طاقة الوضع
| ميكانيكا كلاسيكية | ||||||||
|
| ||||||||
تاريخ...
| ||||||||
في الفيزياء تعتبر طاقة الوضع potential energy نوع من الطاقة الكامنة. ومفهوم طاقة الوضع متعلق في المقام الأول بارتفاع جسم عن سطح الأرض ، وهي تعتمد على تأثير الجاذبية الأرضية على الجسم . فإذا ألقينا حجرا عموديا في العلاء ، يبدأ الجسم بطاقة حركة وما يلبث حتى تهدأ سرعته رويدا رويدا بعمل الجاذبية أوالثنطقة وتتحول خلال ارتفاعه طاقة الحركة إلى طاقة وضع . حتى إذا وصل الحجر إلى أقصى ازدياد له تتحول جميع طاقة حركته إلى طاقة وضع . ويبدأ الحجر بعمل طاقة الوضع التحرك ثانيا إلى أسفل حيث تزداد سرعته إلى حتى يلتقي بالأرض ، عندئذ تكون طاقة وضعه (في العلاء ) قد تحولت إلى طاقة حركة ثانيا . وباصتدامه بالأرض تتحول طاقة حركته فورا إلى طاقة حرارية. وهذا يحقق قانون انحفاظ الطاقة.
وفي جميع نقطة من مسار الحجر أثناء الصعود والهبوطقد يكون مجموع طاقةحركته وطاقة وضعه ثابتا .أي إذا تزايدت واحدة تنقص الأخرى بنفس القدر .
أي أن:
- E = K + U
حيث:
- E الطاقة الكلية
- K طاقة الحركة
- U طاقة الوضع.
وتـُقاس طاقة الوضع مثلما تقاس طاقة الحركة ، بوحدة كيلوجرام .2متر . −2ثانية أوجول.
وبتطبيق المعادلة أعلاه نجد حتى الطاقة الكلية للحجر عند نقطة أقصى ارتفاع :
- E = صفر + U = U
أي تصبح الطاقة الكلية مساوية لطاقة الوضع .
وبتطبيق المعادلة على حركة الحجر عند عودته إلى الأرض ، تصبح الطاقة الكلية للحجر :
- K = E + صفر = K
أي عند عودة الحجر إلى الأرض تصبح الطاقة الكلية للحجر مساوية لطاقة حركته .
وتظهر طاقة حركة الحجر عند اصتدامه بالأرض على هيئة طاقة حرارية . ولكن الاختلاف في درجة الحرارة هناقد يكون ضئيلا فلا نشعر به . وكما تبين أعلاه يمكننا التعبير عن طاقة الحركة بوحدة الجول وهي وحدة حرارية .
تغير طاقة الوضع بالارتفاع عن سطح الأرض
تتغير طاقة الوضع لجسم بتغير ارتفاعه عن سطح الأرض. فإذا افترضنا مؤقتا حتى طاقة الوضع لجسم على سطح الأرض تساوي صفرا، ثم قمنا بقذف حجر عموديا إلى أعلى، يبدأ الجسم بطاقة حركة عالية وما يلبث حتى تهدأ سرعته رويدا رويدا بعمل الجاذبية أوالثنطقة وتتحول طاقة حركته خلال ارتفاعه إلى طاقة وضع. حتى إذا وصل الحجر إلى أقصى ازدياد له تكون جميع طاقة حركته قد تحولت إلى طاقة وضع. ويبدأ الحجر بعمل طاقة الوضع التحرك ثانيا إلى أسفل حيث تزداد سرعته إلى حتى يلتقي بالأرض، عندئذ تكون طاقة وضعه (التي اكتسبها في العلاء) قد تحولت إلى طاقة حركة ثانيا. وباصتدامه بالأرض تتحول طاقة حركته فورا إلى طاقة حرارية. وهذا يحقق قانون انحفاظ الطاقة.
وفي جميع نقطة من مسار الحجر أثناء الصعود والهبوطقد يكون مجموع طاقة حركته وطاقة وضعه ثابتا.أي إذا تزايدت واحدة تنقص الأخرى بنفس القدر.
وتـُقاس طاقة الوضع مثلما تقاس طاقة الحركة، بوحدة كيلوجرام.2متر. −2ثانية أوجول.
ويمكن كتابة الطاقة الكلية للجحر بالمعادلة:
- E = K + U
حيث:
- E الطاقة الكلية
- K طاقة الحركة
- U طاقة الوضع.
وبتطبيق المعادلة أعلاه نجد حتى الطاقة الكلية للحجر عند نقطة أقصى ارتفاع :
- E = صفر + U = U
أي تصبح الطاقة الكلية مساوية لطاقة الوضع.
وبتطبيق المعادلة على حركة الحجر عند عودته إلى الأرض، تصبح الطاقة الكلية للحجر :
- K = E + صفر = K
أي عند عودة الحجر إلى الأرض تصبح الطاقة الكلية للحجر مساوية لطاقة حركته.
وتظهر طاقة حركة الحجر عند اصتدامه بالأرض على هيئة طاقة حرارية. ولكن الاختلاف في درجة الحرارة هناقد يكون ضئيلا فلا نشعر به. وكما تبين أعلاه يمكننا التعبير عن طاقة الحركة بوحدة الجول وهي وحدة حرارية.
طاقة الوضع في البلورات
هناك نوع آخر من طاقة الوضع تظهر في البلورات. في البلورات تترتب الذرات في شكل شبكي ثلاثي الأبعاد حيث تتخد جميع ذرة موضعا في البلورة وتكون في العادة محاطة بستة ذرات أخرى : ذرتين فوق وتحت، وذرتين أمام وخلف، وذرتين على اليمين واليسار. وتقوم الذرة في موضعها هذا بحركة اهتزازية حول وضع الاتزان بعمل الحرارة.وتتحكم طاقة الوضع في الحركة الاهتزازية للذرات حيث تعيد الذرة إلى وضع الاتزان عندما تتعداه إلى أقصى بعد عنه. وتقاس تلك الحركة الاهتزازية في المتوسط ب kT/2 حيث k ثابت بولتزمان وT درجة الحرارة بالكلفن. فإذا أخذنا مجموع الذرات في نظام البلورة في الحسبان وجدنا أنها تحتوي على قدر كبير من الطاقة الكامنة أوبمعنى أخر طاقة الوضع.
طاقة الوضع في الجزيئات
تتكون الجزيئات من ذرات مرتبطة بعضها البعض. فجزيئ الأكسجين أوالنيتروجين يتكون من ذرتين. وجزيئ ثاني أكسيد الكربون يتكون من ثلاثة ذرات مرتبطة في شكل مستقيم وتتوسطهم ذرة (أوأيون) الكربون. ويتكون جزيئ الماء من ثلاثة ذرات تشكل مثلثا متساوي الضلعان وتتوسطتهم ذرة الأكسجين(تقدر زاوية المثلث عند ذرة الأكسجين بنحو113 درجة). جميع ذرات تلك الجزيئات تمارس اهتزازات حول مسقط اتزانها وتعمل الروابط بين الذرات مثل رباط المطاط وتتيح لهاالاهتزاز. وتقدر طاقة الوضع لكل نوع من تلك الاهتزازات في المتوسط بالمقدار kT/2 حيث k ثابت بولتزمان وT درجة الحرارة بالكلفن.
استغلال طاقة الوضع في توليد الكهرباء
تستخدم السدود عموما تخدم الغرض الأساسي للاحتفاظ بالمياه وتوليد الكهرباء. وتُستغل طاقة الوضع الهائلة المختزنة في مياه الأنهار خلف السدود على في توليد الطاقة الكهربائية في المحطات الكهرمائية. وفي تلك المحطات تتحول طاقة الوضع للماء أولا إلى طاقة حركة عند سقوط الماء من أعلى فيدير توربينا والذي يدير بدوره مولدا للكهرباء، وبذلك نحصل على الطاقة الكهربائية التي نستعملها لإنارة المنازل ولتشغيل المصانع. أطول سد في العالم هوسد نورك بارتفاع 300 متر في طاجيكستان.
الحركة الاهتزازية
هناك نوع آخر من طاقة الوضع تظهر في البلورات . في البلورات تترتب الذرات في شكل شبكي ثلاثي الأبعاد حيث تتخد جميع ذرة موضعا في البلورة وتكون محاطة بستة ذرات أخرى (في العادة) : ذرتين فوق وتحت ، وذرتين أمام وخلف ، وذرتين على اليمين واليسار . وتقوم الذرة في موضعها هذا بحركة اهتزازية حول وضع الاتزان بعمل الحرارة .وتتحكم طاقة الوضع في الحركة الاهتزازية للذرات حيث تعيد الذرة إلى وضع الاتزان عندما تتعداه إلى أقصى بعد عنه. وتقاس تلك الحركة الاهتزازية في المتوسط ب kT/2 حيث k ثابت بولتزمان و T درجة الحرارة بالكلفن.
انظر أيضا
- طاقة كامنة
- طاقة كهرمائية
