ما هي طرق انتقال الطاقة وما هي تطبيقاتها؟

ماذا نعني بانتقال الطاقة؟

الطاقة موجودة في كل مكان، وعند التمعن في مصطلح الطاقة فإننا ندرك أنه يعني القدرة على القيام بأي العمل، بغض النظر عن نوع هذه الطاقة مثل الحرارة والضوء والصوت، فنحن بحاجة إلى الطاقة عند التحرك والقيام بالأنشطة اليومية المعتادة وكذلك نحن بحاجة للطاقة لنشعل الإنارة في بيوتنا، ولتشغيل الأدوات المنزلية كالثلاجات ومكيفات الهواء وأجهزة الحاسوب، ونستخدم الطاقة في قيادة سياراتنا ووسائل النقل المختلفة وفي بطاريات هواتفنا النقالة التي تختزنها دوريًا، وحتى نوم الإنسان تلزمه الطاقة، كمل تتميز بقدرتها على الانتقال من وسط لآخر وتغير شكلها الذي تكون عليه في الأصل بواسطة العوامل المختلفة، فمثلًا: تغير الطاقة من شكلها عند استخدامنا لها في بطارية أي جهاز إلكتروني فتتحول من طاقة كيميائية إلى طاقة كهربائية تنتقل عبر الأسلاك وتمدنا بالقدر الذي نحتاج إليه.

تتواجد الطاقة الضوئية في كل يوم بشكل يمكننا أن نلمسه من حولنا، ويُعد هذا هو الشكل الوحيد من أشكال الطاقة الذي يمكن أن نبصره ونشعر بوجوده كضوء الشمس الذي يُعد بمثابة طاقة تساعد النباتات على صنع الغذاء والنمو، وتُساعد الطاقة المستمدة من ضوء الشمس على تشغيل الخلايا الشمسية التي تولد الكهرباء وبالتالي تشغيل أغلب الأجهزة التي تحيط بنا والتي تعمل على الكهرباء.

عادة ما تنتقل الطاقة من الأجسام التي تمتلكها بشكل أكبر للأجسام التي تمتلكها بشكل أقل كالتدفئة، فتنتقل الطاقة الحرارية من الجسم الساخن للجسم البارد وينخفض حينها فارق درجة الحرارة بينهما وهذا هو السبب الرئيسي لانتقال الطاقة، وتنقل بشكل ميكانيكي كحركة أجزاء الآلات الضخمة، وعن طريق الموجات الصوتية والموجات الزلزالية التي تنقلها من خلال المواد من منطقة إلى منطقة أخرى، حتى الغذاء الذي نتناوله يُخزن طاقةً تساعد الكائنات الحية في التنفس، ومن الممكن أن نشبه هذا المثال باحتراق قطعةٍ من الخشب عندما تتحول الطاقة الداخلية في الخشب إلى حرارة ثم إلى ضوء عند اشتعال اللهب^[١][٢].

ما هي طرق انتقال الطاقة؟

تنتقل الطاقة بثلاث طرق، هي: الحمل الحراري والتوصيل والإشعاع؛ وفيما يأتي شرح مبسط عن آلية عمل هذه الطرق^[٣]:

التوصيل الحراري

تنتقل الطاقة الحرارية في المواد الصلبة عن طريق التوصيل، فهي تنتقل من الجزء الأكثر سخونةً إلى الجزء البارد عن طريق اهتزاز الجزيئات في الجسم الصلب، فتتذبذب الجزيئات الأكثر سخونةً نتيجة اكتسابها الطاقة الحرارية وتنقل هذا التذبذب إلى الجزيئات التي بجانبها في نفس الوقت، فتتميز المواد الموصلة للحرارة بجزيئاتها المتراصة، فمثلًا عند وضع مقلاة لها يد على النار سنلاحظ بعد مرور الوقت انتقال الحرارة من قعر المقلاة إلى يدها سريعًا.

الحمل

يمكن للغازات والسوائل أن تنقل الطاقة عن طريق الحمل، ولنضرب مثالًا لتسهيل فهم هذه الطريقة؛ فمثلًا: عند تسخين كوب من الماء من الأسفل ستصبح جزيئات الماء الموجودة في الأسفل ساخنةً وتتمدد وتقل كثافتها؛ وهذا يعني أنها سترتفع نحو أعلى الكوب وستحل محلها جزيئات الماء الباردة التي ستكون ذات كثافة أكبر من جزيئات الماء الساخنة الصاعدة، وبعد مدة ستسخن هذه الجزيئات الجديدة في أسفل الكوب وسترتفع أيضًا للأعلى لأن كثافتها قد قلت، وستنزل جزيئات الماء التي صعدت في البداية لأنها بردت على السطح وسيُعاد تسخينها وستتكرر هذه العملية مرةً أخرى، وبعد فترة من الوقت سيحمل السائل بالكامل درجة حرارة واحدة وثابتة، ويعود سبب عملية التكرار هذه إلى ظاهرة التمدد والتغير المتسمر في كثافة الجسيمات وهذا ما يسمى بِتيار الحمل.

الإشعاع

هذه الطريقة تختلف تمامًا عن الحمل والتوصيل، لأنها لا تحتاج لأي جزيئات لنقل الطاقة، كونها تستخدم عِوضًا عن الجزيئات الموجات، مثل: الأشعة تحت الحمراء فهي تُعد نوعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي، ومثال من حياتنا اليومية على هذه الطريقة؛ هو شعورنا بالحرارة من الشمس ونحن على الأرض؛ وهذا يفسر انتقال موجات الطاقة في الفضاء.

تطبيقات على طرق انتقال الطاقة

إن التطبيقات المستخدمة والمبتكرة في طرق انتقال الطاقة كثيرة وواسعة، ولكن سنعرض لكِ في هذا المقال بعض التطبيقات التي تجري بواسطة طرق انتقال الطاقة^[٤]:

• علاقتها بالعلوم الهندسية، يُعد نقل الطاقة وعلى وجه الخصوص نقل الطاقة الحرارية مجالًا أساسيًا للدراسة في التخصص الهندسي، فالحمل يُعد المرتكز الأساسي لعلم الميكانيكا لتحديد تدفق الهواء في المباني، فعند تصميم نظام تهوية المباني مثلًا ينتبه المهندسون لكيفية نقل الحرارة للمبنى ولمحيطه وكذلك في داخله، وبناءً عليه فإنهم يختارون المواد التي تزيد أو تقلل من نقل الحرارة للمبنى وفقًا للمطلوب عن طريق استخدام مواد معينة تحسن من كفاءة البناء.
• تنتقل الطاقة الحرارية كل يوم من الشمس إلى الفضاء الفارغ ثم إلى الأرض، وطاقة الشمس هي القوة الرئيسية والمحركة لمعظم أنظمتنا في الكوكب في الوقت الحالي، ولنتخيل أنه لا توجد طريقة لنقل هذه الطاقة من الشمس إلى الأرض ستحصل حينها الكوارث، وهذا التخيل يُعد دليلًا قطعيًا لعد طرق نقل الطاقة من أهم مسيّرات الحياة البشرية، فطاقة الشمس تعطينا الحرارة والضوء، كما أنها مصدر رئيسي للطاقة المتجددة المستخدمة بكثرة في عالمنا الحالي.

تجارب تُسهّل فهم الأطفال لانتقال الطاقة

اليكِ بعض التجارب التي قد تساعدك على إيصال فكرة وعملية انتقال الطاقة للأطفال بطريقة علمية ومرئية^[٥]:

• تجربة الجليد والملح: تُعد هذه التجربة من التجارب الممتعة التي يستكشف فيها الأطفال تأثير الملح على الجليد وكيف تنتقل الحرارة في الجليد وبين المناطق المجاورة للبؤرة الموضوع عليها الملح.
• تجربة الزجاجة الطائفة: وللقيام بهذه التجربة ما عليك سوى أن تملئي نصف زجاجة فارغة بماءٍ مغليٍ وتُحكمي إغلاقها وتضعيها داخل وعاء يحتوي على ماء بارد وثلج، سترفع المياه الباردة الزجاجة والتي تحتوي على جزيئات الماء الأقل كثافةً وتطفو على سطح الوعاء؛ وهذه التجربة العلمية البسيطة ستظهر كيف أن الطاقة الحرارية العالية تشغل مساحةً كبيرةً على عكس الطاقة الحرارية المنخفضة.
• تجربة صنع العصير المثلج: وهذه من أمتع وأجمل التجارب التي سيحبها معظم الأطفال وستلفت انتباههم كثيرًا لأنهم سوف ينتظرون العصير المثلج في النهاية بفارغ الصبر، للقيام بهذه التجربة ستحتاجين إلى: أكواب بلاستيكية، وعصير، والكثير من الثلج ووعاء كبير بارتفاع عالٍ، وملح، ما عليك سوى ملء الأكواب بالعصير ووضعها في الوعاء، بعد ذلك أضيفي الثلج إلى الوعاء مع الحرص أن يصل إلى ثلاثة أرباع الأكواب بعد ذلك غطي الثلج بالملح، وانتظري مع الأطفال العصير المثلج الذي سيبرد نتيجة انتقال برودة الثلج إلى الأكواب.

المراجع

1. ↑ "Energy stores and transfers", bbc, Retrieved 31-7-2020. Edited.
2. ↑ "ENERGY TRANSFER FOR KIDS MADE EASY!", generationgenius, Retrieved 6-7-2020. Edited.
3. ↑ "What are the different ways that energy can be transferred?", mytutor, Retrieved 7-6-2020. Edited.
4. ↑ "Lesson: Heat Transfer", teachengineering, Retrieved 7-6-2020. Edited.
5. ↑ "Science Fair Heat Transfer Experiments", steampoweredfamily, Retrieved 7-6-2020. Edited.