الطاقة هي القدرة على العمل وتوجد في عدة أشكال حركية ، حرارية ، كهربائية ، كيميائية ، نووية ، أو غيرها من الأشكال المختلفة وتعبر الطاقة أيضا عن عملية الانتقال من جسم إلى آخر ، بعد نقلها يتم تعيين الطاقة دائمًا وفقًا لطبيعتها وبالتالي ، قد تتحول الحرارة المنقولة إلى طاقة حرارية ، بينما قد يظهر العمل المنجز في شكل طاقة ميكانيكية.

ما هو تعريف الطاقة

يمكننا تعريف الطاقة على أنها القوة للقيام بأي نوع من النشاط البدني  ويقال أن “الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل” ، وتتم معالجة الموارد الفيزيائية أو الكيميائية لتوليد الطاقة التي يتم استخدامها أيضًا لتوفير الضوء أو الحرارة للأغراض المنزلية أو الصناعية. 

أنواع الطاقة

  • الطاقة الحرارية: الحرارة أو الطاقة الحرارية هي طاقة من حركة الذرات أو الجزيئات ، يمكن اعتباره طاقة تتعلق بدرجة الحرارة.
  • الطاقة الحركية: الطاقة الحركية هي طاقة الحركة مثل البندول المتأرجح لديه طاقة حركية.
  • الطاقة المحتملة: هذه هي الطاقة بسبب موضع الجسم، على سبيل المثال الكرة الموجودة على طاولة لها طاقة كامنة فيما يتعلق بالأرض لأن الجاذبية تعمل عليها.
  • الطاقة الميكانيكية: الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية والمحتملة للجسم.
  • طاقة الضوء: الفوتونات هي شكل من أشكال الطاقة.
  • الطاقة الكهربائية: هي الطاقة الناتجة عن حركة الجسيمات المشحونة ، مثل البروتونات أو الإلكترونات أو الأيونات.
  • الطاقة المغناطيسية: ينتج هذا الشكل من الطاقة عن مجال مغناطيسي.
  • الطاقة الكيميائية: يتم إطلاق الطاقة الكيميائية أو امتصاصها بواسطة التفاعلات الكيميائية ، يتم إنتاجه عن طريق كسر أو تشكيل روابط كيميائية بين الذرات والجزيئات.

قانون حفظ الطاقة

وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة ، تظل الطاقة الإجمالية للنظام ثابتة ، على الرغم من أن الطاقة قد تتحول إلى شكل آخر ، مثال قد تصطدم كرتان بلياردو تتصادم ، مع الطاقة الناتجة تصبح سليمة وربما قليلاً من الحرارة عند نقطة الاصطدام ، عندما تتحرك الكرات ، يكون لها طاقة حركية ، سواء كانوا في حالة حركة أو ثابتة لديهم أيضًا طاقة كامنة لأنهم على طاولة فوق الأرض.

لا يمكن توليد الطاقة أو تدميرها ، لكنها يمكن أن تغير الأشكال وترتبط أيضًا بالكتلة ، تنص نظرية التكافؤ بين الكتلة والطاقة على أن الجسم في حالة استراحة في إطار مرجعي لديه طاقة راحة ، إذا تم توفير طاقة إضافية للجسم ، فإنه في الواقع يزيد من كتلة ذلك الجسم مثال ، إذا قمت بتسخين محمل فولاذي إضافة طاقة حرارية فستزيد كتلته.

الطاقة النووية: هذه طاقة من التفاعلات مع بروتونات ونيوترونات الذرة. ،عادة ما يتعلق هذا بالقوة القوية ، ومن الأمثلة على ذلك الطاقة المنبعثة من الانشطار والاندماج.

وقد تشمل الأشكال الأخرى للطاقة الطاقة الحرارية الأرضية وتصنيف الطاقة على أنها متجددة أو غير متجددة.

قد يكون هناك تداخل بين أشكال الطاقة ويملك الجسم دائمًا أكثر من نوع واحد في كل مرة ، مثلا يحتوي البندول المتأرجح على كل من الطاقة الحركية والمحتملة ، والطاقة الحرارية ، و اعتمادًا على تكوينه قد يكون له طاقة كهربائية ومغناطيسية.[1]

 كيف تقاس الطاقة

وحدة الطاقة هي الجول ، يتم تعريف السعة الحرارية المحددة أو الحرارة النوعية فقط للمادة على أنها كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد (جم) من المادة درجة مئوية واحدة  يستغرق 4.18 جول (J) لرفع درجة حرارة 1 غرام من الماء 1 درجة مئوية عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ، كيلو جول واحد يساوي 1000 جول وهو مقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة 239 جم من الماء بمقدار 1 درجة مئوية ، كمثال ، تحتوي قطعة خبز محمص بالزبدة على حوالي 315 كيلو جول ، مما يمنحك طاقة كافية لركوب دراجتك لمدة 10 دقائق أو الركض لمدة 6 دقائق.

تطبيقات الطاقة 

الطاقة في الكيمياء

في سياق الكيمياء تعد الطاقة خاصية لمادة نتيجة تركيبها الذري أو الجزيئي أو الكلي ، نظرًا لأن التحول الكيميائي يرافقه تغيير في واحد أو أكثر من هذه الأنواع من الهياكل ، فإنه يصاحبه دائمًا زيادة أو نقصان في طاقة المواد المعنية ، يتم نقل بعض الطاقة بين المناطق المحيطة والمواد المتفاعلة للتفاعل في شكل حرارة أو ضوء وبالتالي ، قد يكون لمنتجات التفاعل طاقة أكثر أو أقل من المواد المتفاعلة ، يقال أن التفاعل يكون طاردًا للحرارة أو خارجياً إذا كانت الحالة النهائية أقل على مقياس الطاقة من الحالة الأولية ، في حالة التفاعلات الماصة للحرارة يكون الوضع معكوسًا.

التفاعلات الكيميائية غير ممكنة دائمًا تقريبًا ما لم تتجاوز المواد المتفاعلة حاجز طاقة يعرف باسم طاقة التنشيط ، ترتبط سرعة التفاعل الكيميائي عند درجة حرارة معينة  T بطاقة التنشيط E بواسطة عامل تعداد بولتزمان e – E / kT وهو احتمال أن يكون للجزيء طاقة أكبر من أو تساوي E عند درجة الحرارة المعطاة T ، يُعرف هذا الاعتماد الأسي لمعدل التفاعل على درجة الحرارة باسم معادلة أرهينيوس ، يمكن توفير طاقة التنشيط اللازمة للتفاعل الكيميائي في شكل طاقة حرارية.

الطاقة في  الأحياء

في علم الأحياء الطاقة هي سمة لجميع النظم البيولوجية من المحيط الحيوي إلى أصغر كائن حي ، داخل كائن حي وهي مسؤولة عن نمو وتطور بيولوجي خلية أو عضية على الاحيائي الحي ، الطاقة المستخدمة في التنفس يتم تخزين معظمها في الجزيئية الأكسجين ويمكن أن تكون مقفلة من خلال ردود الفعل مع جزيئات من مواد مثل الكربوهيدرات السكريات بما في ذلك الدهون والبروتينات المخزنة من قبل الخلايا من الناحية الإنسانية ، المكافئ البشري يشير بالنسبة لكمية معينة من نفقات الطاقة ، إلى الكمية النسبية من الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي البشري ، بافتراض أن متوسط ​​إنفاق الطاقة البشرية يبلغ 12500 كيلو جول في اليوم ومعدل الأيض الأساسي 80 واط ، على سبيل المثال ، إذا كانت أجسامنا تعمل في المتوسط عند 80 واط ، فإن المصباح الكهربائي الذي يعمل عند 100 واط يعمل عند 1.25 مكافئ بشري (100 ÷ 80) أي 1.25 He ، بالنسبة لمهمة صعبة مدتها بضع ثوانٍ فقط ، يمكن للشخص أن يخرج آلاف واط ، عدة أضعاف 746 واط في حصان رسمي واحد ، بالنسبة للمهام التي تستغرق بضع دقائق ، يمكن للإنسان المناسب أن يولد ربما 1000 واط ، بالنسبة للنشاط الذي يجب الحفاظ عليه لمدة ساعة ، ينخفض ​​الناتج إلى حوالي 300 لنشاط مستمر طوال اليوم ، 150 واط تقريبًا كحد أقصي يساعد المكافئ البشري على فهم تدفقات الطاقة في النظم الفيزيائية والبيولوجية من خلال التعبير عن وحدات الطاقة من حيث الإنسان فهو يوفر إحساسًا لاستخدام كمية معينة من الطاقة.

يتم التقاط الطاقة المشعة لأشعة الشمس أيضًا من قبل النباتات كطاقة كيميائية محتملة في عملية التمثيل الضوئي ، عندما يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء مركبين منخفضي الطاقة إلى كربوهيدرات ، دهون ، وبروتينات ومركبات عالية الطاقة مثل الأكسجين  و ATP ، يمكن للكربوهيدرات والدهون والبروتينات إطلاق طاقة الأكسجين التي تستخدمها الكائنات الحية كمستقبل إلكتروني ، إطلاق الطاقة المخزنة أثناء عملية التمثيل الضوئي كحرارة أو ضوء قد ينشأ فجأة بسبب شرارة ، في حريق غابة ، أو يمكن إتاحتها بشكل أبطأ لعملية التمثيل الغذائي للحيوان أو الإنسان ، عندما يتم امتصاص الجزيئات العضوية ، ويتم تنشيط عملية الهدم عن طريق الإنزيم عمل.

يعتمد أي كائن حي على مصدر خارجي للطاقة ، الطاقة المشعة من الشمس في حالة النباتات الخضراء ، والطاقة الكيميائية في شكل ما في حالة الحيوانات  لتكون قادرة على النمو والتكاثر ، يتم أخذ السعرات الحرارية اليومية التي تتراوح من 1500 إلى 2000 الموصى بها للبالغين كمزيج من الأكسجين وجزيئات الطعام ، معظمها من الكربوهيدرات والدهون ، ومنها الجلوكوز (C 6 H 12 O 6 ) و ستيارين (C 57 H 110 O 6 ) أمثلة ملائمة ، ويتأكسد جزيئات الطعام إلى ثاني أكسيد الكربون و الماء في الميتوكوندريا.