حفظ الطاقة (فيزياء): الفرق بين النسختين

تم إزالة 54 بايت ، ‏ قبل سنتين
لا يوجد ملخص تحرير
(الرجوع عن تعديل معلق واحد من 93.169.48.224 إلى نسخة 27959921 من Zxs.: تخريب)
وسوم: تمت إضافة وسم nowiki تحرير مرئي تعديلات طويلة
'''حفظ الطاقة''' في [[الفيزياء]] ينص قانون '''حفظ الطاقة''' على أنه في أي نظام معزول، الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن يمكن تحويلها من صورة لأخرى.
 
يمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى مثل [[طاقة حركية|طاقة الحركة]] يمكن أن تتحول إلى [[طاقة حرارية]] ، ولكن ليس ممكنا في نظام مغلق معزول أن تخلق طاقة من نفسها أو تفنى. ونقول أن الطاقة تتبع [[قانون الحفظ|قوانين الانحفاظ]].
 
نعرف صورا عديدة للطاقة : [[طاقة حركية|طاقة حركة]] ، [[طاقة حرارية]] ، [[طاقة كهربائية]] ، [[طاقة ميكانيكية|طاقة حركية]] ، [[طاقة إشعاعية]] وغيرها ،وغيرها، ويمكن تحولها من صورة إلى أخرى . ولكن تبقى الطاقة ولا تفنى. كما بينت النظرية النسبية ل[[أينشتاين]] أن الطاقة يمكن أن تتحول إلى مادة (أنظرانظر أسفله) :
وقانون انحفاظ الطاقة هو أحد المبادئ الأساسية في جميع العلوم
يعتبر [[جاليليو]] أول من فكر في انحفاظ الطاقة عام 1638 عند دراسته لحركة الرقاص حيث رأى ان [[طاقة الوضع]] تتحول إلى [[طاقة الحركة|طاقة حركة]]، باهتزاز [[رقاص|الرقاص]]، وبالعكس. ثم جاء [[جوتفريد لايبنتز]] خلال الأعوام 1676-1689 وحاول صياغة الطاقة المصاحبة للحركة رياضيا. واعتبر لايبنتز أن أنظمة متعددة كل منها له [[كتلة]]
''m<sub>i</sub>''
و [[سرعة]] ''v<sub>i</sub>'' يكون لها طاقة حركة "متناسبة" مع :
 
:<math>\sum_{i} m_i v_i^2</math>
وتظل محفوظة طالما أن الكتل لا تتفاعل مع بعضها البعض. ويعتبر هذا التصور صحيحاً بالنسبة إلى بقاء [[طاقة الحركة]] في الحالات التي لا يكون فيها [[احتكاك]].
 
وكان كثير من الفيزيائيين في ذلك العهد يعتبرون [[انحفاظ الزخم الخطي]] :
 
:<math>\,\!\sum_{i} m_i v_i</math>
كذلك لاحظ [[بنيامين تومسون]] عام 1798 نشأة الحرارة من عملية حفر ماسورات المدافع ، واعتبر وجود معامل ثابت لتحويل الحركة إلى حرارة وبالعكس. عندئذ قام [[توماس يونغ (عالم)|توماس يونغ]] بتسمية "طاقة" على تلك الظاهرة عام 1807.
 
وعن طريق المعايرة توصل العلماء إلى أن طاقة الحركة تساوي :
 
 
:<math>\frac {1} {2}\ m v^2</math>
 
ونشاهد ذلك من حياتنا اليومية عند تصادم السيارات حيث يزداد تهشم السيارة كلما زادت سرعتها ،سرعتها، أو بمعنى أصح يتناسب تهشم العربة بزيادة مربع سرعتها.
 
== قانون بقاء الطاقة في الديناميكا الحرارية==
وتشكل الطاقة الكلية لنظام مجموع ذلك الجزئين ، مع أنه عند دراستنا للديناميكا الحرارية الكيميائية نهمل طاقة النظام الخارجية ونساويها بالصفر (<math>\mathrm dE_a=0</math>) ، ونركز على تغيرات الطاقة الداخلية التي قد تتخذ صورا مختلفة. وبهذا الطريق توصل الباحثون إلى [[القانون الأول للديناميكا الحرارية]]. وينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على:
 
" الطاقة الداخلية لنظام هي خاصية للمواد المكونة له ،له، ولا يمكن إنتاجها أو افنائهاإفنائها. وتعتبر الطاقة الداخلية [[دالة حالة]]."
 
بالنسبة إلى نظام مغلق تبقى الطاقة الداخلية ثابتة ،ثابتة، أي لا تنقص ولا تزيد. وتعبر الديناميكا الحرارية عن ذلك لنظام المغلق بالقانون الأول للديناميكا الحرارية بالمعادلة :
 
:<math>\qquad \mathrm dU= \delta Q + \delta W</math>
== قانون بقاء الطاقة في النظرية النسبية ==
 
طبقا لمنطوق [[النظرية النسبية الخاصة]] ل [[أينشتاين]] يمتلك [[جسيم أولي|جسيم]] ذو [[كتلة سكون]] <math>m</math> ويتحرك بسرعة <math>v</math> يمتلك طاقة قدرها :
 
:<math>E(v) = \frac{m\, c^2}{\sqrt{1 - (v/c)^2}} </math>
: <math>c</math> [[سرعة الضوء]] في الفراغ.
 
وفي حالة السكون تكون للجسيم الطاقة النابعة عن كتلته :
 
:<math>E_{\text{Ruhe}} = m\, c^2\,.</math>
 
هذا القانون الشهير الذي اكتشفه [[أينشتاين]] هو قانون [[تكافؤ المادة والطاقة]] ، فالمادة يمكن أن تتحول إلى طاقة (في [[تفاعل نووي]] مثلا) ، ويمكن للطاقة أن تتحول إلى مادة (في [[إنتاج زوجي]] ، حيث يتحول [[شعاع غاما]] إلى [[إلكترون]] و <nowiki/>[[بوزيترون]])
 
'''هذه المعادلة هي إثبات آخر ل[[قانون بقاء المادة]] ، فالمادة لا تفنى ،تفنى، وانما يمكن أن تحول إلى طاقة. '''
تعطي النظرية النسبية طاقة الجسم (الكلية) بأنها مجموع طاقة السكون و[[طاقة الحركة]] :
:<math>E \sim m\, c^2 +\frac{1}{2}m v^2\,.</math>
 
وعندما تكون سرعة الجسيم (أو الجسم) صغيرة تكون القيمة <math> (v/c)^2</math>) أيضا صغيرة ،صغيرة، عندئذ يمكننا إهمال شق معادلة أينشتاين التي تحت الجذر التربيعي ونقوم بحساب طاقة حركة الجسم بالتقريب عن طريق استخدام قوانين نيوتن للحركة. وهذا ما يجري في حياتنا اليومية المعتادة حيث تكون السرعات التي نتحرك بها أو تتحرك بها الأشياء المعهودة حولنا صغيرة جدا بالنسبة لسرعة الضوء.
 
ولكن عندما نقوم بتسريع [[جسيم أولي|جسيمات]] إلى سرعات عظيمة قريبة من سرعة الضوء فنجد أن قوانين نيوتن تتسبب في خطأ في النتيجة ،النتيجة، ولا بد عندئذ من تطبيق [[النظرية النسبية الخاصة]] في حسابنا لكي نحصل على النتيجة الدقيقة. وعند دراسة [[تصادم]] الجسيمات السريعة جدا فنجدها تتبع قوانين النظرية النسبية الخاصة ،الخاصة، ولا بد من تطبيقها في تلك الحالات.
في المعادلة الأولى هنا نجد الكسر <math> v/c) ^2</math>) يقترب من 1 عند السرعات المقاربة لسرعة الضوء ،الضوء، وهذا يؤدي إلى أن المقام في المعادلة يقترب من الصفر ،الصفر، مما يجعل طاقة الجسيم تزيد زيادة هائلة وقد تقترب من الانهايةالنهاية.
 
== انحفاظ الطاقة في ميكانيكا نيوتن ==
عند تحرك جسم في مجال كمجال [[الجاذبية الأرضية]] يكون مجموع [[طاقة الحركة|الطاقة الحركة]] <math>K</math> و [[طاقة الوضع|طاقة وضعه]] <math>V</math> مساويا لطاقتة الكلية <math> E = K + V </math> وهي تبقى ثابتة لا تتغير.
يرمز لمعامل [[تدرج]] المجال بالرمز :
:<math>\mathbf{F} = - \nabla V </math>
 
وتدل الإشارته السالبة إلى أن التأثير على الجسم ينخفض بزيادة بعد الجسم عن مصدر المجال (يقل انجذاب الأشياء للأرض كلما اتعدت عن مركز الأرض ).
وعندما تتحرك جسم لمدة زمنية قدرها <math>t</math> في مثل هذا المجال (سواء كان مجال الجاذبية أو [[قانون كولوم|مجالا كهربائيا]]) واتخذ طريقين للوصول إلى نقطة أخرى يكون كمية الشغل الذي قام به الجسم غير معتمدا على الطريق الذي اتبعه الجسم . أي بصرف النظر عن اختلاف الطرق التي يتخذها جسم ما للوصول إلى نقطة معينة في المجال المؤثر عليه يكون الشغل المؤدى منه مساويا الفرق بين طاقة وضعه عند نقطة النهاية ونقطة البداية .
= \int_{t_1}^{t_2} \mathbf F(\mathbf x(t)) \cdot \mathbf v(t) \, \mathrm dt\ ,\quad \text{where} \quad \mathbf v = \frac{\mathrm d \mathbf x}{\mathrm d t}.</math>
 
حيث v هي سرعة الجسم ،الجسم، وهي تغير المسافة بالنسبة للزمن .
 
ويشكل عنصر التكامل المشتقة السالبة لطاقة الوضع <math>V(\mathbf{x}(t))</math>, حيث :
 
:<math>\mathbf F(\mathbf x(t)) \cdot \mathbf v(t) =-\nabla V(\mathbf x(t))\cdot \frac{\mathrm d \mathbf x}{\mathrm d t}=
[[ملف:Pendulum swinging-ar.gif|thumb| left| 250px|رسم متحرك لحركة البندول . نقطة السكون هي Ruheposition]]
 
وهذا يعطينا "الشغل " W بعد إجراء التكامل :
 
:<math>W = -\int_{t_1}^{t_2} \frac{\mathrm dV(\mathbf x(t))}{\mathrm dt}\, \mathrm dt=
وتنطبق تلك المعادلة على نقطتين على مسار الجسم .
 
وتنطبق [[قوانين نيوتن للحركة|القانون الثاني لنيوتن]] علي حركة الجسم :
 
:<math>\mathbf F=m \frac{\mathrm d}{\mathrm dt}\mathbf v\,. </math>
:<math>T = \frac{1}{2}\,m\,\mathbf v^2</math>
 
ويمكننا إعادة تشكيل المعادلة فنحصل على الصيغة :
 
:<math>V_1 - V_2 = K_2 - K_1</math>
:<math>K_1 + V_1 = K_2 + V_2.</math>
 
ونكون بذلك قد أثبتنا أن مجموع طاقة الحركة و [[طاقة الوضع]] لجسم بعد ازاحته تكون متساوية . وهذا هو قانون انحفاظ الطاقة .
 
وعندما نفترض حركة [[رقاص]] في عدم وجود احتكاك ، نجد أن مجموع طاقتي الحركة والوضع لا تتغير مع الزمن . وعندما نقوم بتحريك الرقاص في اتجاه وتركناه فإنه يهتز بين نقطتي العودة ،العودة، وتصل سرعته أعلى قدر لها عند نقطة النهاية الصغرى للمجال (أقل نقطة ارتفاعا) . وعند نقطتي العودة تكون [[طاقة الحركة]] مساوية للصفر وتبلغ [[طاقة الوضع]] أقصى قدر لها . ويعتمد مجموع طاقة الحركة وطاقة الوضع للجسم على مقدار الإزاحة الأولية التي نزيحه إليها بالنسبة لبعدها عن نقطة السكون (النقطة الوسطية).
 
== تبادل الطاقة ==
 
عندما يتبادل نظام طاقة مع نظام آخر ،آخر، مثلا عن طريق [[الإشعاع]] أو [[توصيل حراري]] فإننا نتكلم عن "نظام مفتوح " ، أي نظام مفتوح بينه وبين الوسط الذي يحيطه ،يحيطه، من وجهة تبادل الطاقة. ويقول قانون انحفاظ الطاقة : " الطاقة التي تدخل في نظام مطروحاً منها الطاقة التي تخرج منه هي مقدار تغير طاقة النظام." وعن طريق دراسة تبادل الطاقة لنظام مع الوسط المحيط ،المحيط، الحرارة الداخلة إليه والخارجة منه ،منه، يمكن معرفة العمليات التي تتم داخله حتى ولو لم يمكن مشاهدتها مباشرة ([[ترموديناميك]]).
 
ولا يمكن قياس طاقة نظام بطريقة مباشرة : فبصرف النظر عن تأثيرات [[الجاذبية]] على النظام ،النظام، فلا يمكننا سوي قياس "التغيرات" في طاقة النظام فقط ، إذ تعتبر الطاقة الداخلية لنظام هي مجموع طاقات الجزيئات والذرات فيه ،فيه، والترابط بينها وحركتها وكذلك ما في [[نواة الذرة]] من [[طاقة]] .
 
ولكن يهمنا مثلا في [[الكيمياء]] معرفة كمية الطاقة التي يمتصها جسم نقوم بتسخينه ، فهذه الطاقة (الحرارة) يمكننا حسابها بمعرفة [[حرارة نوعية|الحرارة النوعية]] للجسم و التغير في [[درجة الحرارة|درجة حرارته]] (وهذا جزء من [[إنثالبي]] الجسم أو "سخانته" ).
 
==انظر أيضاً==
34٬650

تعديل