בלוג דאר אלחכמה במדעים: الطاقة في الفيزياء

ما الذي تغيّر؟ الطاقة وعمليات التغيّر في الطبيعة

ينبغي الانتباه إلى أنّنا نستخدم مصطلح الطاقة لوصف عمليات تغيّر مختلفة ومتنوّعة تحدث في الطبيعة: جسم يسقط، شمعة تشتعل، لامبة تضيء، ضوء يُمتصّ في لوح التسخين في السخّان الشمسي، كوب شاي ساخن يبرد وغير ذلك. من الواضح أنّ هذه العمليات تختلف عن بعضها البعض اختلافًا كبيرًا وتشارك فيها عوامل ومنظومات مختلفة تمامًا. لماذا إذًا يمكن وصفها بواسطة مصطلح واحد؟ ما هو القاسم المشترك بين جميع العمليات المذكورة؟ في الماضي، حتّى التجربة المشهورة التي أجراها جول, بالفعل لم يكن يبدو أنّ هناك علاقة بين العمليات المختلفة: في حين أنّ لقسم منها كان قاسم مشترك، بذلك أنّها استطاعت أن تؤدّي إلى ارتفاع درجة حرارة جسم ما (من منّا لم يشعر بالحرارة عند وقوفه بالقرب من نار مشتعلة، أو تحت ضوء الشمس، أو عند ملامسة جسم ساخن؟)، إلاّ أنّ عمليات أخرى، كسقوط جسم من ارتفاع معيّن أو تغيّر سرعة حركة الجسم، اعتُبرت عمليات من نوع مغاير تمامًا. لكنّ اكتشاف جول بأنّ عملية السقوط أيضًا يمكنها أن تسبّب ارتفاع درجة حرارة (الماء) أدّى إلى أن يستنتج العلماء بأنّه يمكن وصف كلّ تلك العمليات التي يمكنها أن تسبّب ارتفاع درجة الحرارة بواسطة مصطلح واحد: "تغيّر الطاقة". مع مرور الوقت برز المصطلح "تغيّر الطاقة" كأنجح المصطلحات ويمكننا بواسطته أيضًا وصف العمليات التي اتّضحت في مرحلة متأخّرة بعد عصر جول كالعمليات النووية وامتصاص الأشعّة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية وغيرها.

قبل أن نواصل الخوض في الموضوع، علينا أن ننتبه إلى أنّ حقيقة كون عملية معيّنة يمكنها أن تؤدّي إلى ارتفاع درجة الحرارة لا توجب أن تكون هذه هي النتيجة الأساسية لهذه العملية (على سبيل المثال، عندما نكوّن سريان شحنات كهربائية عن طريق الشريط المتوهّج في اللامبة، فإنّ اللامبة تسخن بالفعل، لكن بالإضافة إلى ذلك يتكوّن فيها ضوء). المهمّ أن نجد قاسمًا مشتركًا يربط بين العمليات المختلفة التي تحدث في الطبيعة.

نستخدم المصطلح "تغيّر الطاقة" لوصف التغيّر الذي يطرأ على منظومة ما، بصورة نوعية وكمّية، عندما تنتقل من حالة إلى أخرى. من المهمّ التأكيد أنّ تفاصيل العملية ليست هامّة، وإنّما فقط الفرق بين الحالتين المختلفتين. هكذا على سبيل المثال، يستطيع جسم معيّن تغيير ارتفاعه في السقوط المستقيم أو على امتداد سكّة متعرّجة (كما في القطار الجبلي)، لكنّ الذي يحدّد قيمة تغيّر الطاقة المنسوبة لتغيّر الارتفاع هو الفرق بين الحالة النهائية والحالة الابتدائية.

إذا توفّر مصطلح واحد شامل، "تغيّر الطاقة"، فلماذا نلاحظ بلبلة كبيرة بالنسبة لمصطلح الطاقة؟ لماذا نستخدم مصطلحات كثيرة مثل "أنواع" الطاقة، "أشكال" الطاقة، "تحوّلات" الطاقة، "تحويلات" الطاقة، "انتقالات" الطاقة"؟

لنبدأ "بأنواع" أو "أشكال" الطاقة: (لتيسير الحديث، من المعتاد تسمية تغيّرات الطاقة بأسماء مختلفة حسب العملية التي تصفها):

التغيّر في الطاقة الحركية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تتغيّر سرعة حركة الجسم؛
التغيّر في طاقة الارتفاع يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما يتغيّر ارتفاع الجسم؛
التغيّر في الطاقة الحركية الداخلية للمادّة (في هذه الوحدة نسمّي هذه الطاقة باسم "الطاقة الحرارية") يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تتغيّر درجة حرارة الجسم؛
التغيّر في الطاقة الضوئية يتطرّق إلى التغير الذي يحدث أثناء امتصاص الضوء أو انطلاقه؛
التغيّر في الطاقة الكيميائية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تطرأ تغيّرات في التركيبة الكيميائية للموادّ؛
التغيّر في الطاقة الكهربائية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تطرأ تغيّرات تتعلّق بالشحنات الكهربائية؛
التغيّر في الطاقة النووية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تتغيّر نوى الذرّات.

رغم الأسماء المختلفة، ليس من الصعب ملاحظة القاسم المشترك بين جميع العمليات: كان بإمكان جول استعمالها جميعًا ليؤدّي إلى ارتفاع درجة حرارة وعائه المائي. من المهمّ التأكيد أنّه ليس جميع العمليات يمكن أن نشعر بها. هكذا على سبيل المثال، عندما نشعل عود ثقاب نرى جيّدًا التغيّرات التي تطرأ عليه، لكنّ التغيّرات التي تحدث في الهواء الذي حوله غير مرئية. عمليًا في عملية الاشتعال يشتعل الثقاب والهواء (الأوكسجين) الذي حوله أيضًا. وعندما يلامس جسم ساخن جسمًا باردًا يمكن فقط ان نلاحظ التغيّر الذي يطرأ على درجة حرارة كلّ واحد من الجسمين، لكن لا يمكن ان نلاحظ عملية التغيّر التي تحدث في مستوى الجسيمات المصنوع منها الجسمان.

لاحظنا أنّ منح الأسماء المختلفة لتغيّر الطاقة في العمليات المختلفة جاء للإشارة إلى طابع تلك العمليات. لكن ما هو مصدر استعمال التعبير "تحويل" الطاقة؟ هنا أيضًا سنتعدّى التمعّن في العمليات التي تحدث حولنا ونلاحظ ظاهرة أكثر إثارة: عمليات التغيّر لا تحدث بمفردها أبدًا! عندما يطرأ تغيّر ما يرافقه دائمًا تغيّر آخر أو عدّة تغيّرات أخرى. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان توجّه التغيّر (أو التغيّرات) هو الازدياد فإنّ توجّه التغيّرات الأخرى يكون عكسيًا. هكذا على سبيل المثال، عندما يسقط الجسم فإنّ ارتفاعه يقلّ وفي نفس الوقت تزداد سرعته؛ عندما تشتعل شمعة فإنّ الشمع المصنوعة منه يتآكل (وكذلك الأوكسجين الحرّ الذي حولها) وفي نفس الوقت تسخن الشمعة والهواء الذي حولها؛ عندما يُمتصّ الضوء في لوح التسخين في السخّان الشمسي فإنّه يختفي وفي نفس الوقت تسخن المياه التي في اللوح؛ في السيّارة التي تبدأ السير بسرعة، فإنّ التركيبة الكيميائية للوقود (والهواء) ودرجة حرارة المحرّك جميعها تتغيّر معًا. يمكن وصف هذه الظاهرة ببساطة بالإشارة إلى حقيقة أنّه عندما تزداد طاقة (أو طاقات) من "نوع" معيّن فإنّ طاقة من نوع آخر تقلّ 5. لكنّ طريقة التعبير التي اعتدنا عليها هي "تحويل": من المعتاد القول إنّ نوع الطاقة الذي قلّ "تحوّل" إلى نوع الطاقة الذي ازداد. من المفهوم أنّ طريقة التعبير هذه يمكنها أن تثير الانطباع بأنّه قد طرأ تغيّر على ماهيّة الطاقة رغم أنّه، كما لاحظنا، لا توجد للطاقة ماهيّات مختلفة.

كيف نقيس التغيّر في الطاقة؟ الطريقة البسيطة والمباشرة هي اختيار جسم معياري (كمّية ماء متّفق عليها مثلاً) والإقرار بأنّ التغيّر بدرجة واحدة في درجة حرارة الجسم يشكّل وحدة قياس التغيّر في الطاقة . هكذا مثلاً تمّ تعريف السعر الحراري: سعر حراري واحد هو التغيّر في الطاقة الذي يحدث في غرام واحد من الماء (في ضغط واحد أتموسفيرا) عندما ترتفع درجة حرارته من c°14.5 إلى c°15.5.

يمكن إيجاد محاكاة حاسوبية لتجربة جول في الرابط التالي:

http://www.einstein-support.co.uk/support/msim/website/experiment/exp_B_virtual_exp_flash_1.htm

قانون حفظ الطاقة: لم نتطرّق حتّى الآن إلى الجوانب الكمّية للتغيّر في الطاقة الذي يصف عمليات تغيّر مختلفة تحدث في الطبيعة. من هنا يُطرح السؤال المثير: هل الزيادة التي تطرأ على الطاقة في العمليات المختلفة من "نوع" معيّن في المنظومة التي ليس لديها تأثير متبادل مع البيئة (منظومة مغلقة) تتعادل بصورة كاملة بواسطة النقصان الذي يطرأ بالمقابل في نوع (أو أنواع) طاقة أخرى؟ من تجارب كثيرة أجريت ينبع أنّه بالفعل هذا ما يحدث: لو أخذنا بالحسبان جميع العمليات التي تحدث وقسنا بصورة كمّية التغيّر في الطاقة المنسوبة لها، نكتشف أنّ "ما يزداد" يتعادل بصورة كاملة مع "ما ينقص". من هنا لو حسبنا مجمل التغيّر في الطاقة في منظومة مغلقة نكتشف أنّه صفر! نقول بلغة العلماء إنّه إذا كان مقدار معيّن لا يتغيّر في عمليات معيّنة هذا يعني أنّه "يُحفَظ".

هل يمكن تعريف الطاقة؟ يُعتبر مصطلح الطاقة مصطلحًا من الصعب تعريفه. الفيزيائي المشهور ريتشارد فاينمان كتب أنّ "الفيزياء في عصرنا لا تتضمّن فهمًا حقيقيًا للماهيّة الحقيقية للطاقة... فهي مصطلح مجرّد لا يوفّر لنا أيّة معلومات عن الآلية أو الأسباب التي تدعو إلى أن تكون المعادلات على النحو التي نعرفها". إذا كان الأمر كذلك، فلماذا إذًا نحاول التعمّق في تدريس مصطلح الطاقة؟ ما الذي يمكن فعله مع ذلك؟ ممّا ذُكر حتّى الآن، يمكن أن نلاحظ أنّ المصطلح الذي يمكن تعريفه تعريفًا عمليًا هو مصطلح "التغيّر في الطاقة"، لأنّه مقدار يمكن قياسه. بكلمات بسيطة، يمكن تعريف التغيّر في الطاقة على النحو التالي: "التغيّر في الطاقة هو تغيّر يطرأ على منظومة ما ويمكن قياسه بواسطة ارتفاع درجة حرارة (أو انخفاض درجة حرارة) جسم معيّن" . وبتعريف أقلّ دقّة: "التغيّر في الطاقة هو القدرة على التأدية إلى ارتفاع درجة الحرارة". هذه التعريفات، كما نلاحظ من الأمثلة التي وردت هنا ومن أمثلة كثيرة أخرى، يصادفها الطلّاب في حياتهم اليومية في عمليات مختلفة تحدث في الطبيعة ويمكنها أن تؤدّي إلى ارتفاع درجة الحرارة.

المصدر : وحدة المعلم لتخطيط التعليم -التعلم - التقييم

لاثبات قانون حفظ الطاقة عليك عزيزي الطالب اجراء المحاكاة الحاسوبية التالية:
* ارشادات للطالب:
1. عليك عزيزي الطالب قبل اجراء المحاكاة تنزيل برنامج الجافا "java" لحاسوبك الخاص حسب البنود التالية :
أ. اضغط على الرابط download free java( تنزيل الجافا مجانا ).

ب. اضغط على المستطيل