Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

بيت » الحفاظ على الطاقة

الحفاظ على الطاقة

1847

Émilie du Châtelet
Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz

(صورة تم إنشاؤها للتوضيح فقط)

مبدأ أساسي ينص على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة بمرور الوقت. لا يمكن خلق الطاقة أو إفناؤها، بل تتحول فقط من شكل إلى آخر، مثل تحولها من طاقة كامنة إلى طاقة حركية. الميكانيكابالنسبة للأنظمة التي تحتوي فقط على قوى محافظة، فإن الطاقة الميكانيكية الكلية [latex]E = T + V[/latex] محفوظة.

يُعد قانون حفظ الطاقة أحد أهم المبادئ الأساسية والأكثر تطبيقًا عالميًا في العلوم. وقد امتد تطوره لقرون، بدءًا من الأفكار المبكرة حول الحركة وصولًا إلى بيان رياضي دقيق في القرن التاسع عشر وحّد الميكانيكا والحرارة والكيمياء.

في سياق الميكانيكا الكلاسيكية، يظهر المبدأ بوضوح أكبر في الأنظمة الخاضعة للقوى المحافظة فقط، مثل الجاذبية أو القوة الناتجة عن زنبرك مثالي. تكون القوة متحفظة إذا كان الشغل الذي تبذله على جسم يتحرك بين نقطتين مستقلاً عن المسار المتخذ. بالنسبة إلى هذه القوى، يمكن تعريف دالة طاقة وضع [latex]V[/latex]. وتنص نظرية الشغل والطاقة على أن الشغل الكلي المبذول على جسم ما يساوي التغيُّر في طاقة حركته، [latex]W_TW_{net} = \Delta T[/latex]. بالنسبة إلى القوى المحافظة، يمكن التعبير عن هذا الشغل بالتغيُّر السالب في طاقة الوضع، [latex]W_{cons} = -\دلتا V[/latex]. وبجمعهما معًا نحصل على [latex]\Delta T = -\Delta V[/latex]، أو [latex]\Delta T + \Delta V = \Delta(T+V) = 0[/latex]. وهذا يوضِّح أن الطاقة الميكانيكية الكلية، [latex]E = T + V[/latex]، هي ثابت الحركة.

عند وجود قوى غير محافظة، مثل الاحتكاك، لا تُحفظ الطاقة الميكانيكية؛ بل تتبدد عادةً على شكل حرارة. مع ذلك، تبقى الطاقة الكلية للنظام المعزول، بما في ذلك هذه الطاقة الحرارية، محفوظة. هذا المبدأ الأوسع هو القانون الأول للديناميكا الحرارية.

في القرن العشرين، قدمت نظرية إيمي نويذر فهمًا أعمق لهذا القانون. فقد أظهرت أن حفظ الطاقة هو نتيجة رياضية مباشرة لتناظر أساسي في الكون: حقيقة أن قوانين الفيزياء لا تتغير بمرور الزمن (ثبات الترجمة عبر الزمن).

طاقة, الإنثالبي, علم الحركة, الهندسة الميكانيكية, الفيزياء, الطاقة المتجددة, الديناميكا الحرارية

UNESCO Nomenclature: 2211

- الفيزياء

يكتب

القانون الفيزيائي

الاضطراب

ثوري

الاستخدام

الاستخدام الواسع النطاق

السلائف

مفهوم Vis viva (جوتفريد لايبنتز)
دراسات حول الحرارة والعمل (سادي كارنو، إميل كلابيرون)
ميكانيكا نيوتن
تجارب جاليليو على البندولات

التطبيقات

توليد الطاقة (السدود الكهرومائية، المحطات الحرارية)
الديناميكا الحرارية وتصميم المحرك
تحليل التفاعل الكيميائي (المحتوى الحراري)
تصميم الأفعوانية
فهم العمليات الأيضية في علم الأحياء

براءات الاختراع:

أفكار ابتكارات محتملة

بسبب عمليات جمع البيانات من خلال برامج الروبوت، والتي تتجاوز حاليًا 40 ألفًا يوميًا، فإن هذا المحتوى مخصص لأعضاء المجتمع فقط.
> تسجيل الدخول < أو > سجل < (مجاني 100٪) للوصول إلى هذا، وكذلك جميع المحتويات والأدوات الأخرى المقيدة.

ذات الصلة: حفظ الطاقة، والطاقة الحركية، وطاقة الحركة، وطاقة الوضع، ونظرية الشغل والطاقة، والديناميكا الحرارية، والنظام المعزول، ونظرية نويثر، والقوة المحافظة.

السياق التاريخي

خلية دانييل مع أقطاب النحاس والزنك في إعداد مختبر الكيمياء الكهربائية.

عملية خلية دانييل

تُعدّ خلية دانييل تحسينًا على الكومة الفولتية، وتتكون من قطب نحاسي في محلول كبريتات النحاس الثنائي وقطب زنك في محلول كبريتات الزنك، ويفصل بينهما حاجز مسامي. يمنع هذا التصميم ثنائي السوائل تراكم غاز الهيدروجين (الاستقطاب) على القطب النحاسي، مما ينتج عنه مصدر جهد أكثر استقرارًا وموثوقيةً لفترة أطول.

التأثير الكهروضوئي

التأثير الكهروضوئي هو توليد جهد وتيار كهربائي في مادة عند تعرضها للضوء. وهي ظاهرة فيزيائية وكيميائية. ومن التطبيقات الشائعة في هذا المجال الخلية الشمسية، التي تستخدم هذا التأثير لتحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء. ويعتمد هذا التأثير على فوتونات الضوء التي تُثير الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى.

مختبر القرن التاسع عشر بأدوات الديناميكا الحرارية ومعادلات علاقة ماير.

علاقة ماير (الديناميكا الحرارية)

تربط علاقة ماير بين درجات الحرارة النوعية للغاز المثالي وثابت الغاز النوعي ([latex]T_s[/latex]). العلاقة هي [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. أما بالنسبة للحرارة النوعية المولية ([latex]C_p[/latex] و[latex]C_v[/latex])، فالعلاقة هي [latex]C_p - C_v = R[/latex]، حيث [latex]R[/latex] هو ثابت الغاز العام. وهذا يوضح أن [latex]c_p[/latex] دائمًا أكبر من [latex]c_v[/latex].

الحفاظ على الطاقة

إعداد مختبري لقياس لزوجة السوائل عند درجات حرارة متفاوتة في الديناميكا الحرارية.

اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة

في السوائل النيوتونية، اللزوجة دالة لدرجة الحرارة والضغط، وليست معدل القص. في السوائل، تنخفض اللزوجة بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، لأن الطاقة الحرارية العالية تُمكّن الجزيئات من التغلب على قوى التماسك بين الجزيئات بسهولة أكبر. على العكس، في الغازات، تزداد اللزوجة مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث تؤدي زيادة تصادمات الجزيئات بسرعات أعلى إلى زيادة انتقال الزخم.

تجربة معملية توضّح القانون الأول للديناميكا الحرارية باستخدام إعداد محرك حراري.

First Law of Thermodynamics

القانون الأول هو بيان لحفظ الطاقة. ويفترض أن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق ([latex]\Delta U[/latex]) يساوي الحرارة التي يزود بها النظام ([latex]Q[/latex]) ناقص الشغل الذي يبذله النظام على محيطه ([latex]W[/latex]). والمعادلة الحاكمة هي [latex]T\Delta U = Q - W[/latex]. ويربط هذا القانون بين الحرارة والشغل والطاقة الداخلية، ويثبت أن الحرارة شكل من أشكال انتقال الطاقة.

كيميائي يجري تجارب على المواد الحفازة في مختبر قديم، 1850.

المحفز على التوازن الكيميائي

يزيد المحفز من معدل التفاعلات الأمامية والعكسية بالتساوي من خلال توفير مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. وبينما يسمح المحفز للنظام بالوصول إلى حالة التوازن بشكل أسرع، فإنه لا يغير موضع التوازن نفسه. وتظل تركيزات المتفاعلات والنواتج عند التوازن، وقيمة ثابت التوازن K، ثابتة.

1836

1839-01-01

1842

1847

1850

1835

1838

1841

1845

1850

كيميائي يجري تجربة تحفيز في بيئة مختبرية تاريخية.

التحفيز

الحفز هو عملية زيادة معدل التفاعل الكيميائي عن طريق إضافة مادة تعرف باسم العامل الحفاز. لا يتم استهلاك المحفزات في التفاعل وتبقى دون تغيير. وهي تعمل من خلال توفير مسار بديل للتفاعل مع طاقة تنشيط أقل ([latex]E_a[/latex])، وبالتالي تسريع كل من التفاعلات الأمامية والعكسية دون تغيير الديناميكا الحرارية الكلية ([latex] \Delta H[/latex]).

جهاز خلايا الوقود المبكر من تصميم ويليام جروف، الذي يعرض مبادئ الكيمياء الكهروكيميائية في الكيمياء الفيزيائية.

خلية الوقود

خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يُحوّل مباشرةً الطاقة الكيميائية للوقود، عادةً الهيدروجين، وعامل مؤكسد، غالبًا الأكسجين، إلى كهرباء. على عكس البطارية، تتطلب هذه الخلية مصدرًا خارجيًا مستمرًا من الوقود والمؤكسد للعمل. مكوناتها الأساسية هي الأنود والكاثود والإلكتروليت، مما يُسهّل نقل الأيونات.

عرض توضيحي لتسخين جول في مختبر عتيق بالأجهزة الكهربائية.

جول للتدفئة والطاقة الكهربائية

تسخين جول، أو التسخين الأومي، هو الظاهرة التي تنتج فيها الحرارة عن تيار كهربي يمر عبر موصل. ويعطى معدل توليد الحرارة، أو القدرة المبددة ([latex]P[/latex])، بموجب قانون جول الأول، [latex]P = VI[/latex]. وبالجمع بين ذلك وقانون أوم، يمكن التعبير عن القدرة على الصورة [latex]P = I^2 R[/latex] أو [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

جهاز مختبري لقياس الطاقة الداخلية والإنثالبي لغاز مثالي في الديناميكا الحرارية.

الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري للغاز المثالي

بالنسبة إلى الغاز المثالي، تكون الطاقة الداخلية ([latex]U[/latex]) والإنثالبي ([latex]H[/latex]) دالتين لدرجة الحرارة فقط. وتُعطى تغيراتهما من خلال [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] و[latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex]، حيث [latex]c_v[/latex] و[latex]c_p[/latex] هما الحرارتان النوعيتان عند ثبات الحجم والضغط على التوالي، ويُفترض أنهما ثابتتان.

اللزوجة المرنة

اللزوجة المرنة هي خاصية للمواد التي تُظهر خصائص اللزوجة والمرونة معًا عند تعرضها للتشوه. المواد اللزجة، مثل العسل، تقاوم تدفق القص والانفعال خطيًا مع مرور الوقت عند تطبيق إجهاد. أما المواد المرنة، مثل الشريط المطاطي، فتنفعل عند شدها وتعود بسرعة إلى حالتها الأصلية بمجرد زوال الإجهاد. تحتوي المواد اللزجة المرنة على عناصر من كليهما.

عالم يقيس التسامي في مختبر عتيق، دراسة الديناميكا الحرارية.

إنثالبي التسامي

إنثالبي التسامي، [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]، هو الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من مادة ما من مادة صلبة إلى غاز عند درجة حرارة وضغط معينين. ووفقًا لقانون هيس، بما أن الإنثالبي دالة حالة، فإن هذا التغير في الطاقة هو مجموع إنثالبي الاندماج ([latex]\Delta H_\\{\text{{fus}}[/latex]) وإنثالبي التبخير ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).