مقاربة كيفية لطاقة جملة وإنحفاظها
- ماذا نعني بعبارة انسان يملك طاقة ؟
- ماذا نقصد بالطاقة في المجال الاقتصادي ؟
- مالمقصود بالطاقات المتجددة ؟
- من الأمثلة السابقة هل يمكن اعطاء مفهوم للطاقة فيزيائيا ؟
- الانسان فائق النشاط والحيوية .
- نقصد بها الثروات الطبيعية كالغاز والبترول ........
- نقصد بها الطاقة الشمسية ، طاقة الرياح ، الطاقة المائية .....
- الطاقة في الفيزياء مقدار كمي تقاس به شدة تفاعلات الظواهر الفيزيائية ، ويختلف التعبير عن هذه التفاعلات حسب التحويلات .
من أجل تحريك عربة صغيرة نقوم بالأنشطة التالية :
نشاط 01 ( تحريك عربة ) |
نشاط02 ( تحريك عربة ) |
- الجملة مكونة من ثلاثة عناصر هي : اليد لجر العربة ، الخيط لسحب العربة ،العربة تتحرك . نتيجة : نستنتج أننا قمنا بفعل مباشر ( تحريك العربة ) |
- الجملة مكونة من عدة عناصرهي : العمود لتغذية المحرك ، المحرك يدور ويعمل على تحريك العربة ، العربة تتحرك . نتيجة : نستنتج أننا قمنا بفعل غير مباشر ( تحريك العربة ) |
يمكن تحقيق نفس الوظيفة ( الفعل ) بوسائل مختلفة وبطريقة مباشرة أو غير مباشرة .
نشاط 01 ( تسخين الماء ) |
نشاط02 ( إشعال مصباح ) |
- ضع كمية من الماء في وعاء وعرضها لأشعة الشمس . ماذا تلاحظ ؟ وماذا تستنتج ؟ نلاحظ وبعد لمس الماء أنه يسخن . نتيجة : نستنتج أن أشعة الشمس قامت بوظيفة تسخين الماء . |
- نسقط أشعة الشمس على لوح مزود بخلايا شمسية موصولة بمصباح في غرفة . ماذا تلاحظ ؟ وماذا تستنتج ؟ نلاحظ توهج المصباح وإضاءة الغرفة . نتيجة : نستنتج أن أشعة الشمس قامت بوظيفة إشعال المصباح وتوهجه . |
يمكن تحقيق عدة وظائف ( أفعال ) بنفس الوسيلة وبطريقة مباشرة أو غير مباشرة .
وهي تمثيلات رمزية تعبر عن الحصول على الفعل النهائي في تركيب ما ، وهذه التمثيلات تكون مرفوقة بألفاظ معينة وبيانات محددة لتقريب الفهم وتسهيل الدراسة .
يمكن تمثيل سلسلة وظيفية كمايلي :
- تمثيل أجسام الجملة بفقاعات يكتب بداخلها اسم الجسم .
- يكون تمثيل الأجسام متسلسلا .
- يرفق كل جسم بفعل حالة يعبر عن حالته ودوره في التركيب .
- يرفق كل سهم يربط بين جسمين بفعل أداء يعبر عن ما يقدمه جسم لجسم أخر .
نعبر عن السلسلة الوظيفية بالمخطط التالـي :
- توهج مصباح بواسطة عمود كهربائي .
- سحب عربة باليد .
في كل الانشطة السابقة وعند تحليلها فهي تعبر عن تحول للطاقة من جسم لاخر وبطرق مختلفة تدعى نمط التحويل ، وبالتالي تظهر الطاقة في أشكال مختلفة ، وعلى هذا الأساس يمثل هذا التحول للطاقة بسلسلة تسمى السلسلة الطاقوية .
تمثل السلسلة الطاقوية كمايلي :
- نعوض في السلسلة الوظيفية أفعال الأداء بأنماط التحويل .
- نعوض أفعال الحالة بأشكال الطاقة .
تقسم أنماط التحويل الى أربعة :
- نمط تحويل ميكانيكي ( Wm ) .
- نمط تحويل كهربائي ( We ) .
- نمط تحويل حراري (Q ) .
- نمط تحويل اشعاعي (Er ) .
هناك ثلاثة أنواع للطاقة :
- طاقة حركيـة ( Ec ) .
- طاقة كامنـة ( Ep ) .
- طاقة داخلية ( Ei ) .
نعبر عن السلسلة الطاقوية بالمخطط التالـي :
نرمز للتحويل الطاقوي المفيد بين جملتين بسهم مستمر ، ونرمز للتحويل الطاقوي غير المفيد بسهم متقطع بين الجملتين .
مثل السلاسل الوظيفية و الطاقوية للجمل التالية :
الجملـة هي عبارة عن جسم أو مجموعة من الأجسام تحدّد قصد دراستها ، كل الأجسام الأخرى التي لم تأخذ بعين الاعتبار مع الأجسام التي حـدّدت لتشكيل الجملـة المدروسة تعتبـر وسط خارجي .
الأشكـال الثلاثـة للطاقـة المخزنـة في جملـة :
نشاط ( 01 ) ( الكتاب المدرسي ص 16 )
الطاقة الحركية هي الطاقة التي تكتسبها الأجسام نتيجة حركتها .
نشاط ( 02 ) ( الكتاب المدرسي ص 16 )
الطاقة الحركية لجسم تتعلق بسرعته ( v ) .
نشاط ( 03 ) ( الكتاب المدرسي ص 16 )
الطاقة الحركية لجسم تتعلق بكتلته (m) .
إذا تحرك جسم في مرجع معين فانه يملك طاقة نسميها طاقة حركية ونرمز لها بالرمز ( Ec ) ، وتتعلق بسرعة وكتلة الجسم المتحرك ، وكلما زادت سرعته أو كتلته زادت الطاقة الحركية .
- نقـول عن جملـة أنها تملك طاقـة كامنة إذا كان بإمكانها القيام بحركة مهما كان نوعها وهذا عند تركهـا حرة لحالهـا ، وبالتالي تتغير الأوضاع النسبية الموجودة بين مختلف العناصر التي تشكل هذه الجملـة.
- نقـول إذن لكي تظهر الطاقـة الكامنـة التي تكون مخزنة في جملـة ، ينبغي أن تكون هذه الأخيرة قابلـة للتشـوه.
عندما نسقط كرة كتلتها ( m ) من ارتفاع ( h ) عن سطح الأرض دون سرعة ابتدائية فإنها لحظة الاصطدام بالأرض تمتلك سرعة ( v ) وبالتالي تكتسب طاقة حركية ( EC ) وتترك أثر معين في مكان السقوط ، ومنه نستنتج أن الكرية في الوضع الابتدائي كانت تمتلك طاقة تسمى طاقة كامنة ثقالية ونرمز لها بالرمز ( Epp ) .
نسقط نفس الكرة السابقة من ارتفاع أكبر من الارتفاع الأول ، فنلاحظ أنها تصل الى الأرض بسرعة أكبر وتترك أثر أكبر من الأول وعليه الكرية كان لها طاقة كامنة ثقالية أكبر في الوضع الابتدائي والتي تحولت كليا الى طاقة حركية لحظة الاصطدام بالارض ، ومنه نستنتج أن الطاقة الكامنة الثقالية تتعلق بارتفاع الكرية عن سطح الارض .
نعيد نفس التجربة السابقة وذلك بإسقاط كرتين مختلفتين في الكتلة من نفس الارتفاع فنلاحظ أن الكرية ذات الكتلة الأكبر تحدث تشوها أكبر في مكان السقوط .
ومنه نستنتج أن الجملة ( الكرية الأكبر + الأرض ) تمتلك في الوضع الابتدائي طاقة كامنة ثقالية أكبر أي أنها تتعلق بكتلة الجسم الساقط .
عندما يكون جسم ذو كتلة ( m ) على ارتفاع ( h ) من سطح الأرض فان الجملة ( جسم + ارض ) يخزن طاقة كامنة ثقالية وهي تتعلق بكتلة الجسم وارتفاعه عن سطح الارض ونرمز لها بالرمز Epp .
نشكـل التركيـب المبين على الشكـل – 1 – حيث النابض منضغط تحت تاثير الجسم .
- عندمـا نحرر الجسم مـاذا يحـدث للنابض ؟
- يعـود إلى طبيعتـه الأصليـة دافعـا معـه الجسم المستنـد عليـه فيكتسـب هذا الأخيـر طاقـة حركيـة ( الشكل -2- ) . فسّـر ذلـك ؟
- التفسير :
هـذه الطاقـة لا يمكن استحداثها من العدم ، وبالتالي التزايـد في الطاقة الحركية للجسم مرتبط حتمـا مع تناقص في شكل آخر من الطاقة ، هذه الطاقة التي تناقصت ، كانت مخزنـة في النابض لما كان في حالـة تقلص ، يدعى هذا النوع من الطاقـة : الطاقة الكامنة المرونية.
- نتيجــة :
توجـد في النابض المشوه ، سواء كان في حالـة استطالـة أو تقلـص طاقـة مخزنـة تدعـى :
- الطاقـة الكامنـة المرونيـة يرمز لها بـ : Epe.
- الطاقـة الكامنـة المرونيـة هي نوع من الطاقـة تخزن في نابض مرن أثنـاء تشويهـه .
- تظهـر هـذه الطاقـة لمـا يعـود النابض إلى وضعـه الطبيعـي .
نحقق التركيب المبيّـن على الشكـل المقابل .
نديـر القرص بزاويـة
- مـاذا تـلاحظ ؟ - السلـك ينفـتل .
- عنـد ترك القرص حـرًا بدون سرعة ابتدائيـة ، مـاذا يحدث لكل من القرص والسلك ؟
- القرص يبدأ في الحركة ويكتسب تدريجيـًا طاقة حركية أمّا السلك يعود لطبيعته الأصلية دون فتل .
- فسّـر ذلـك ؟
- بمـا أنّ الطاقة الحركيـة التي اكتسبها القرص لا يمكن استحداثهـا من العدم ، إذن حتمـًا يكون هذا التزايـد في الطاقة الحركيـة للقرص متعلقـًا بتناقص في شكل آخر من الطاقـة كانت مخزنة في السلك لمـا كان في حالـة فتـل .
يدعى هـذا النوع من الطاقـة بـ الطاقـة الكامنـة الفتلية ونسمي الجملة نواس الفتـل .
الطاقـة الكامنـة الفتلية للجملة ( نواس الفتـل ) هي نوع من الطاقـة يخزن في سلك الفتل لمـا نقـوم بفتلـه وتظهر هذه الطاقـة لما يعود السلك إلى وضعـه الطبيعي ، ويرمـز لهـا بـ : : Epe وتقـاس في ج.و.د بـ : joule
نستعمل عمـود (Pile) لتغذيـة محرك (لسيـارة لعبة أطفال) بعـد غلق القاطعـة نرى أنّ المحرك يبـدأ في الدوران ، علمـًا أنّ الطاقة الحركية التي اكتسبها المحرك لا يمكن استحداثهـا من العدم فإنّ هـذه الطاقة قـد أخذت من جسم آخر ، هذا الجسم هو العمود والطاقة التي فقـدها هي طاقة توجد بداخله على شكل تفاعل مواد كيميـائيـة ، تدعى هذه الطاقـة : الطاقـة الداخليـة .
ونقول أنه حدث تحويل كهربائي للطاقة بين العمود والمحرك ونرمز له بالرمز ( We ) .
نستعمل مقاومة كهربائية لتسخين كمية من الماء ، فعندما ترتفع درجة حرارته تزداد طاقته الداخلية ،ونفسر ارتفاع الطاقة الداخلية للماء بزيادة الحركة لجزيئات الماء ( طاقة حركية ميكروسكوبية ) ،ونقول أنه حدث تحويل حراري للطاقة بين المقاومة والماء ونرمز لهذا التحويل بالرمز( Q ).
نقوم بتسخين كمية من الماء البارد بتعريضها لأشعة الشمس ، فنقول أن الماء اكتسب طاقة داخلية من أشعة الشمس الساقطة عليه ، وانه حدث تحويل للطاقة بالاشعاع من الشمس الى الماء ، ويدعى هذا النمط من التحويل بالاشعاع ونرمز له بالرمز ( Er ) .
الطاقة الداخلية هو مفهوم طاقوي يخصص للحالة الميكروسكوبية للجملة المدروسة ،وهي تمثل مجموعة الطاقات التي لها علاقة بسرعة العناصر الميكروسكوبية التي تشكل الجملة والطاقات التي لها علاقة بموضعها النسبي بالنسبة لبعضها البعض .
يرمز لها بـ : Ei وحدتها في ج .و. د هي : Joule .
توهج مصباح بفعل سقوط جسم .
- في البداية الجسم موجود على ارتفاع معين من سطح الأرض ، نتركه يسقط ، حينها يحدث تحويل الطاقة الكامنة المخزنة في الجملة (كتلة + ارض ) إلى طاقة حركية للمنوب ، حيث أن المنوب تتزايد سرعته (يدور) ، مقابل هذا فإن الجسم يفقد ارتفاعا بالنسبة لسطح الأرض .
- الطاقة كانت مخزنة على شكل طاقة كامنة ثقالية ، وأصبحت مخزنة على شكل طاقة حركية وهذا بفضل التحويل الميكانيكي (سقوط الجسم) يرمز لهذا النوع من التحويل بـ Wm .
- نلاحـظ بعد ذلك أن المصباح يلمع نتيجة دوران المنوب، فنقول انه حدث تحويل في الطاقة ، من الطاقة الحركية إلى طاقة داخلية لسلك المصباح ، وبالتالي حدث تحويل في تخزين الطاقة من طاقة حركية إلى طاقة داخلية بفضل تحويل كهربائي قام به التيار الكهربائـي ، و يرمز لهذا النوع من التحويل بـ We.
- نلاحظ بعد فترة زمنية معينة أن الحجرة تسخن ، السبب يعود إلى الطاقة التي تلقتها جزيئات الهواء المتواجد بداخل القاعة بفضل الحرارة والاشتعال المنبعثين من السلك ، إذن حدث تغير في الطاقة الداخلية لهواء القاعة بفضل تحويل حراري يرمز له بـ Q وتحويل إشعاعي يرمز له بـ Er .
- إن الطاقة التي يفقدها جسم ما أو التي يكتسبها لا تكفي لوحدها لوصف الجملة من الجانب الطاقوي كيف هذا ؟
مثال : إن الطاقة الكهربائية التي يستهلكها قطار سريع TGV تقدر بـ 8000 Joule وهي نفس الطاقة التي تستهلكها آلة غسيل منزلية ، يبدو وكأن الآلتين متشابهتان ، ولكن الفرق بينهما هو أن القطار السريع يستهلك هذه الطاقة خلال مدة زمنية تقدر بـ 1ms بينما آلة الغسيل تستهلك هذه الطاقة خلال 3,5H .
تعرف استطاعة التحويل على أنها السرعة التي يحدث بها هذاالتحويل ( غزارة التحويل ) وحدتها الواط ( watt) يرمز لها بـ : P و تعطى بالعلاقة :
تستعمل وحدة أخرى للطاقة تسمى الواط ساعي
في المثال السابق تكون استطاعة التحويل بالنسبة للقاطرة :
أما بالنسبة لآلة الغسيل المنزلية :
" الطاقة لا تستحدث ولا تزول ، فإذا اكتسبت جملة ما طاقة أو فقدتها فإن هذه الطاقة تكون بالضرورة قد أخذتها من جملة (أو جمل) أخرى أو قدمتها لها " .
اعتمادا على مبدأ انحفاظ الطاقة تكتب معادلة الإنتحفاظ على النحو التالي :
الطاقة الابتدائية للجملة + الطاقة المستقبلة – الطاقة المقدمة = الطاقة النهائية للجملة
- الطاقة المستقبلة هي التي تستقبلها الجملة خلال التحويل والطاقة المقدمة هي الطاقة التي تفقدها الجملة خلال التحويل .
- إذا كانت الجملة لا تتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي نقول عنها أنها جملة معزولة طاقويـا .
معادلة انحفـاظ الطاقة لهـا :
الطاقة الابتدائية للجملة = الطاقة النهائية للجملة
وهي تمثيل رمزي لتغير الطاقة في جملة بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية كما في النموذج التالي :
- عـدد الأعمـدة داخل الفقاعـة الواحدة (الجملة) متعلق بعدد أشكال الطاقـة المتغيرة (Ec, Ep, Ei) بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية للجملة.
- إذا حولت الجملة كل الطاقة التي تلقتها بين الحالتين الابتدائية 1 والنهائية 2 تترك الفقاعة فارغة بدون عمـود .
يمكن اشعال مصباح كهربائي بالاعتماد على التركيب التجريبي المبين بالشكل التالي
- عبر باستعمال الكتابة الرمزية على إنحفاظ الطاقة الخاصة بالجمل التالية : - جسم ، - منوب ، - مصباح ، - حجرة .
- الجملة جسم : إذا اعتبرنا أن حركة سقوط الجسم تتم بدون أية مقاومة فإن مبدأ إنحفاظ الطاقة يكون كما في الشكل (1) :
- الجملة منوب يدور دون احتكـاك الشكل (2) :
- الجملة مصباح الشكل (3) :
- الحرارة هي عبارة حركة الجزيئات التي تشكل المادة . ما معنى هذا ؟
ضع يدك اليمنى في إناء يحتوي على كمية من الماء به محرار يشير إلى القيمة
- ما هو إحساسك ؟
- الإناء 1 بارد بالنسبة للإناء 2 .
- هل من الممكن التعبير بطريقة أخرى عن هذا الإحساس ؟ .
نعم يمكن إستعمال التعبير الآتـي :
جزيئات الماء الذي درجة حرارته
هـذه السرعة نتحسس لها بحواسنا على شكل حرارة .
أمـا درجة الحرارة فهي الوسيلة التي نقيس بها حـدّة الحركة .
- الحرارة هي عبارة عن حركة الأفراد الكيميائية التي تشكل المادّة .
- كلمـا كانت الحرارة كبيرة كلما كنت حدّة الحركة في المادّة كبيـرة .
- درجـة الحرارة هي الوسيلـة المستعملة لقياس حـدّة الحركة داخل المـادة .
المركبـة الحرارية للطاقة الداخلية هي الحرارة المخزنة في جملة مـا والمرتبطة بالطاقة الحركية المجهرية الناتجة عن الحركة غيـر المنتظمة للدقائق المكونة لهـذه الجملـة.
يحـدث تحويل حراري بين جملتين إذا كانت هاتان الجملتان متلامستين وتحت درجتين مختلفتين من الحرارة حيث تتحول الحرارة من الجملة الساخنة نحو الجملة الباردة .
تفقـد الجملة الساخنة الحرارة وتنخفض درجة حرارتهـا ، و تكتسـب الجملة الباردة الحرارة وترتفع درجة حرارتـها .
عنـدما تصبح الجملتـان في نفس الدرجة من الحرارة ، يتوقف التحويل الحراري : نقـول أن الجملتين عنـدئـذ في حالة تـوازن حـراري.