تعريف الطاقة:

تُعرَّف الطّاقة (بالإنجليزية: Energy) بأنّها إحدى خصائص المادّة، والتي يُمكن تحويلها إلى أحد الأشكال الآتية: العمل، أو الإشعاع، أو الحرارة، وهي بهذا التعريف تتعدّى التعريف الشائع للطّاقة بأنّها القدرة على إنجاز عمل ما، إذ بدأ مفهوم الطّاقة بالتوسّع أثناء الثورة الصناعية في أواخر القرن الثامن عشر، فقد لُوحظ أنّ الحرارة، والإشعاع هما شكلان مهمّان للطّاقة تماماً كالعمل، ويتمّ الاستفادة من الحرارة بعدّة أشكال كمصدر للتبريد صيفاً، وللدفء شتاءً، كما يُمكن الشعور بالإشعاع كطاقة من حولنا.

الطاقة هي إحدى صور الوجود، فالكون مكون من أجرام (أجسام) وطاقة. منذ النظرية النسبية لأينشتاين نعرف تكافؤ المادة والطاقة، فالطاقة يمكن أن تتحول إلى مادة وبالعكس يمكن للمادة أن تتحول إلى طاقة. وقد رأينا تحول المادة إلى طاقة في اختراع القنبلة الذرية.

يمكن للطاقة أن تأخذ أشكالًا متنوعة منها طاقة حرارية، كيميائية، كهربائية، إشعاعية، نووية، طاقة كهرومغناطيسية، وطاقة حركية. هذه الأنواع من الطاقة يمكن تصنيفها بكونها طاقة حركية أو طاقة كامنة، في حين أن بعضها يمكن أن يكون مزيجًا من الطاقتين الكامنة والحركية معًا، وهذا يدرس في الديناميكا الحرارية.

جميع أنواع الطاقة يمكن تحويلها مِن شكل لآخر بمساعدة أدوات بسيطة أو أحيانًا تستلزم تقنيات معقدة مثلاً من الطاقة الكيميائية إلى الكهربائية عن طريق الأداة الشائعة البطاريات أو المركمات، أو تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية وهذا نجده في محرك احتراق داخلي، أو تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وهكذا.

وقد بينت نظرية النسبية لأينشتاين أن المادة والطاقة هما صورتان لشيء واحد، وعرفنا تكافؤ المادة والطاقة، هذا الاكتشاف اكتشفه أينشتاين عام 1905 وكتبه في النسبية الخاصة، ويعبر عن تكافؤ الطاقة والمادة بمعادلته الشهيرة: E=mc2. هذا الاكتشاف الذي نتج عنه اختراع القنبلة الذرية التي ألقيت على هيروشيما عام 1945 وأنهت الحرب العالمية الثانية بين اليابان والولايات المتحدة. ونعرف تحول المادة إلى طاقة من الانشطار النووي والاندماج النووي.

مصطلحات الطاقة وتحولاتها مفيدة جدًا في شرح العمليات الطبيعية. فحتى الظواهر الطقسية مثل الريح، والمطر والبرق والأعاصير تعتبر نتيجة لتحولات الطاقة التي تأتي من الشمس على الأرض. الحياة نفسها تعتبر أحد نتائج تحولات الطاقة: فعن طريق التمثيل الضوئي يتم تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كيميائية في النباتات، يتم لاحقا الاستفادة من هذه الطاقة الكيميائية المختزنة في عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية والإنسان. ومن النبات ينتج الخشب وهو مصدر آخر للطاقة يرجع أصلها إلى الشمس.

ضمن الاستخدام الاجتماعي: تطلق كلمة "طاقة" على كل ما يندرج ضمن مصادر الطاقة، إنتاج الطاقة، واستهلاكها وأيضا حفظ موارد الطاقة. بما أن جميع الفعاليات الاقتصادية تتطلب مصدرا من مصادر الطاقة، فإن توافرها وأسعارها هي ضمن الاهتمامات الأساسية والمفتاحية. في السنوات الأخيرة برز استهلاك الطاقة كأحد أهم العوامل المسببة للاحترار العالمي مما جعلها تتحول إلى قضية أساسية في جميع دول العالم.

تاريخ

توماس يونغ، أول شخص استخدم مصطلح "الطاقة" بالمعنى الحديث.
كلمة الطاقة مشتقة من اليونانية القديمة: ἐνέργεια، بالحروف اللاتينية: energeia، حرفيًا. "نشاط، عملية"، والتي من المحتمل ظهورها لأول مرة في أعمال أرسطو في القرن الرابع قبل الميلاد. على عكس التعريف الحديث، كان Energeia مفهومًا فلسفيًا نوعيًا، واسعًا بما يكفي ليشمل أفكارًا مثل السعادة والمتعة.

في أواخر القرن السابع عشر، اقترح غوتفريد لايبنتس فكرة (باللاتينية: vis viva)، أي القوة الحية، والتي تُعرَّف على أنها ناتج كتلة جسم ما ومربع سرعته؛ كان يعتقد أن مجموع القوة الحية محفوظ. لحساب التباطؤ بسبب الاحتكاك، افترض لايبنتس أن الطاقة الحرارية تتكون من الحركة العشوائية للأجزاء المكونة للمادة، على الرغم من أن الأمر سيستغرق أكثر من قرن حتى يقبل هذا المفهوم بشكل عام. يختلف المفهوم الحديث لهذه الخاصية، الطاقة الحركية، عن مفهوم القوة الحية فقط بمعامل 2 (اثنين).

في عام 1807، ربما كان توماس يونغ هو أول من استخدم مصطلح "الطاقة" بدلاً من "القوة الحية" بالمعنى الحديث. وصف غاسبارد-غوستاف كوريوليس "الطاقة الحركية" عام 1829 بمعناها الحديث، وفي عام 1853 صاغ وليم رانكين مصطلح "الطاقة الكامنة". وُضِعَ قانون حفظ الطاقة أيضًا لأول مرة في أوائل القرن التاسع عشر، وينطبق على أي نظام معزول. لقد قيل لعدة سنوات عما إذا كانت الحرارة مادة فيزيائية، أو يطلق عليها اسم نظرية الكالوريك، أو مجرد كمية فيزيائية، مثل الزخم. في عام 1845 اكتشف جيمس بريسكوت جول الصلة بين الشغل الميكانيكي وتوليد الحرارة.

أدت هذه التطورات إلى نظرية الحفاظ على الطاقة، التي صاغها وليام طومسون (اللورد كلفن) كمجال للديناميكا الحرارية. ساعدت الديناميكا الحرارية في التطور السريع لتفسيرات العمليات الكيميائية بواسطة رودولف كلاوزيوس، وجوزيه غيبس، وفالتر نيرنست. كما أدى إلى صياغة رياضية لمفهوم الإنتروبيا بواسطة كلاوزيوس وإدخال قوانين الطاقة المشعة بواسطة جوزيف ستيفان. وفقًا لمبرهنة نويثر، فإن الحفاظ على الطاقة هو نتيجة لحقيقة أن قوانين الفيزياء لا تتغير بمرور الوقت. وهكذا، منذ عام 1918، أدرك المنظرون أن قانون حفظ الطاقة هو النتيجة الرياضية المباشرة للتناظر الانتقالي للكمية المقترنة بالطاقة، أي الوقت.
 

أشكال الطّاقة:

يوجد للطّاقة العديد من الأشكال، والتي تندرج جميعها ضمن فئتين رئيسيتين، هما: الطّاقة الحركية، والطّاقة الكامنة، وفيما يلي تفصيل لكلّ منهما:

 الطّاقة الحركية :تُعرّف الطّاقة الحركية (بالإنجليزية: Kinetic Energy) بأنّها الطّاقة الناتجة عن حركة الأجسام المختلفة، إذ تمتلك الأجسام المُتحرّكة القدرة على إنجاز عمل ما، أو إحداث تغيير معين، على عكس الأجسام الساكنة، التي لا تمتلك أيّ طاقة حركية، فمثلاً: في حالة قذف كرة باتجاه حائط، فإنّها تكون قادرة على إحداث تأثير معين فيه، بينما لا تستطيع الكرة الساكنة إحداث أيّ تأثير يُذكر، وللطّاقة الحركية عدة أشكال، منها ما يلي:

الطّاقة الإشعاعية: (بالإنجليزية: Radiant)، هي طاقة كهرومغناطيسية تنتقل، وتتحرّك عبر الموجات المستعرّضة، وتشمل كلّ من: الضوء المرئي، والأشعة السينية، وموجات الراديو، وأشعة غاما، ويُعدّ ضوء، وأشعة الشّمس من الأمثلة على الطاقة الإشعاعية. الطّاقة الحرارية: (بالإنجليزية: Thermal)، هي الطّاقة الناتجة عن حركة الذرات، والجزيئات في المادة، إذ تزداد كمية الطّاقة الحرارية الناتجة كلّما زادت سرعة حركة هذه الجسيمات، وتُعدّ الطّاقة الحرارية الأرضية مثالاً على هذا الشكل من الطاقة.

طاقة الحركة: (بالإنجليزية: Motion)، هي الطّاقة المختزنة في الأجسام المتحرّكة، إذ يزداد تخزينها كلّما زادت سرعة حركة الأجسام، بينما تنبعث، وتتحرر هذه الطاقة عند توقف الأجسام، أو بُطء حركتها، وتُعدّ طاقة الرياح من الأمثلة على هذا الشكل من الطاقة. الصوت: (بالإنجليزية: Sound)، ينتج الصوت بسبب تأثير قوة على مادة معينة، ممّا يُسبّب اهتزاز هذه المادة، إذ تنتقل الطاقة نتيجة لذلك عبر المواد، وعلى شكل موجات طولية، ويجدر بالذكر أنّ مقدار الطّاقة الناتجة عن الصوت يكون قليلاً عادة مقارنة مع أشكال الطّاقة الأخرى.

الطّاقة الكهربائية: (بالإنجليزية: Electrical)، يتمّ توصيل الطاقة الكهربائية عبر الأسلاك، وذلك عن طريق حركة الإلكترونات التي تُعدّ جسيمات صغيرة مشحونة، ومن الأمثلة على هذه الطاقة: البرق الذي يُعدّ طاقة كهربائية طبيعية.