[عادل الثبيتي]

مقدمة عن الطاقة
الطاقة هي أحد المقومات الرئيسية للمجتمعات المتحضرة ، وتحتاج إليها كافة قطاعات المجتمع بالإضافة إلى الحاجة الماسة إليها في تسيير الحياة اليومية ، إذ يتم استخدامها في تشغيل المصانع وتحريك وسائل النقل المختلفة وتشغيل الأدوات المنزلية وغير ذلك من الأغراض . وكل حركة يقوم بها الإنسان تحتاج إلى استهلاك نوع من أنواع الطاقة ويستمدَّ الإنسان طاقته لإنجاز أعماله اليدوية والذهنية من الغذاء المتنوع الذي يتناوله كل يوم ، إذ يتمّ حرق الغذاء في خلايا الجسم ويتحول إلى طاقة . ويمكن تعريف الطاقة بأنها قابلية إنجاز تأثير ملموس (شغل) . وهي توجد على عدة أنواع منها طاقة الريح ، وطاقة جريان الماء ومسا قطها . ويمكن أن تكون الطاقة مخزونة في مادة كالوقود
التقليدي (النفط ، الفحم، الغاز) . ويمكن ، من الناحية التقنية ، تعريف الشغل بأنه تحريك جسم بقوه
معينة مسافة معينة في اتجاه مواز لاتجاه القوة وعليه فإن : الشغل = القوه × المسافة ووحدات القوه
هنا هي النيوتن (N) ووحدات المسافة المتر (m) : وعليه ستكون وحدات الشغل هي (N.m) أو جول
(Joule) حيث أن النيوتن يُعرف بأنه القوة التي تقوم بتسريع كيلوغرام واحد (kg) بمعدل 1 متر في الثانية لكل ثانية
(ms-2) .
والطاقة كمية محدودة مجموعها في الكون ثابت . والطاقة لا تفنى ولا تستحدث ، ولكنها تتحول من شكل إلى آخر مثل تحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية أو ميكانيكية ، أو تحويل الطاقة الكيميائية إلى حرارة . وإذا كانت كمية الطاقة الناتجة من عملية ما (الطاقة الكهربائية مثلاً) هي أقل من كمية الطاقة
المستخدمة (كالوقود مثلاً) فهذا يعني أن بعض الطاقـة قـد تم فقده إذ تحول إلى شكل آخر (كالحرارة المهدورة) ، وهذا هو المبدأ الذي ينص على أن الطاقـة دائماً محفوظـة وهو ما يسمى بالقانـون الأول للديناميكا الحرارية (First law of thermodynamic) . وإذا كانت كمية الطاقـــة ثابتـــة دائمــاً
كما ذكرنــا سابقــاً، فكيف يمكن استهلاكها ؟ الجواب عن ذلك هو أننا لا نستهلك الطاقة وإنما نحولها من شكل إلى آخر . نحن نستهلك الوقود الموجود في الطبيعة ونقوم بحرقه في مكائن الاحتراق الداخلي، ويتم تحويل طاقته الكيميائية إلى حرارة ومن ثم إلى طاقة حركية لتحريك العربات. كما أن طاقة الرياح تقوم بتحويل طاقة الهواء الحركية إلى طاقة كهربائية تقوم بتشغيل المصابيح التي تشع طاقة ضوئية ،أو تنتج طاقة ميكانيكية كضخ المياه أو طحن الحبوب . كما أن الغابات تنمو أيضاً بتحويل طاقة الإشعاعالشمسي إلى طاقة كيميائية تعمل على نمو خلايا النباتات .
وتتوفر الطاقة على أشكال مختلفة يمكن حصرها بأربعة مستويات رئيسية هي :

أولا : الطاقة الحركية (Kinetic Energy)
الطاقة الحركية الدافعة لأي جسم متحرك يمكن أن تمثل بالمعادلة التالية:
الطاقة الحركية = ½ × الكتلة × مربع السرعة ، ووحدات الطاقة الحركية هي نفس الوحدة لكل أنواع الطاقة وهي "الجول"
(Joule) ، ووحدات الكتلة هي الكيلوغرام (Kg) ، ووحدات السرعة هي :
المتر/الثانيةm/sec . ½ mV2 = Ek
إن الطاقة هي التي تجعل الأشياء دافئة ، فالمواد تتكون من ذرات ، ومجموع الذرات تسمى الجزيئات . وفي غاز ، كالهواء المحيط بنا مثلاً ، فإن هذه الجزيئات تتحرك بحرية . ولكن في السوائل والمواد الصلبة فإن الحركة تكون مقيدة نسبياً . وكل جزء أو جسيم يتذبذب بشكل ثابت . والطاقة الحرارية (الحرارة) هي اسم أعطي للطاقة الحركية التي تنتج عن حركة الجزيئات العشوائية السريعة ، وكلما كانت الحرارة أكبر كانت السرعة أعلى .

الحرارة ودرجة الحرارة
يمكن توضيح معنى الحرارة بما يلي : عندما تتلامس جزيئات سريعة الحركة من مادة دافئة أو حارة معجزيئات أقل منها سرعة من مادة أقل حرارة فإن التصادم بين هذه الجزيئات سيزيد من سرعة الجزيئات البطيئة ويقلل من سرعة الجزيئات السريعة ، وعليه يمكن توضيح الطاقة الحركية بأنها سريان حراري يتجه من الجزء الحار (ذي السرعة العالية) إلى الجزء البارد (ذي السرعة القليلة) . إن اتجاه سريان الحرارة يزودنا بإمكانية تعريف المقياس النسبي للحرارة أو ما يسمى بدرجة الحرارة
(Temperature) . فدرجة الصفر في مقياس درجة الحرارة في سلم Celsus تتوافق مع السكونالتام في حركة الجزيئات (جزيئات ساكنةً) وهي موافقة لحالة التجمد في الماء ، ودرجة 100 مئوية
موافقة لحالة غليان الماء . إن الوحدات الشائعة الاستخدام في هذا المجال هي الدرجة المئوية (Co)
ودرجة كلفن (Ko) والعلاقة التي تربطهما هي :
درجة الحرارة (Ko) = درجة الحرارة المئوية (Co + 273)

ثانيا : الطاقة الكامنة (Gravitational Energy Or Potential Energy)
وهي الطاقة المبذولة اللازمة لرفع جسم ، وذلك لكون الجاذبية الأرضية تعاكس هذا الفعل . فعند رفع أي جسم ، سواءً كان تفاحة ، لارتفاع معين ، أو عند رفع عدة آلاف الأطنان من الماء إلى مستوى أعلى ، فإنه سيتم خزن طاقة في ذلك ، وفي هذه الحالة يمكن تسميتها بطاقة الجاذبية الكامنة (وتسمى دائماً الطاقة الكامنة). إن قوة الجاذبية لسحب أي جسم إلى الأرض تسمى وزن الجسم ،
ويساوي حاصل ضرب كتلته (m) في تعجيل الجاذبية الأرضية (g = 9.81ms-2) . وعليه فإن
الطاقة الكامنة اللازمة لرفع أي جسم إلى ارتفاع معين يمكن حسابها من المعادلة التالية :
الطاقة الكامنة = القوة × المسافة = الوزن × الارتفاع = mgh . ووحدات الطاقة هي الجول (J) ،
ووحدات القوه هي النيوتن (N) ، ووحدات الكتلة هي الكيلوغرام (Kg) ، ووحدات الارتفاع هي المتر
(m) .

ثالثا : الطاقة الكهربائية (Electrical Energy)
إن قوى الجاذبية هي أكثر القوى وضوحاً عندنا ، فهي تؤثر في الأجسام بشكل ملموس ، لكنها ليست هي الوحيدة التي تنفرد بهذا الوضوح فالطاقة الكهربائية (Electrical Energy) هي قوة واضحة جداً ، وهي أكبر من الجاذبية تأثيراً بحوالي مئات المرات. فالقوى الكهربائية هي التي تربط الذرات والجزيئات للمواد ولكنها لا يمكن إدراكها بالعين المجردة . فكل ذرة تتكون من أجزاء مشحونة كهربائياً ، فالإلكترونات تدور حول مركز النواة ، وعندما تجتمع الذرات لتكوين جزيئات أو مواد صلبة فان توزيع
الإلكترونات يتغير . وفي معظم الأحيان يكون التغير كبيراً جداً ولهذا فإن الطاقة الكيميائية المنظورة على مستوى الذرات هي شكل من أشكال الطاقة الكهربائية . فعندما يتم حرق الوقود فإن الطاقة
الكيميائية التي تحتويها ستتحول إلى طاقة حرارية. ومن البديهي أن الطاقة الكهربائية التي تتحرر نتيجة
تبدل مواضع إلكترونات الذرة تتحول إلى طاقة حركية في جزيئات المنتج المحترق . والشكل المألوف من أشكال الطاقة الكهربائية هو القوه الكهربائية التي نستخدمها في حياتنا اليومية . فالتيار الكهربائي هو عبارة عن تيار منتظم من الإلكترونات في المادة ، وفي معظم الأحيان تكون هذه المادة معدناً
(metal) ، والمعادن هي مواد يتم فيها تحرر إلكترون واحد أو اثنين من ذراتها . وبوجود هذه الإلكترونات المتحررة يمكن لهذه المعادن حمل التيار الكهربائي . ولضمان مرور تيار كهربائي بصورة دائمة فإنه ينبغي توفر طاقة مستمرة لأن الإلكترونات ستفقد طاقة عند اصطدامها . ولهذا فان ازدياد
الطاقة الحركية في المعدن هو الذي يرفع درجة حرارة الأسلاك التي تحمل التيار الكهربائي . والبطارية تستخدم الطاقة الكيميائية المخزونة لتوفير الطاقة إلى الدوائر الكهربائية في الأجهزة .
وتحتاج محطات توليد الطاقة الكهربائية إلى عمليات متتالية في تحويل الطاقة . فإذا كان الوقود هوالطاقة المستخدمة فإن الخطوة الأولى ستكون حرقه واستخدام الحرارة الناتجة عنه لإنتاج بخار أو غاز ساخن ، وهذا البخار أو الغاز سيقوم بتدوير التوربينات (العنفات) التي بدورها تقوم بتدوير المولدات الكهربائية .
وهناك شكل آخر من أشكال الطاقة الكهربائية يكون على شكل إشعاع الكترومغناطيسي (كهرمغناطيسي) أو ما يسمى بالطاقة الكهرمغناطيسية ، وهي على شكل إشعاع شمسي يصل إلى سطح
الأرض . وتشع الطاقة الكهرمغناطيسية من كل جسم متوهج كالشمس بكمية كبيرة أو قليلة ، وتنتقل على شكل موجات تحمل طاقة خلال الفراغ . وطول الموجة يوضح مقدار طاقتها ونوعها . وهذه الموجات الحاملة للطاقة تتضمن التالي : الأشعة السينية
(X-rays) ، والأشعة فوق البنفسجية (Ultraviolet) ، والأشعة تحت الحمراء (Infrared radiation) ، والأمواج المايكروية أو الدقيقـة (Microwaves) ، والأمواج الراديوية
(Radio waves) ، بالإضافة إلى حزم قليلة من
الأمواج التي تستطيع العيــن المجردة إبصارها (رؤيتها)، والتــي تسمى بالأشعة المرئيــة (Visible Waves) .

رابعا : الطاقة النووية (Nuclear Energy)
هذا النوع من الطاقة هو ما يتعلق بمركز النواة والذي يسمى بالطاقة الذرية أو النووية . لقد تم تطويرهذه التكنولوجيا خلال الحرب العالمية الثانية لأغراض عسكرية . وتستخدم الآن أيضاً لأغراض سلمية مثل توليد الطاقة الكهربائية . وتعمل محطات الطاقة الكهربائية التي تستخدم الوقود النووي بنفس الطريقة التي تعمل بها محطات الوقود التقليدي مع فرق يتمثل في أنّ أفران حرق الوقود يتم استبدالها بمفاعل نووي لتوليد الحرارة .