مصادر الطاقة والعلاقة التي تجمعها مع المادة

2011 طاقة الحركة والوضع – فهم التغيرات داخل الأنظمة الفيزيائية

جنيفر فيغاس

KSAG

مصادر الطاقة الطاقة علاقة المادة بالطاقة الفيزياء

الفيزياء هي دراسة المادة والطاقة والحركة، وبما أن كل شيء في عالمنا يرتبط بهذه الموضوعات الثلاث الأساسية، فإن الفيزياء يمكن أن تساعدنا على فهم الكثير من الأنظمة التي تدور في الكون.

ومما يثير الدهشة أن القوانين الكونية نفسها التي تنطبق على لعبة كرة السلة أو تحقيق نجاح في ميادين رياضية أخرى تنطبق أيضاً على تحليق الطائرات وإقلاع المكوك الفضائي ودوران الكواكب.

وقد يبدو لنا الأمر صعباً في البداية في أن نجد علاقة تربط بين فوز أحد نجوم كرة السلة في مباراة ما، وحركة النظام الشمسي، غير أن المبادئ الفيزيائية نفسها تنطبق على الحالتين؛ لأن المسألة تنحصر في أمرين هما : الطاقة والمادة.

 

المادة والطاقة

يتألف الكون من مادة وطاقة، ويمكننا أن نتصور المادة على أنها شيء خاضع لتأثير الطاقة، فإذا نظرت حولك ستجد أن كل شيء، وحتى الكتاب الذي بين يديك، عبارة عن مادة، وكذلك الأمر بالنسبة لمقعدك وقلمك وملابسك.

كما أن الصخور والماء والنباتات والحيوانات، وبل نحن أنفسنا أيضاً مكوّنون من المادة، والأرض وغيرها من الكواكب وكل النجوم وكل شيء مكوّن من المادة.

إن الطاقة مفهوم يصعب استيعابه تماماً؛ لأننا لا نستطيع دائماً أن نرى الطاقة أثناء وجودها، لكن الطاقة هي التي تحرك كل شيء حولنا.

 

تخيّل كيف سيكون حال العالم من دونها، إذ لن تتمكن الكائنات الحية أو أي شيء آخر من التنفس أو الحركة، ولن يتسنى للنباتات أن تنمو، ولن نستطيع ممارسة أعمالنا ونشاطاتنا.

كما ستكون البحار خالية تماماً من أي أمواج، أما النجوم فسوف تختفي عن الظهور ليلاً. فلاشك في أن المادة بلا طاقة تعني أن العالم الذي نعيش فيه سيصبح كئيباً وكالحاً، يخلو من أي نشاط أو حركة.

 

على الرغم من عدم قدرتنا على رؤية الطاقة عادة فإننا نستطيع أن نشاهد أثرها، وقد تظن أنك تستطيع رؤية الطاقة على شكل جازولين أو أسلاك كهربائية أو بطاريات، لكن هذه الأشياء في الواقع ليست سوى مواد وأجسام لها القدرة على تحرير الطاقة. إذن ما الطاقة؟

يعرّف العلماء الطاقة بأنها القدرة على أداء الشغل، وبعبارة أخرى، تسبب الطاقة تغيراً يؤدي إلى حدوث الأشياء.

 

الشمس مصدر إمدادنا بالطاقة

تُعدّ الشمس مصدر الطاقة الرئيس على كوكب الأرض. إذا خرجت من المنزل في يوم مشمس تستطيع أن ترى وتشعر حقاً بهذه الطاقة؛ لأن طاقة الشمس تتحرر بشكلين أساسيين هما: الضوء والحرارة.

ويُشكل الضوء المنبعث من الشمس أصل الطاقة التي يستخدمها الإنسان بدءاً من الطعام الذي يمدّنا بالطاقة وانتهاء بالكهرباء التي تشغل أجهزة التلفاز والحواسيب.

مع أننا قد نشعر بالحرارة وتسمرّ بشرتنا إذا أطلنا الوقوف تحت الشمس الساطعة، إلا أن أجسامنا تستطيع أن تحوّل قسماً فقط من أشعة الشمس إلى طاقة نافعة.

 

بينما تتولى الأزهار والأشجار والنباتات الأخرى القيام بالجزء الأكبر من عملية التحويل، ولولا ذلك لتدفقت الطاقة الشمسية بأكملها تقريباً على الأرض من دون أن تحدث أي أثر يُذكر.

فكل الكائنات الحية على كوكبنا الأرضي تستفيد من العملية التي تستخدمها النباتات كي تحوّل طاقة الشمس إلى طاقة غذائية، ويُطلق على هذه العملية اسم "البناء الضوئي".

 

البناء الضوئي

تستطيع النباتات الخضراء احتجاز الطاقة الضوئية المستمدة من الشمس داخل مادة خضراء تُسمى "الكلوروفيل" (أو اليخضور)، فعندما تغمر الشمس النباتات بالضوء، يقوم الكلوروفيل بامتصاص الضوء على شكل طاقة، ويُطلق على هذه العملية اسم "البناء الضوئي".

تجمع النباتات بين الطاقة الضوئية والماء وثاني أكسيد الكربون، وهو غاز موجود في الهواء المحيط بنا، لتصنع السكر البسيط (الغلوكوز).

 

تحتوي جميع النباتات الخضراء، سواء أكان طعمها حلواً أم لا، على أحد أنواع السكر، وتستخدم بعض النباتات هذا السكر كي تصنع منه أنواعاً أخرى من الطعام، كالنشا والدهون، الذي يمدّها بالغذاء، كما يمدّ الحيوان والإنسان أيضاً بهذا الغذاء.

وحتى اللحوم التي نتناولها كانت في الأصل موجودة داخل النباتات؛ لأن الحيوان في إحدى مراحل السلسلة الغذائية يتناول طعامه من مصدر نباتي، وعندما نتناول الدجاج أو السمك أو أي صنف آخر من اللحوم، نستفيد من هذه الأطعمة التي هي في الأساس من مصدر نباتي.

 

الوقود الأحفوري

يحصل الإنسان وغيره من الكائنات الحية على الطاقة عن طريق تناول الطعام، في حين تحصل السيارات والطائرات والحواسيب وأجهزة التلفزيون ومعظم المعدات والآلات الأخرى على الطاقة من الوقود الأحفوري، سواء بطريقة مباشرة أم غير مباشرة.

إن الغازولين وزيوت البترول والفحم الحجري والغاز الطبيعي وما إلى ذلك من أشكال الطاقة الأخرى، التي يُطلق عليها اسم الوقود الاحفوري، تطورت أصلاً من بقايا أحفورية نباتية وحيوانية تعود إلى فترات ما قبل التاريخ.

فالوقود الذي نستخدمه لتسيير المركبات تكوّنَ أساساً من مواد ذات أصل نباتي أو حيواني، وربما عاشت تلك الحيوانات والنباتات خلال عصر الديناصورات، أو حتى قبل ذلك بملايين السنين.

 

إن أكثر من 80 في المئة من الطاقة الموجودة في العالم، بما في ذلك الكهرباء، من منشأ أحفوري، فالعديد من محطات توليد الطاقة التي تنتج الكهرباء تستمد طاقتها من الفحم الحجري.

وقد يغيب عن أذهاننا أنه في كل مرة نستخدم فيها جهازاً كهربائياً تلجأ محطات توليد الطاقة إلى حرق الفحم لإنتاج الطاقة الحرارية، حيث تقوم الحرارة بغلي الماء لإنتاج البخار، ثم يندفع هذا البخار عبر آلة تدور بسرعة فائقة، ما يؤدي إلى إنتاج الكهرباء التي تنتقل عبر الأسلاك لمسافات طويلة.

عندما نصل أي جهاز يعمل بالكهرباء بمقبس كهربائي فإننا نستمد الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل ذلك الجهاز.

 

لكن موارد الوقود الأحفوري محدودة؛ لأن النباتات استغرقت آلاف، بل ملايين السنين لتتحول إلى فحم حجري أو بترول أو غاز طبيعي.

كما أن حرق الوقود الأحفوري ينتج أيضاً تلوثاً يؤدي في كثير من الأحيان إلى انتشار الضباب الدخاني والدخان وما يرتبط بهما من مشكلات بيئية وصحية.

ومع أن موارد الوقود الأحفوري تتضاءل تدريجياً، بالإضافة إلى الأخطار الكامنة وراء استخدامه، فقد شهد الوقود الأحفوري إقبالاً متزايداً بمعدل يتضاعف كل عشرين سنة منذ العام 1900.

 

يبحث العلماء في الوقت الراهن عن مصادر متجددة للطاقة لا تنضب أبداً، أو تظل متوافرة لفترة زمنية طويلة جداً، وتعتمد معظم هذه المصادر بشكل مباشر على الطاقة الشمسية.

ونستطيع على سبيل المثال جمع الطاقة الشمسية بواسطة خلايا اصطناعية تشبه إلى حد كبير الطريقة التي تقوم فيها خلايا النبات بجمع الطاقة الضوئية المنبعثة من الشمس.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]