قانون بقاء الطاقة

ان الطاقة مرتبطة بالمقدرة على بذل الشغل سيتضح لنا ان هناك صوراً عديدة اخرى للطاقة. فالفحم وزيت البترول والبنزين وغير ذلك من انواع الوقود يحتوي على طاقة لأنها يمكن أن تحترق احتراقاً كيميائياً تتحول فيه بعض الطاقة المختزنة إلى شغل ميكانيكي. وتعرف هذه الطاقة المختزنة بالطاقة الكيميائية. كذلك فأن بعض الأنوية الذرية يمكنها ان تنشق أو تنشطر في المفاعلات النووية محرر كمية كبيرة من الطاقة التي يمكن استغلالها في تشغيل التوربينات المولدة للكهرباء. وعليه فإن الأنوية تحتوي على طاقة تسمى الطاقة النووية. علاوة على ذلك فإن الشحنات الكهربائية يمكنها أن تبذل شغلاً ، أي أن الشحنات الكهربائية لها طاقة كهربائية. وأخيراً وليس آخراً يمكن ان تخزن الطاقة في الاجهزة المرنة. فالزنبرك الممتد ووتر قوس الرماية لها طاقة جهد مرن يمكن ان تتحول غلى طاقة حركة للكتلة المتصلة بالزنبرك او السهم المنطلق من القوس.

تعتبر الطاقة المرتبطة بحركة ذرات وجزيئات المادة واحدة من أهم صور الطاقة. وبالرغم من أن حركة هذه الجزئيات تتضمن طاقة حركة الذرات المنفردة ، فإن الذرات تتحرك في اتجاهات عشوائية بسرعات مختلفة المقدار. هذا السلوك يختلف بالطبع من حركة الجسم بأكمله حيث تتحرك جميع ذراته معاً بنفس سرعة الجسم ، ولهذا أمكن وصف طاقة حركة الجسم بدلالة كتلته ومقدار سرعته 1/2 mv²)) هذه الحركات العشوائية للذرات و الجزيئات هي إحدى صور الطاقة التي تمثل خاصية داخلية للمادة تعرف باسم الطاقة الحرارية (TE). هذا ويرتبط كمية الطاقة الحرارية للجسم بدرجة حرارته. أن نتحقق من أن بذل الشغل على الجسم يؤدي إلى تغيير طاقته الحرارية.

فمثلاً ، إذا دفعت كتباك لينزلق على الأرضية سوف تختفي طاقة الحركة التي أمددت بها الكتاب عندما يصل الكتاب إلى السكون. ومع ذلك فإن الكتاب لم يكتسب GPE لأن الأرضية مستوية. ماذا حدث للطاقة الأصلية للكتاب عندما تركته يدك؟ إن القوة الوحيدة المؤثرة على الكتاب في اتجاه الإزاحة هي قوة الاحتكاك الحركي ، وهي تبذل شغلاً. وقد علمتنا الخبرة أن الكتاب ( والأرضية) " يسخنان " قليلاً عند وجود الاحتكاك. وهذه عادة هي الطريقة المعتادة للاستدلال على زيادة الطاقة الحرارية لهذه المواد. بناء على ذلك يمكننا الإجابة عن السؤال: المتعلق بما حدث لطاقة الحركة KE الأصلية ، لقد تحولت عن طريق الشغل المبذول بواسطة قوى الاحتكاك إلى طاقة حرارية TE للكتاب والمنضدة . ويمكن التعبير عن هذه الحقيقة بأسلوب آخر هو أن الشغل المبذول بالاحتكاك يظهر في صورة زيادة في TE.

-W_fr = ΔTE

والإشارة السالبة ضرورية هنا لأن W_fr سالب دائماً ، بينما تزداد TE.

في أي عملية فيزيائية توجد دائماً تحويلات لبعض صور الطاقة إلى صور أخرى ، وتخضع مثل هذه التحولات للقيد الآتي:

الطاقة لا تخلق ولا تفنى. فإذا حدث فقط في إحدى صور الطاقة تحدث زيادة مساوية في صور أخرى.

هذه العبارة تسمى قانون بقاء الطاقة. ويستمد هذا القانون صحته من حقيقة أن البحرية لم تدحضه على الإطلاق ، كما أنه يعتبر واحداً من أقوى مبادئ الفيزياء وأكثرها عمومية. وأيضاً ، حيث أن الطاقة في أي صورة من الصور توجد في كل فروع الفيزياء ، فإن قانون البقاء هذا يعتبر واحداً من أعم مبادئ التوحيد في الفيزياء كلها.

ولكي تتحقق الاستفادة العملية من مفهوم بقاء الطاقة يجب علينا (1) فصل القوى المحافظة عن القوى غير المحافظة ، (2) تعريف النظام المطلوب حساب طاقته تعريفاً دقيقاً . وعلينا أن نتذكر في هذا الصدد أن القوة المحافظة الوحيدة التي تعاملنا معها حتى الآن هي قوة الجاذبية. ولكننا سوف نقابل لاحقاً قوى محافظة أخرى نذكر منها القوى المرنة والقوى الكهربائية بين الشحنات. أم جميع القوى كالشد والدفع واللزوجة فهي قوى غير محافظة. وبدلالة القوى غير المحافظة يمكن كتابة قانون بقاء الطاقة كصورة موسعة لنظرية الشغل والطاقة.

الشغل المبذول بواسطة القوى غير المحافظة الخارجية بالنسبة لنظام ما تساوي مجموع التغير في طاقة الحركة والتغير في طاقة الوضع والتغير في الطاقة الحرارية.

(1)      W_ext = ΔKE + ΔPE + ΔTE

مع ملاحظة أن ΔTE ناتجة عن الشغل المبذول بواسطة قوى الاحتكاك داخل النظام ، بما في ذلك لزوجة الموائع ومقاومة الهواء.

هذه الصورة لنظرية الشغل والطاقة تأخذ في الاعتبار كل تحولات الطاقة داخل وخارج النظام. فإذا بذل الشغل على النظام سوف يستهلك جزء منه في تغيير حركة النظام ويستغل الجزء الآخر في تغيير مواضع أجزاء النظام ، ويدخل الجزء الأخير في الحركة الجزيئية الداخلية ( الحرارية).

عندما تؤثر على النظام أي قوة غير محافظة سوف تأخذ المعادلة (1) الصورة :

( 1أ)     = 0 ΔKE + ΔPE + ΔTE

وتنص هذه المعادلة على أن الزيادة في الطاقة الحرارية للنظام تأتي على حساب النقص في الطاقة الميكانيكية. وعندما يكون الاحتكاك مهملاً فإنΔTE = 0 ، ونكون الطاقة الميكانيكية محفوظة:

( 1ب)   ΔKE + ΔPE = 0