المفاعل النووي، حيث يبدأ التفاعل بانشطار بعض ذرات اليورانيوم، مما يُسبب تفكك ذرات أخرى، وهو ما يُعرف بالتفاعل المتسلسل، وينجم عنه طاقة حرارية تستخدم بعد ذلك في تحريك التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية.
الطاقة الصوتية
الطاقة الصوتية (بالإنجليزية: Sound energy) تحتاج إلى وسط تنتقل من خلاله على شكل موجات، ولا يمكن أن تنتقل عبر الفراغ، بل تنتقل عبر الهواء أو الماء أو حتى المعادن. تنتج هذه الموجات عن اهتزاز المواد بفعل قوة مؤثرة، وتسمى هذه الموجات بالموجات الصوتية.
تتأثر الطاقة الصوتية بخصائص الوسائط التي تحملها، وقد تتقلص وتتوسع، وتختلف ترددات الموجات الصوتية، وعند وصول هذه الموجات إلى الأذن، يتمكن الدماغ من تفسيرها، ومن أمثلة الأصوات:
- الصوت الناتج عن الكلام أو الغناء.
- صوت التصفيق.
- أصوات الآلات الموسيقية.
- صوت الألعاب النارية.
- الصوت الناتج عن مراوح التكييف.
تظهر أشكال الطاقة المختلفة في العالم، فبعضها واضح للعيان بينما بعضها الآخر غير مرئي، كما يمكن أن تتحول الطاقة من شكل إلى آخر، مثل تحول الطاقة الكيميائية في الغذاء إلى طاقة ميكانيكية تحرك الإنسان، أو طاقة حرارية تمده بالدفء. تشمل الأشكال الأخرى للطاقة: الطاقة الميكانيكية التي تجمع بين طاقتي الوضع والحركة، والطاقة الكهرومغناطيسية التي تضم الكهربائية والمغناطيسية، بالإضافة إلى الطاقة النووية، والصوتية، والأيونية، وغير ذلك.
