منصّة الأستاذ تبيب حكيم للفيزياءwww.tebibphysique.com

السنة الثانية ثانوي · مقاربة كيفية لطاقة جملة وانحفاظها

مقاربة كيفية لطاقة جملة وانحفاظها

90 دقيقةمتوسط

درس كامل لأولى وحدات مجال الميكانيك والطاقة: ما معنى الطاقة في الفيزياء، كيف نختار الجملة، ما هي أشكال الطاقة الأربعة وأنماط تحويلها، وكيف ننجز حصيلة طاقوية ونكتب معادلة انحفاظ الطاقة. مع أربعة تطبيقات محلولة وسبعة عشر تمرينا واختبار من خمسة وعشرين سؤالا.

تحميل ملخّص الدرس (PDF)

الهدف:

تحديد الجملة المدروسة وتمييز ما هو داخلها عما هو في الوسط الخارجي
التعرف على أشكال الطاقة الأربعة ومعرفة الجملة التي تملك كل شكل
تمييز أنماط تحويل الطاقة الأربعة ومعرفة شرط تحقق كل نمط
حساب استطاعة التحويل والتحويل بين الجول والكيلوواط ساعي
إنجاز حصيلة طاقوية وكتابة معادلة انحفاظ الطاقة انطلاقا منها
تفسير التحويل الحراري والتوازن الحراري مجهريا

1. مدخل لدراسة الطاقة

كلمة «طاقة» تستعمل في الحياة اليومية بمعان مختلفة:

العبارة	المقصود بها
إنسان يملك طاقة	إنسان فائق النشاط والحيوية
الطاقة في المجال الاقتصادي	الثروات الطبيعية كالغاز والبترول والفحم
الطاقات المتجددة	الطاقة الشمسية، طاقة الرياح، الطاقة المائية

مفهوم الطاقة في الفيزياء

الطاقة مقدار كمي تقاس به شدة التفاعلات بين الأجسام وشدة الظواهر الفيزيائية، ويختلف التعبير عن هذه التفاعلات باختلاف التحويلات التي تحدث. وحدتها في الجملة الدولية هي الجول $(J)$ .

مفهوم الجملة

الجملة هي جسم، أو جزء من جسم، أو مجموعة أجسام نختارها نحن قصد دراستها. وكل ما هو خارجها يسمى الوسط الخارجي أو المحيط.

اختيار الجملة ليس تفصيلا شكليا: هو الذي يحدد أشكال الطاقة التي تملكها الجملة، وأي التبادلات تعد داخلية وأيها خارجية. سنعود إلى هذه الفكرة في كل تمرين تقريبا.

2. التحليل الطاقوي لبعض التجهيزات البسيطة

2-1. السلسلة الوظيفية (تذكير)

السلسلة الوظيفية

السلسلة الوظيفية تمثيل رمزي يعبر عن كيفية الحصول على الفعل النهائي في تركيب ما، وتبنى من عنصرين:

العنصر	المدلول	أمثلة
فعل الأداء	ما يؤديه جسم في جسم آخر مرتبط به	يسحب، يدفع، يغذي، يسخن، يضيء
فعل الحالة	حالة الجسم ودوره في التركيب	يسقط، يدور، يتقدم، يسخن، يتوهج، يحترق

2-2. السلسلة الطاقوية

السلسلة الطاقوية

السلسلة الطاقوية تطوير لنموذج السلسلة الوظيفية. للانتقال من إحداهما إلى الأخرى نجري تعويضين:

في السلسلة الوظيفية	في السلسلة الطاقوية
فعل الأداء (يسحب، يغذي)	نمط تحويل الطاقة $(W_m,\ W_e,\ Q,\ E_r)$
فعل الحالة (يسقط، يتوهج)	شكل الطاقة $(E_c,\ E_i,\ E_{pp},\ E_{pe})$

الشكل 1: من السلسلة الوظيفية إلى السلسلة الطاقوية

اصطلاح الأسهم

نرمز للتحويل الطاقوي المفيد بين جملتين بسهم متصل، وللتحويل غير المفيد (الضائع) بسهم متقطع.

2-3. وصف ظاهرة بالسلسلتين

مثال: إشعال مصباح بواسطة سقوط جسم يدير منوبا.

الشكل 2: السلسلتان الوظيفية والطاقوية لنفس التركيب

3. أشكال الطاقة وأنماط تحويلها

3-1. الطاقة الحركية

نشاط تجريبي

نضع عربة صغيرة على مستو أملس وأفقي، ونربطها بخيط مطاطي مثبت عند حاجز ثابت، ثم ندفعها في الاتجاه المعاكس بسرعة ابتدائية.

الشكل 3: عربة مربوطة بخيط مطاطي على مستو أفقي أملس

الملاحظة: يستطيل المطاط وتتوقف العربة بعد قطعها مسافة معينة.

الاستنتاج: اكتسب المطاط طاقة كامنة مرونية، حيث تحولت الطاقة الحركية للعربة إلى طاقة كامنة مرونية اكتسبها المطاط.

ماذا يحدث للعربة بعد ذلك؟

عرض الحل

تعود بفعل الطاقة الكامنة المرونية للمطاط، التي تتحول من جديد إلى طاقة حركية، فتواصل العربة حركتها إلى أن تصطدم بالحاجز

ماذا يحدث إذا زدنا سرعة الدفع الابتدائية؟

عرض الحل

تزداد الطاقة الحركية الابتدائية للعربة، فيستطيل المطاط أكثر، أي تزداد الطاقة الكامنة المرونية المخزنة فيه

ماذا يحدث إذا استعملنا عربة أكبر كتلة بنفس السرعة؟

عرض الحل

تزداد الطاقة الحركية الابتدائية للعربة أيضا، فيستطيل المطاط أكثر

انتبه إلى ترتيب السبب والنتيجة: في هذا النشاط الطاقة الحركية هي السبب والطاقة الكامنة المرونية هي النتيجة. العربة هي التي تعطي، والمطاط هو الذي يستقبل.

الخلاصة

يملك كل جسم متحرك في مرجع معين طاقة حركية نرمز لها بالرمز $E_c$ . تتعلق هذه الطاقة بـسرعة الجسم في المرجع المعتبر، بحيث تزداد كلما زادت السرعة، كما تتعلق طرديا بكتلته.

3-2. الطاقة الداخلية

نشاط تجريبي

نحقق الدارة الممثلة في الشكل، ونقيس درجة حرارة الماء داخل المسعر بواسطة محرار، ثم نغلق القاطعة ونتركها مدة زمنية، ونعيد القياس.

الشكل 4: مقاومة كهربائية تسخن ماء داخل مسعر حراري

الملاحظة: ترتفع درجة حرارة الماء بعد غلق القاطعة.

هل اكتسب الماء طاقة؟ ما شكلها؟ وبماذا تتعلق؟

عرض الحل

نعم، اكتسب طاقة شكلها طاقة داخلية $E_i$ ، وتتعلق بالحركة العشوائية لجزيئات الماء داخل المسعر

ما نمط تحويل الطاقة من المقاومة الكهربائية إلى الماء؟

عرض الحل

تحويل حراري $Q$

السلسلة الطاقوية للتركيب:

الشكل 5: السلسلة الطاقوية لتسخين الماء

الخلاصة

عندما ترتفع درجة حرارة الماء تزداد طاقته الداخلية $E_i$ . ونفسر ذلك بازدياد الطاقة الحركية لجزيئات الماء (طاقة حركية مجهرية أو ميكروسكوبية)، أي أنه حدث تحويل حراري بين المقاومة الكهربائية والماء، نرمز له بالرمز $Q$ .

3-3. الطاقة الكامنة المرونية

نشاط تجريبي

ندفع عربة صغيرة على مستو أفقي أملس بسرعة ابتدائية صوب نابض أفقي مثبت إلى حاجز، فتضغطه بمقدار معين حتى تنعدم سرعتها.

الشكل 6: عربة تضغط نابضا مثبتا إلى حاجز

هل يخزن النابض طاقة في وضعية الراحة؟

عرض الحل

لا، لأن تشوهه معدوم: طوله يساوي طوله الطبيعي $l_0$

هل يخزن طاقة عندما تتوقف العربة؟ ما شكلها؟

عرض الحل

نعم، اكتسبها من العربة، وشكلها طاقة كامنة مرونية $E_{pe}$ ، وتتعلق بمقدار تشوه النابض

ما نمط تحويل الطاقة من العربة إلى النابض؟

عرض الحل

تحويل ميكانيكي $W_m$ (بعمل قوة)

ماذا يحدث إذا زدنا سرعة الدفع الابتدائية؟

عرض الحل

تكون الطاقة الحركية للعربة أكبر، فينضغط النابض أكثر وتزداد طاقته الكامنة المرونية

الخلاصة

عندما يكون نابض منضغطا أو مستطيلا فإنه يخزن طاقة تتعلق بمقدار تشوهه، نسميها الطاقة الكامنة المرونية ونرمز لها بالرمز $E_{pe}$ . وكلما زاد تشوه النابض زادت طاقته الكامنة المرونية المخزنة. وهي معدومة في حالة الراحة فقط.

3-4. الطاقة الكامنة الثقالية

نشاط تجريبي

نترك جسما يسقط من ارتفاع $h$ عن سطح الأرض دون سرعة ابتدائية، فيترك أثرا في الأرضية الرملية.

الشكل 7: جسم يسقط من ارتفاع h على أرضية رملية

هل يملك الجسم طاقة لحظة لمسه الأرضية؟

عرض الحل

نعم، والدليل هو الأثر المتروك في الرمل. شكلها طاقة حركية $E_c$

هل تملك الجملة (جسم + أرض) طاقة قبل السقوط؟

عرض الحل

نعم، لأن هذه الطاقة هي التي تحولت بعد ذلك إلى طاقة حركية خلال السقوط. شكلها طاقة كامنة ثقالية $E_{pp}$

نزيد ارتفاع السقوط: ماذا تستنتج؟

عرض الحل

طاقة الجملة أكبر: فهي تتعلق بارتفاع الجسم عن المرجع

نثبت الارتفاع ونستعمل جسما أكبر كتلة: ماذا تستنتج؟

عرض الحل

طاقة الجملة أكبر أيضا: فهي تتعلق بكتلة الجسم

الخلاصة

عندما يكون جسم كتلته $m$ على ارتفاع $h$ من سطح الأرض، فإن الجملة (جسم + أرض) تخزن طاقة كامنة ثقالية $E_{pp}$ ، تتعلق بكتلة هذا الجسم وبارتفاعه عن المرجع المختار.

تنبيه على خطأين شائعين

الطاقة الكامنة الثقالية ليست للجسم وحده: هي طاقة الجملة (جسم + أرض)، لأنها ناتجة عن التجاذب بين الجسم والأرض. إذا اخترنا الجملة (جسم) فقط، فهي لا تملك $E_{pp}$ ، وإنما تتبادل الطاقة مع الأرض بـعمل قوة الثقل.
رمز الطاقة الكامنة الثقالية هو $E_{pp}$ ، ورمز الطاقة الكامنة المرونية هو $E_{pe}$ . الخلط بينهما خطأ شائع جدا في الامتحانات.

3-5. أنماط تحويل الطاقة

تنتقل الطاقة من جملة إلى أخرى وفق أربعة أنماط لا غير:

نمط التحويل	الرمز	متى يتحقق؟	مثال
تحويل ميكانيكي	$W_m$	بواسطة عمل قوة (دفع، سحب، قوة الثقل، قوة نابض)	رافعة ترفع خشبة
تحويل كهربائي	$W_e$	عندما يمر تيار كهربائي في دارة	عمود يغذي مصباحا
تحويل حراري	$Q$	بين جملتين متلامستين بينهما فرق في درجة الحرارة	مقاومة تسخن الماء
تحويل إشعاعي	$E_r$	بواسطة إشعاع كهرومغناطيسي	الشمس تغذي خلية شمسية

تدقيق حول التحويل الحراري

التحويل الحراري لا يتحقق عندما تتغير درجة حرارة الجسم. تغير درجة الحرارة هو نتيجة التحويل لا سببه؛ السبب هو وجود فرق في درجة الحرارة بين جملتين متلامستين.

4. استطاعة التحويل

نشاط تجريبي

نأخذ وعاءين متماثلين فيهما نفس الحجم من الماء. نضع تحت أحدهما مصدرا حراريا واحدا (شمعة)، وتحت الثاني شمعتين، ونترك الوعاءين نفس المدة الزمنية.

الشكل 8: وعاءان متماثلان، شمعة واحدة تحت الأول وشمعتان تحت الثاني

الملاحظة: درجة الحرارة في الوعاء الثاني أكبر.

الاستنتاج: ارتفعت درجة حرارة الماء في الوعاء الثاني أكثر مما ارتفعت في الأول خلال نفس المدة، أي أن الماء في الوعاء الثاني اكتسب طاقة أكبر. نقول إنه حدث تحويل طاقوي أسرع في الحالة الثانية منه في الأولى.

استطاعة التحويل

تعرف استطاعة التحويل على أنها السرعة التي يحدث بها تحويل الطاقة من شكل إلى آخر أو من جملة إلى أخرى:

P = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}

الرمز	المدلول	الوحدة
$P$	استطاعة التحويل	الواط $(W)$
$\Delta E$	الطاقة المحولة	الجول $(J)$
$\Delta t$	مدة التحويل	الثانية $(s)$

الكيلوواط ساعي: وحدة عملية تستعمل في فواتير الكهرباء لأن الجول وحدة صغيرة جدا بالنسبة للاستهلاك المنزلي:

1\ kWh = 1000\ W \times 3600\ s = 3{,}6 \times 10^{6}\ J

الأسئلة

مصباح استطاعته $P = 60\ W$ يشتغل مدة $\Delta t = 2\ h$ . احسب الطاقة التي يحولها بالجول ثم بالكيلوواط ساعي.

المقدار	$\Delta E\ (J)$	$\Delta E\ (kWh)$
القيمة

عرض الحل

$\Delta E = P \cdot \Delta t = 60 \times 2 \times 3600 = 432\,000\ J$ ، و $\Delta E = 0{,}060\ kW \times 2\ h = 0{,}12\ kWh$ .

5. مبدأ انحفاظ الطاقة

مبدأ انحفاظ الطاقة

«الطاقة لا تستحدث ولا تزول، فإذا اكتسبت جملة ما طاقة أو فقدتها، فإن هذه الطاقة تكون بالضرورة قد أخذت من جملة (أو جمل) أخرى أو قدمت لها.»

معادلة انحفاظ الطاقة: بين اللحظتين $t_1$ و $t_2$ يمكن لطاقة الجملة أن تتغير لاستقبالها أو تقديمها طاقة بتحويلات مختلفة. واعتمادا على مبدأ انحفاظ الطاقة تكتب معادلة الانحفاظ على النحو التالي:

الطاقة الابتدائية + الطاقة المستقبلة - الطاقة المقدمة = الطاقة النهائية

E_1 + E_{mustaqbala} - E_{muqaddama} = E_2

الطاقة المستقبلة هي التي تستقبلها الجملة من الوسط الخارجي خلال التحويل، والطاقة المقدمة هي التي تفقدها لصالحه.

الجملة المعزولة طاقويا

إذا كانت الجملة لا تتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي نقول عنها إنها معزولة طاقويا، فتصبح معادلة الانحفاظ:

E_1 = E_2

أي أن الطاقة الكلية للجملة ثابتة، وإن تحولت داخلها من شكل إلى آخر.

6. الحصيلة الطاقوية

الحصيلة الطاقوية عبارة عن تمثيل رمزي لتغير الطاقة في جملة بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية. نمثل فيها:

الجملة بفقاعة مكتوب اسمها فوقها؛
تغيرات طاقة الجملة بعمود لكل شكل، بداخله سهم يبين كيفية تغير هذه الطاقة؛
الطاقات المستقبلة والمقدمة (مفيدة أو ضائعة) بأسهم، والضائع بسهم متقطع.

الشكل 9: النموذج العام للحصيلة الطاقوية

عدد الأعمدة: عدد الأعمدة داخل الفقاعة الواحدة متعلق بعدد أشكال الطاقة المتغيرة $(E_c,\ E_i,\ E_{pp},\ E_{pe})$ بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية للجملة. وفي حالة عدم تغير شكل من الأشكال، إما ألا نرسم عموده، وإما أن نمثله بـعمود فارغ بدون سهم.

منهجية إنجاز حصيلة طاقوية في ست خطوات

حدد الجملة واكتب اسمها بين قوسين. هذا هو القرار الذي يحكم كل ما بعده.

حدد الحالة الابتدائية والحالة النهائية (اللحظتان أو الموضعان).

أحص أشكال الطاقة التي تملكها الجملة، واستبعد ما لا يتغير.

ارسم الفقاعة بعمود لكل شكل متغير، وسهما للأعلى إن ازداد وللأسفل إن نقص.

ارسم أسهم التبادل مع الوسط الخارجي، ومتقطعة لما يضيع. جملة معزولة تعني: لا سهم خارجي.

اكتب معادلة الانحفاظ انطلاقا من الرسم.

7. مقاربة كيفية لطاقة جملة وانحفاظها

نشاط 01: كرة تقذف نحو الأعلى

نشاط تجريبي

يقذف طفل كرة برجله نحو الأعلى. المطلوب تمثيل الحصيلة الطاقوية للجملة (كرة + أرض) في مرحلة الصعود، أي من لحظة مغادرة الكرة رجل الطفل إلى غاية بلوغها أعلى نقطة.

عند القذف تنتقل طاقة من الطفل إلى الجملة بنمط ميكانيكي $(W_m)$ فتكتسب الكرة سرعة ابتدائية. وخلال مرحلة الصعود، بعد مغادرة الرجل، لا تتبادل الجملة أي طاقة مع الخارج (الاحتكاك مهمل): تنقص $E_c$ وتزداد $E_{pp}$ .

الشكل 10: الحصيلة الطاقوية للجملة كرة وأرض في مرحلة الصعود

E_{c1} + E_{pp1} = E_{c2} + E_{pp2}

نشاط 02: عمود يغذي مصباحا

نشاط تجريبي

يغذي عمود مصباحا كهربائيا. المطلوب تمثيل الحصيلة الطاقوية وكتابة معادلة انحفاظ الطاقة للجملة (عمود كهربائي).

الشكل 11: الحصيلة الطاقوية لعمود كهربائي يغذي مصباحا

E_{i1} - W_e = E_{i2}

أما المصباح فيستقبل $W_e$ ويقدمه للوسط الخارجي على شكل $E_r$ (مفيد) و $Q$ (ضائع).

8. التحويل الحراري والتوازن الحراري

نشاط تجريبي

نضع كأس حليب بارد داخل وعاء فيه ماء ساخن، وندرس الجملة (الوعاء + الماء + الكأس + الحليب).

هل الجملة في البداية في توازن حراري؟

عرض الحل

لا، لأن أجسامها ليست في نفس درجة الحرارة

هل هذه الحالة دائمة؟

عرض الحل

لا، لأن الطاقة تنتقل بتحويل حراري من الجسم الساخن إلى الجسم البارد

ماذا يحدث بعد مدة؟

عرض الحل

يصبح للماء والحليب نفس درجة الحرارة، فيتوقف التحويل الحراري

الشكل 12: الحصيلة الطاقوية للحليب

الخلاصة

يحدث تحويل حراري داخل جملة غير متوازنة حراريا، من الجسم الساخن نحو الجسم البارد. ويتواصل هذا التحويل إلى أن تصبح جميع أجسام الجملة في نفس درجة الحرارة، فنقول عندئذ إن الجملة في توازن حراري.

9. التفسير المجهري لدرجة الحرارة

تتحرك الأفراد الكيميائية (ذرات، جزيئات، شوارد) المكونة للمادة حركة عشوائية غير منتظمة ودائمة.

درجة الحرارة هي الوسيلة المستعملة لقياس شدة هذه الحركة داخل المادة.
كلما كانت حدة الحركة في المادة كبيرة، كانت درجة حرارتها كبيرة.

المركبة الحرارية للطاقة الداخلية

هي الطاقة المخزنة في جملة ما، والمرتبطة بـالطاقة الحركية المجهرية الناتجة عن الحركة غير المنتظمة للدقائق المكونة لهذه الجملة.

التفسير المجهري للتحويل الحراري والتوازن الحراري: يحدث تحويل حراري بين جملتين إذا كانتا متلامستين وتحت درجتين مختلفتين من الحرارة، حيث تنتقل الطاقة من الجملة الساخنة نحو الجملة الباردة:

تفقد الجملة الساخنة جزءا من طاقتها الداخلية فتنخفض درجة حرارتها؛
تكتسب الجملة الباردة هذه الطاقة فترتفع درجة حرارتها.

وعندما تصبح الجملتان في نفس درجة الحرارة يتوقف التحويل الحراري: نقول عندئذ إن الجملتين في حالة توازن حراري.

تدقيق مهم جدا

الحرارة $Q$ ليست مقدارا تملكه المادة ولا يخزن فيها: هي تحويل للطاقة. لذلك نقول «حدث تحويل حراري» ولا نقول «الحرارة المخزنة في الجسم».
الذي تخزنه المادة هو الطاقة الداخلية $E_i$ .
درجة الحرارة ليست هي الحركة، بل هي مقياس لشدتها.

تعاريف مهمة

الجملة

جسم، أو جزء من جسم، أو مجموعة أجسام نختارها قصد دراستها. كل ما هو خارجها يسمى الوسط الخارجي أو المحيط. أشكال الطاقة التي تملكها الجملة تتعلق باختيارنا لها، لذلك تبدأ كل دراسة بتحديدها بدقة.

الطاقة الحركية

الطاقة التي يملكها كل جسم متحرك في مرجع معين، ونرمز لها بالرمز $E_c$ . تزداد بازدياد سرعة الجسم، وتتعلق طرديا بكتلته. وحدتها الجول $(J)$ .

الطاقة الداخلية

الطاقة المخزنة في جملة والمرتبطة بالحركة العشوائية المجهرية لدقائقها، ونرمز لها بالرمز $E_i$ . ترتفع عندما ترتفع درجة حرارة الجسم، لأن شدة الحركة المجهرية تزداد.

الطاقة الكامنة المرونية

الطاقة التي يخزنها نابض أو جسم مرن مشوه، ونرمز لها بالرمز $E_{pe}$ . تتعلق بمقدار التشوه، سواء كان انضغاطا أو استطالة، وهي معدومة في حالة الراحة فقط، أي عندما يكون طول النابض هو طوله الطبيعي $l_0$ .

الطاقة الكامنة الثقالية

الطاقة التي تخزنها الجملة (جسم + أرض) عندما يكون الجسم على ارتفاع من المرجع المختار، ونرمز لها بالرمز $E_{pp}$ . تتعلق بكتلة الجسم وبارتفاعه. لا تنسب إلى الجسم وحده لأنها ناتجة عن التجاذب بينه وبين الأرض.

نمط تحويل الطاقة

الطريقة التي تنتقل بها الطاقة من جملة إلى أخرى. هناك أربعة أنماط لا غير: ميكانيكي $W_m$ بعمل قوة، كهربائي $W_e$ بمرور تيار، حراري $Q$ بفرق في درجة الحرارة، وإشعاعي $E_r$ بإشعاع كهرومغناطيسي.

استطاعة التحويل

السرعة التي يحدث بها تحويل الطاقة، وتعطى بالعلاقة $P = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$ . وحدتها الواط $(W)$ ، أي جول في الثانية. نفس الطاقة المحولة في مدة أقصر تعني استطاعة أكبر.

الجملة المعزولة طاقويا

جملة لا تتبادل أي طاقة مع الوسط الخارجي. معادلة انحفاظ الطاقة لها تكتب $E_1 = E_2$ : طاقتها الكلية ثابتة، وإن تحولت داخلها من شكل إلى آخر. في حصيلتها الطاقوية لا يرسم أي سهم خارجي.

الحصيلة الطاقوية

تمثيل رمزي لتغير طاقة جملة بين حالة ابتدائية وحالة نهائية: فقاعة تحمل اسم الجملة، وعمود لكل شكل من أشكال الطاقة المتغيرة بداخله سهم يبين الازدياد أو النقصان، وأسهم للطاقات المستقبلة والمقدمة.

التوازن الحراري

حالة تكون فيها جميع أجسام الجملة في نفس درجة الحرارة، فيتوقف التحويل الحراري بينها. وقبل بلوغه تنتقل الطاقة من الجسم الساخن نحو الجسم البارد.

درجة الحرارة

المقدار الذي نقيس به شدة الحركة العشوائية المجهرية للأفراد الكيميائية المكونة للمادة. كلما كانت هذه الحركة أشد كانت درجة الحرارة أكبر. وهي ليست هي الحركة نفسها، بل مقياس لشدتها.

القوانين

قانون : مبدأ انحفاظ الطاقة

E_1 + E_{mustaqbala} - E_{muqaddama} = E_2

الطاقة لا تستحدث ولا تزول. إذا اكتسبت جملة طاقة أو فقدتها فإنها بالضرورة أخذتها من جملة أخرى أو قدمتها لها. الطاقة المستقبلة تدخل بإشارة موجبة والمقدمة بإشارة سالبة.

قانون : الجملة المعزولة طاقويا

E_1 = E_2

لا تبادل مع الوسط الخارجي، إذن لا سهم خارجي في الحصيلة الطاقوية. الطاقة الكلية ثابتة لكنها تتحول داخل الجملة من شكل إلى آخر، مثل تحول $E_{pp}$ إلى $E_c$ في السقوط الحر.

قانون : استطاعة التحويل

P = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}

$P$ بالواط $(W)$ ، $\Delta E$ بالجول $(J)$ ، $\Delta t$ بالثانية $(s)$ . انتبه إلى تحويل الوحدات قبل التعويض: الدقيقة $60\ s$ والساعة $3600\ s$ .

قانون : الطاقة المحولة بمعرفة الاستطاعة

E = P \cdot \Delta t

هي العلاقة السابقة مقلوبة، وهي التي تستعمل في تمارين الاستهلاك المنزلي. إذا عبر عن $P$ بالكيلوواط وعن $\Delta t$ بالساعة كانت النتيجة مباشرة بالكيلوواط ساعي.

قانون : مردود سلسلة طاقوية

\eta = \dfrac{E_{mufida}}{E_{kulliya}} \times 100

يعبر عنه بالنسبة المئوية وهو دائما أصغر من $100\ \%$ ، لأن جزءا من الطاقة يضيع في كل مرحلة، غالبا بتحويل حراري. ومجموع الطاقة المفيدة والطاقة الضائعة يساوي الطاقة الكلية المقدمة.

العلاقات الأساسية

استطاعة التحويل

P = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}

الواط $(W)$ ، الجول $(J)$ ، الثانية $(s)$ .

الطاقة المحولة

E = P \cdot \Delta t

بالكيلوواط ساعي مباشرة إذا كانت $P$ بالكيلوواط و $\Delta t$ بالساعة.

معادلة انحفاظ الطاقة

E_1 + E_{mustaqbala} - E_{muqaddama} = E_2

الحالة الابتدائية زائد ما استقبلته الجملة ناقص ما قدمته يساوي الحالة النهائية.

جملة معزولة

E_1 = E_2

لا تبادل مع الخارج، فالطاقة الكلية ثابتة.

الكيلوواط ساعي

1\ kWh = 3{,}6 \times 10^{6}\ J

للتحويل من الجول إلى الكيلوواط ساعي نقسم على $3{,}6 \times 10^{6}$ .

المردود

\eta = \dfrac{E_{mufida}}{E_{kulliya}} \times 100

بالنسبة المئوية، وهو دائما أصغر من $100\ \%$ .

تذكّر

الطاقة مقدار كمي، وأشكالها التي تملكها جملة ما تتعلق باختيار هذه الجملة: الطاقة الحركية $E_c$ لكل جسم متحرك، الطاقة الداخلية $E_i$ المرتبطة بالحركة المجهرية، الطاقة الكامنة المرونية $E_{pe}$ لنابض مشوه، والطاقة الكامنة الثقالية $E_{pp}$ للجملة (جسم + أرض). وتنتقل الطاقة بأربعة أنماط لا غير: ميكانيكي $W_m$ ، كهربائي $W_e$ ، حراري $Q$ ، وإشعاعي $E_r$ . استطاعة التحويل $P = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$ تقيس سرعة التحويل. ومبدأ انحفاظ الطاقة يكتب: الطاقة الابتدائية زائد المستقبلة ناقص المقدمة يساوي النهائية، ويصبح $E_1 = E_2$ في جملة معزولة.

انتبه

ثلاثة أخطاء تتكرر كثيرا في هذه الوحدة. الأول: نسبة الطاقة الكامنة الثقالية إلى الجسم وحده، بينما هي طاقة الجملة (جسم + أرض)؛ إذا كانت الجملة هي الجسم وحده فالتبادل مع الأرض يظهر كسهم خارجي بعمل قوة الثقل. الثاني: الخلط بين الرمزين $E_{pp}$ للثقالية و $E_{pe}$ للمرونية. الثالث: الخلط بين الحرارة ودرجة الحرارة؛ الحرارة $Q$ تحويل للطاقة ولا تخزن، والذي يخزن هو الطاقة الداخلية $E_i$ ، ودرجة الحرارة مقياس لشدة الحركة المجهرية. وتذكر أيضا أن النابض يخزن طاقة كامنة مرونية سواء كان منضغطا أو مستطيلا.

سجل الدخول لتتبع تقدمك التالي: التطبيقات