تحويل الطاقة: رحلة عبر أشكالها وخصائصها

جدول المحتويات

• تحويل الطاقة: المفهوم الأساسي
• أنواع تحويل الطاقة: أحادية ومتعددة
• أمثلة عملية لتحويل الطاقة
• كفاءة تحويل الطاقة: الأهمية والقياس
• نظرة عامة على الطاقة: تعريفها وأشكالها
• المراجع

تحويل الطاقة: المفهوم الأساسي

يشير تحويل الطاقة إلى عملية تغيير شكل الطاقة من شكل إلى آخر. هذا المفهوم أساسي لفهم كيفية عمل العالم من حولنا، فمن خلال تحويل الطاقة نستطيع الاستفادة من أشكال الطاقة الطبيعية المتاحة، مثل الطاقة الشمسية، وتحويلها إلى أشكال أخرى قابلة للاستخدام.

تحدث عمليات تحويل الطاقة بشكل مستمر في الكون، ونذكر منها على سبيل المثال:

• تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية في النباتات من خلال عملية البناء الضوئي.
• تحويل الطاقة الميكانيكية لمياه الشلالات إلى طاقة كهرومغناطيسية في المولدات الكهربائية.
• تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود (مثل البنزين) إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركية لتحريك السيارات.
• تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلايا الشمسية.

من الأمور المهمة المتعلقة بتحويل الطاقة مبدأ حفظ الطاقة، حيث تنصّ على أنّ الطاقة لا تُفقد ولا تُكتسب، بل تُحوّل فقط من شكلٍ إلى آخر، وبالتالي فإن كمية الطاقة في النظام قبل التحويل تساوي كمية الطاقة بعده.

أنواع تحويل الطاقة: أحادية ومتعددة

يمكن تصنيف تحويل الطاقة إلى نوعين رئيسيين:

التحويل الأُحادي للطاقة

في هذا النوع من التحويل يتمّ تحويل شكل واحد من الطاقة مباشرةً إلى شكل آخر، دون مرور بسلسلة من التحويلات الوسيطة.

• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في الأجهزة الكهربائية مثل المحمصة.
• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كهرومغناطيسية في الهاتف.
• تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الطعام إلى طاقة حركية لتحريك العضلات في جسم الإنسان.
• تحويل الطاقة الكيميائية في الطعام إلى طاقة حرارية للحفاظ على درجة حرارة الجسم.
• تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية (الضوء) إلى طاقة كهربائية في الخلايا الكهروضوئية.
• تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية في البطاريات.
• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في المُبردات الحرارية.
• تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية في عمليات توليد الكهرباء بالضغط (Piezoelectric).

التحويل المتعدد للطاقة

في هذا النوع من التحويل، يتمّ الحصول على شكل الطاقة المُراد الاستفادة منه بعد مرور الطاقة بسلسلة من التحويلات.

• تحويلات الطاقة في عود الثقاب:
  • يتمّ تحويل الطاقة الحركية (احتكاك رأس عود الثقاب) إلى طاقة حرارية تُحفّز الجزيئات لإطلاق طاقتها الكيميائية المخزنة.
  • تتحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية إضافية وإلى طاقة كهرومغناطيسية تظهر كضوء مرئي.
• تحويلات الطاقة في محرّك السيارة:
  • تُحرّر شرارة من الطاقة الكهربائية الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود.
  • يؤديّ تمدد الوقود إلى ضغط على أجزاء السيارة.
  • يحوّل الضغط المستمر والمتزايد على أجزاء السيارة الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية تُحرك العجلات.
• دورة الديزل:
  • تتحول الطاقة الكيميائية في الوقود إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة ميكانيكية لتحريك أجزاء المحرك.
  • تستمرّ سلسلة التحويل: طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة ميكانيكية.
• دورة رانكن داخل التوربينات البخارية:
  • تُحوّل سلسلة التحويلات أشكال متعددة من الطاقة إلى طاقة كهربائية: طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
  • تُطبّق هذه الدورة في محطات توليد الطاقة النووية، والحرارية، والطاقة الشمسية.
  • تُستخدم أيضاً في استغلال الطاقة الحرارية الجوفية.
• دورة برايتون داخل التوربينات الغازية أو المحركات النفاثة:
  • تُحوّل دورة برايتون أشكال متعددة من الطاقة إلى طاقة كهربائية: طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
  • تُطبّق هذه الدورة في توليد الطاقة باستخدام الطاقة النووية، والطاقة الشمسية.
• تحويل الطاقة الميكانيكية للرياح، والأمواج، والمد والجزر إلى طاقة كهربائية:
  • تُحوّل هذه العملية الطاقة الحركية إلى طاقة ميكانيكية ثم إلى طاقة كهربائية.

أمثلة عملية لتحويل الطاقة

نتعرض في حياتنا اليومية للعديد من الأمثلة على تحويل الطاقة:

• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية:
  • تُستخدم هذه العملية في تشغيل العديد من الأجهزة، مثل القطارات الكهربائية التي تُحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية عبر المحرك الكهربائي.
• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية:
  • يُستخدم هذا النوع من التحويل في العديد من الأجهزة المنزلية مثل مُجفف الشعر، والسخان الكهربائي، والمحمصة الكهربائية.
  • يمكن أن تنتج بعض الأجهزة الحرارة عند تشغيلها، حتى تلك غير المُخصصة لإنتاج الطاقة الحرارية، مثل التلفاز والحاسوب.
• تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة إشعاعية:
  • تُستخدم الفوانيس كمصدر للضوء، حيث تُحوّل الطاقة الحرارية الناتجة عن اللهب إلى طاقة إشعاعية.
• تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية:
  • تُستخدم مُنظّمات الحرارة في الأجهزة الكهربائية للتحكم بدرجة الحرارة، حيث تُحوّل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.
  • يعتمد عمل مُنظّم الحرارة على شريط ثُنائيّ المعادن، يتمدد أحد المعدنين أكثر من الآخر عند درجة حرارة معينة، ممّا يُسبّب انحناء الشريط.
  • مع انحناء الشريط، ينقطع تدفُّق الكهرباء إلى الجهاز فيتوقف عن العمل.
• تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية:
  • يُستخدم مولدات الطاقة اليدوية لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
  • تُخزّن الطاقة الميكانيكية في مولدات الطاقة اليدوية كطاقة مرونيّة مختزنة في زنبرك.
  • عند تحرير الطاقة المختزنة، يُشحن سطح بلوريّ كهربائيّاً.
  • تُنتج الطاقة الكهربائية عند انتقال الشرارة بين جميع الأسطح البلورية المشحونة.
• تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية:
  • تُحوّل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية نتيجة الاحتكاك بين الأسطح.
  • يُمكن ملاحظة ذلك عند استخدام مثقاب كهربائي، حيث يُحوّل الاحتكاك بين كتلتيّ الخشب المضغوط والأنبوب المعدنيّ المملوء بالماء الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية، ممّا يؤديّ إلى تحول الماء إلى بخار.
• تحويل الطاقة الإشعاعية إلى طاقة كهربائية:
  • تُستخدم الخلايا الشمسيّة لتحويل الطاقة الإشعاعية (أشعة الشمس) إلى طاقة كهربائية.
• تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاعية:
  • يُحوّل المصباح الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى ضوء، وهو شكل من أشكال الطاقة الإشعاعية.
• تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة الجاذبية:
  • تُحوّل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة ميكانيكية، ثمّ إلى طاقة وضع الجاذبية عند وضع مغناطيسين فوق بعضهما بحيث تكون أقطابهما المتشابهة متواجهةً.
• تحويل الطاقة الكيميائية الكامنة إلى طاقة كهربائية:
  • تُخزّن البطاريات الطاقة الكيميائية، ثمّ تُحوّل هذه الطاقة إلى طاقة كهربائية عند تشغيلها.
• تحويل الطاقة الكيميائية الكامنة إلى طاقة إشعاعية:
  • تُنتج بعض التفاعلات الكيميائية الضوء المرئي (مثل تفاعلات الضوء مستحث كيميائياً) دون انبعاث حرارة.
• تحويل الطاقة الإشعاعية إلى طاقة كيميائية كامنة:
  • تُمتصّ الطاقة الإشعاعية من الشمس بواسطة النباتات وتحوّل إلى طاقة كيميائية على شكل كربوهيدرات.
• تحويل الطاقة الكيميائية الكامنة إلى طاقة حرارية:
  • يُحوّل احتراق المواد المختلفة (مثل الغاز الطبيعي، والنفط، والفحم) الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة حرارية وإشعاعية (ضوء).

كفاءة تحويل الطاقة: الأهمية والقياس

تُعتبر كفاءة تحويل الطاقة من أهمّ العوامل التي يجب مراعاتها في جميع عمليات تحويل الطاقة.

تعني كفاءة تحويل الطاقة نسبة الطاقة المُستفاد منها بعد التحويل إلى الطاقة الداخلة إلى النظام قبل التحويل.

تُعَدّ بعض عمليات تحويل الطاقة غير فعالة لأنها تفقد كمية كبيرة من الطاقة،

لهذا السبب، تُعتبر زيادة كفاءة تحويل الطاقة هدفاً رئيسياً في العديد من المجالات، حيث يُمكن تحقيق ذلك من خلال استخدام تقنيات جديدة أكثر كفاءة، وتقليل الطاقة المُهدَرة.

يمكن حساب كفاءة تحويل الطاقة باستخدام المعادلة التالية:

كفاءة الجهاز = الطاقة الناتجة المفيدة / الطاقة الداخلة

مثال:

احسب كفاءة محرّك كهربائيّ إذا علمت أنّه يستهلك 100 واط من الطاقة الكهربائية من أجل الحصول على 90 واط من الطاقة الميكانيكية.

الحل:

كفاءة المحرك الكهربائي = القدرة أو الطاقة الميكانيكية الناتجة / القدرة أو الطاقة الكهربائية الداخلة

كفاءة المحرك الكهربائي = 90 واط / 100 واط = 0.9 = %90

وهذا يعني أن المحرك الكهربائي يُحوّل %90 من الطاقة الكهربائية الداخلة إلى طاقة ميكانيكية، بينما يفقد %10 من الطاقة.

نظرة عامة على الطاقة: تعريفها وأشكالها

تُعرّف الطاقة بأنّها القابلية أو القُدرة على إنجاز شغلٍ ما.

تُصنّف الطاقة إلى فئتين رئيسيتين:

• الطاقة الكامنة (Potential Energy):
  • تُعرف أيضاً باسم طاقة الوضع.
  • هي الطاقة المخزنة في الجسم نتيجةً لموقعه أو وضعه.
  • مثل طاقة الوضع للماء في سدّ، أو طاقة الوضع الناتجة عن إطالة زنبرك.
• الطاقة الحركية (Kinetic Energy):
  • هي الطاقة التي يمتلكها الجسم نتيجة حركته.
  • مثل طاقة الحركة لسيارة متحركة، أو طاقة الحركة لجزيئات الغاز.

هناك العديد من أشكال الطاقة الأخرى، مثل:

• الطاقة الشمسية
• الطاقة الكيميائية
• الطاقة النووية
• الطاقة الحرارية
• الطاقة الصوتية
• الطاقة الكهربائية
• الطاقة المغناطيسية
• الطاقة الإشعاعية

المراجع

1. Everett Woodruff, Charles Russell, Fred Landis and others, (7-3-2016) “Energy conversion”, www.britannica.com, Retrieved 29-12-2019.
2. Yasar Demirel (2012), Energy Production, Conversion, Storage, Conservation, and Coupling, London: Springer, Page 229.
3. “Energy Transformations and Conversion”, www.pleasantvalleysd.org, Page 121, Retrieved 29-12-2019.
4. Jeffrey Allen (1-9-2014), Principles of Energy Conversion, Page 14, Part 1.
5. “Forms of Energy”, www.asc.ohio-state.edu, Page 21, 22, 23, 24, Retrieved 29-12-2019.
6. “EFFICIENCY OF ENERGY CONVERSION”, personal.ems.psu.edu, Page 54, 55, 57, Retrieved 29-12-2019.
7. “What is energy?”, www.eia.gov, 11-12-2018, Retrieved 28-12-2019.