أنواع الطاقة المختلفة

أشكال الطاقة المختلفة

تتواجد الطاقة في أشكال متنوعة في الكون، بدءًا من الكائنات الحية وصولاً إلى الكواكب العملاقة، كما يمكن أن تتحول من نوع إلى آخر. فيما يلي بعض من أبرز هذه الأشكال:

الطاقة الميكانيكية

تتولد الطاقة الميكانيكية (بالإنجليزية: Mechanical Energy) في الأجسام نتيجة لحركتها أو موقعها، أو من كلا العاملين. تُستخدم هذه الطاقة لإنجاز أعمال معينة. على سبيل المثال، كرة تُلقى من ارتفاع معين تمتلك طاقة ميكانيكية ناتجة عن موقعها بالنسبة للأرض وسرعتها.

يمكن تصنيف الطاقة الميكانيكية إلى نوعين رئيسيين:

• الطاقة الحركية.
• طاقة الوضع.

طاقة الوضع تشير إلى الطاقة المخزنة في الجسم الساكن بفضل موقعه، مثل شخص يقف على ارتفاع معين أو كرة تٌلقى من ارتفاع معين. بينما تشير الطاقة الحركية إلى الطاقة الناتجة عن الحركة، كمركبة تسير بسرعة معينة أو شخص يتأرجح في أرجوحة بغض النظر عن اتجاه حركته.

عادةً ما تكون طاقة الوضع للجسم المتحرك صفرًا، بينما تكون طاقة الحركة للجسم الساكن أيضًا صفرًا. يُمكن حساب الطاقة الميكانيكية الكلية باستخدام الصيغة التالية:

الطاقة الميكانيكية = الطاقة الحركية + طاقة الوضع

وبالرموز:

ط م = ط ح + ط و

ومنها:

ط م= \( \frac{1}{2} \) * ك * ع² + ك * جـ * أ

وبالرموز الإنجليزية:

M.E = K.E + P.E

ومنها:

M.E = \( \frac{1}{2} \) mv² + mgh

حيث:

• 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

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

• الإضاءة.
• الحصول على الحرارة أو التبريد.
• تشغيل الأجهزة والآلات.

تنتج الطاقة الكهربائية من خلال ثلاث طرق رئيسية:

• الوقود الأحفوري

يُعتبر الوقود الأحفوري المصدر الأساسي لإنتاج الطاقة الكهربائية. على سبيل المثال، استُخدمت الغاز الطبيعي لتوليد 40% من الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2020، بالإضافة إلى الفحم والنفط.

• الطاقة النووية

يعتمد إنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية على عملية الانشطار النووي في المحطات النووية، حيث بلغت نسبة الطاقة الكهربائية المولدة بهذه الطريقة في أمريكا 20% بحلول عام 2020.

• الطاقة المتجددة

تعتمد الطاقة الكهربائية أيضًا على مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة المائية، والتي شكلت 20% من إجمالي الطاقة الكهربائية المولدة في أمريكا عام 2020.

الطاقة المغناطيسية

تنتج الطاقة المغناطيسية (بالإنجليزية: Magnetic energy) نتيجة لحركة الإلكترونات في اتجاه معين، كأن تنتقل من القطب الشمالي إلى الجنوبي في المغناطيس.

يمكن التعبير عن الطاقة المغناطيسية من خلال اتجاه المجال المغناطيسي المنبعث من الأجسام الممغنطة، حيث يُعتبر المجال المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بالمغناطيس، والتي تُعبر عنها خطوط وهمية تشير إلى اتجاهها وكثافتها.

الطاقة الكهرومغناطيسية

تتداخل الطاقة الكهربائية مع المغناطيسية بشكل وثيق، ويمكن الإشارة إليهما معًا بمصطلح الطاقة الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic energy)، التي تتنوع أشكالها وفقًا للطول الموجي والتردد.

تشمل أشكال الإشعاعات الكهرومغناطيسية:

• 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. أثناء التفاعلات الكيميائية الطاردة، يُطلق جزء من هذه الطاقة على شكل حرارة، وتتحول الطاقة الكيميائية عادة إلى أشكال أخرى، كما في الجدول التالي:

تتحول الطاقة الكيميائية من شكل إلى آخر بعد حدوث التفاعلات الكيميائية، وتعتبر هي المحرك الأساسي لهذه التفاعلات، حيث لا يمكن حدوث تفاعل كيميائي دون وجود طاقة يتم امتصاصها أو إصدارها. يُمكن قياس هذه الطاقة عن طريق تحديد الفرق بين المتفاعلات والنواتج باستخدام جهاز يسمى المسعّر.

الطاقة الحرارية

تتواجد الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal energy) في جميع الأجسام، بصرف النظر عن حالتها الفيزيائية (صلبة، سائلة، غازية)، حيث تتكون الأجسام من جزيئات صغيرة تعرف بالذرات التي تكون في حالة حركة دائمة، مما يؤدي إلى التصادمات التي تنتج الطاقة الحرارية.

تنتقل الطاقة الحرارية بطرق مختلفة، منها:

• الحمل

حيث تنتقل الحرارة بين السوائل والغازات عن طريق فرق الكثافة بين الهواء البارد والساخن.

• التوصيل

يتيح انتقال الحرارة بين المواد الصلبة نتيجة القرب من بعضها البعض والتواصل المباشر.

• الإشعاع

يتم انتقال الطاقة الحرارية عبر الأشعة والموجات دون الحاجة إلى جسيمات، حيث تنتقل بسرعة الضوء وفي جميع الاتجاهات.

تنتقل الحرارة من الأجسام الأكثر حرارةً إلى الأقل حرارةً حتى الوصول إلى حالة توازن حراري. على سبيل المثال، عند وضع قطعة ثلج في سائل ساخن، ستنتقل الحرارة من السائل إلى الثلج مما يؤدي إلى ذوبانه.

تلعب الطاقة الحرارية دورًا مهمًا في العديد من مجالات الحياة، مثل التدفئة، والطبخ، والتجفيف، والتصنيع، وتسخين المياه، وغيرها الكثير.

الطاقة الأيونية

تعرف الطاقة الأيونية (بالإنجليزية: Ionization energy) بأنها الطاقة المطلوبة لإزالة إلكترون من ذرة العنصر، حيث تُقاس بالجول والإلكترون فولت. الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون الأول أقل من تلك المطلوبة لإزالة إلكترونات أخرى، وكلما كانت إزالة الإلكترون أسهل، كان العنصر أكثر نشاطًا كيميائيًا.

تدور الإلكترونات السالبة حول النواة الموجبة الشحنة في مدارات محددة، حيث يقوم الارتباط بين الإلكترونات والنواة بالحفاظ على الذرات. تهدف الطاقة الأيونية إلى التغلب على هذا الارتباط بين الإلكترون الأبعد والنواة، مما يتسبب في تحويل الذرات إلى أيونات ذات شحنات، ومن هنا جاءت تسميتها بالطاقة الأيونية.

الطاقة النووية

تمثل الطاقة النووية (بالإنجليزية: Nuclear energy) الطاقة الموجودة داخل أنوية الذرات، وهي طاقة هائلة تساعد في ربط هذه النوى معًا. يمكن الاستفادة منها توليد الطاقة الكهربائية بشكل أساسي واستخدامها لتزويد المباني بالكهرباء اللازمة. ومن الأمثلة على الطاقة النووية:

• الانشطار النووي (Nuclear fission).
• الاندماج النووي (Nuclear fusion).
• التحلل الإشعاعي (Nuclear decay).

يستخدم عنصر اليورانيوم بشكل أساسي في محطات المفاعلات النووية. يحدث الانشطار النووي عندما تتفكك بعض ذرات اليورانيوم، مما يؤدي إلى تفكك ذرات أخرى في سلسلة تفاعل تُطلق طاقة حرارية، تُستخدم لاحقًا لتحريك العنفات أو التوربينات لتوليد الكهرباء.

الطاقة الصوتية

تتطلب الطاقة الصوتية (بالإنجليزية: Sound energy) وسطًا للانتقال، ولا تستطيع الانتقال عبر الفراغ. يمكن أن تنتقل عبر الهواء، أو الماء، أو حتى المعادن. تنتج هذه الموجات عن اهتزاز المواد بفعل قوة ما، وتُعرف هذه الموجات بالموجات الصوتية.

تتأثر الطاقة الصوتية بالوسط الحامل لها من حيث التقلص والامتداد، وتختلف ترددات الموجات الصوتية، مما يؤدي إلى تنوع الأنماط الصوتية. عند وصول هذه الموجات إلى الأذن، تُرسل إشاراتها إلى الدماغ الذي يقوم بترجمتها. ومن الأمثلة على الأصوات:

• الصوت الناتج عن الكلام أو الغناء.
• صوت التصفيق.
• أصوات الآلات الموسيقية.
• صوت الألعاب النارية.
• الصوت الناتج عن مراوح التكييف.

تتنوع أشكال الطاقة في هذا العالم، حيث يمكن ملاحظتها أو قد تكون مخفية. يمكن أيضًا أن تتحول من نوع إلى آخر، كبروز تأثير الطاقة الكيميائية في الطعام إلى طاقة ميكانيكية تمكن الإنسان من الحركة، أو طاقة حرارية تمدها بالدفء. تشمل الأشكال الأخرى للطاقة: الطاقة الميكانيكية التي تجمع بين طاقتي الوضع والحركة، والطاقة الكهرومغناطيسية التي تدمج بين الكهربائي والمغناطيسي، بالإضافة إلى الطاقة النووية، والصوتية، والأيونية، وغيرها.