مصطلحات الطاقة وتحولاتها مفيدة جدًا في شرح العمليات الطبيعية. فحتى الظواهرالطقسية مثلالريح،والمطروالبرقوالأعاصير تعتبر نتيجة لتحولات الطاقة التي تأتي منالشمس علىالأرض.الحياة نفسها تعتبر أحد نتائج تحولات الطاقة: فعن طريقالتمثيل الضوئي يتم تحويل طاقة الشمس إلىطاقة كيميائية في النباتات، يتم لاحقا الاستفادة من هذه الطاقة الكيميائية المختزنة في عمليةالتمثيل الغذائي للكائنات الحية والإنسان. ومن النبات ينتجالخشب وهو مصدر آخر للطاقة يرجع أصلها إلىالشمس.
ضمن الاستخدام الاجتماعي: تطلق كلمة «طاقة» على كل ما يندرج ضمنمصادر الطاقة، إنتاج الطاقة، واستهلاكها وأيضاحفظ 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 المسببةللاحترار العالمي مما جعلها تتحول إلى قضية أساسية في جميع دول العالم.[7]
توماس يونغ، أول شخص استخدم مصطلح «الطاقة» بالمعنى الحديث.
كلمة الطاقة مشتقة من اليونانية القديمة: ἐνέργεια، بالحروف اللاتينية: energeia، حرفيًا. «نشاط، عملية»،[8] والتي من المحتمل ظهورها لأول مرة في أعمالأرسطو 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، اقترحغوتفريد لايبنتس فكرة (باللاتينية:vis viva)، أيالقوة الحية، والتي تُعرَّف على أنها ناتج كتلة جسم ما ومربع سرعته؛ كان يعتقد أن مجموعالقوة الحية محفوظ. لحساب التباطؤ بسبب الاحتكاك، افترض لايبنتس أنالطاقة 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).
كمية الطاقة الموجودة في العالم ثابتة على الدوام، فالطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم (قانونحفظ الطاقة)، وإنما تتحول من شكل إلى آخر. وعندما يبدو أن الطاقة قد استنفذت، فإنها في حقيقة الأمر تكون قد تحولت إلى صورة أخرى، لهذا نجد أن الطاقة هي قدرة للقيامبالشغل تكون نتيجته مثلاطاقة حركية أوطاقة إشعاعية. فالطاقة التي يصاحبها حركة يطلق عليهاطاقة حركة. والطاقة التي لها صلة بالموضع (الجاذبية) يطلق عليهاطاقة الوضع (جهدية). فالبندول المتأرجح تختزن بهطاقة وضع عند نقطتي النهائية (أعلى نقطتين أثناء حركة البندول، يمين ويسار)، وعند كل نقطة نهائية لاهتزاز البندول تتحول طاقة الوضع إلىطاقة حركية لذلك يعود في اتجاه وضع التوازن (أسفل) ومنه إلى النقطة النهائية الثانية، وهكذا.
في عام 1843، اكتشفجيمس بريسكوت جول بشكل مستقلالمعادل الميكانيكي في سلسلة من التجارب. أشهرها استخدم «جهاز جول»: يسبب وزن تنازلي، مرتبط بخيط، في دوران مجداف مغمور في الماء، معزول عمليا عن انتقال الحرارة. وأظهر أنطاقة وضع الجاذبية التي فقدها الوزن في النزول كانت مساويةللطاقة الداخلية التي يكتسبها الماء من خلالالاحتكاك بالمجداف.[12]
وحدة معدل الطاقة في النظام الدولي للوحدات (الطاقة لكل وحدة زمنية) هيالواط، وهو جول في الثانية. إذن، الجول الواحد يساوي واط في الثانية، و3600 جول يساوي واحد واط في الساعة. وحدة الطاقةCGS هيالإرج والوحدة الإمبراطورية والأمريكية المعتادة هي وحدة رطل قدم. تستخدم وحدات الطاقة الأخرى مثلإلكترون فولت أوالسعرات الحرارية الغذائية أو السعرات الحرارية الديناميكية الحرارية (بناءً على تغير درجة حرارة الماء في عملية التسخين)،والوحدات الحرارية البريطانية في مجالات علمية وتجارة محددة.
كما توجد وحدة صغيرة تناسب التعامل معالجسيمات الأوليةوالذرة وتستخدم فيالفيزياء النووية، ذلك لأن الجول وكيلوواط ساعة وحدات كبيرة لهذا المجال. والوحدة التي يستخدمها الفيزيائيون للجسيمات الأولية هيالإلكترون فولت ومقدارها:
1 إلكترون فولت = 1.6023×10−19 جول
كتلة البروتون = 931 مليون إلكترون فولت
وهذه الأخيرة يمكن حسابها أيضاًبالجول أو بالكيلوجرام. متر2. ثانية−2.
تعتبر الطاقة الحيوانية أول طاقةشغل استخدمها الإنسان في فجر الحضارة عندما استخدم الحيوانات الأليفة في أعماله ثم شرع واستغل قوة الرياح في تسيير قواربه لآفاق بعيدة واستغل هذه الطاقة مع نمو حضارته واستخدمها كطاقة ميكانيكية في إدارة طواحين الهواء وفي إدارة عجلات ماكينات الطحن ومناشير الخشب ومضخات رفع الماء من الآبار وغيرها وهذا ما عرف بالطاقة الميكانيكية.
بعض أشكال الطاقة (التي يمكن أن يمتلكها جسم أو نظام كخاصية قابلة للقياس):
الطاقة غير المتجددة نحصل عليها من باطنالأرض كسائب كما فيالنفط وكغاز كما فيالغاز الطبيعي أو كمادة صلبة كما فيالفحم الحجري وهي غير متجددة لأنه لايمكن صنعها ثانية أو استعواضها مجددا في زمن قصير وتلك المصادر هي أصلا تكونت من الطاقة الشمسية واختزنت في النفط والفحم والغاز وترجع جميع مصادرالطاقة المتجددة أيضا إلى الطاقة الشمسية (ماعداالطاقة النووية) مصادر الطاقة المتجددة نجدها فيطاقة الكتلة الحيوية التي تُستمد من مادة عضوية كإحراق النباتات وعظام الحيوانات وروث البهائم والمخلفات الزراعية فعندما نستخدمالخشب أو أغصان الأشجار أو روث البهائم في اشتعال الدفايات أو الأفران فهذا معناه أننا نستعمل وقود الكتلة الحيوية وفي الولايات المتحدة تستغل طاقة الكتلة الحيوية في توليد نحو 3% من مجمل الطاقة لديها لتوليد 10 آلافميجاوات من القدرة الكهربائية
وتستغلطاقة الحرارة الأرضية لتوليد الكهرباء والتسخين وهي تحتاج إلى حفر أبار عميقة بين 400 متر إلى 2000 متر لاستخراج الماء الساخن منها واستغلاله في التدفئة أو لتوليد الكهرباء
في القرن 19 ظهر مصدر آخر للطاقة وهوالطاقة الكهربائية والتي تعرف بالكهرباءويمكن الحصول على الكهرباء من الطبيعة عن طريق الصواعق والاحتكاك وهذا صعب وغير مجدٍ اقتصادياً ولكن يمكن توليد الكهرباء بعدة طرق أخرى منها الكيميائية مثل البطاريات أو عن طريق تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وذلك بتحريك سلك موصل في مجال مغناطيسي كما في المولدات الكهربائية أو بتسخين مزدوج حراري كما فيالمزدوجة الحرارية
في البطاريات تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمرفي المولدات الكهربائية تكون الكهرباء المولدة في الغالب ذات تيار متردد ويمكن أن تكون الكهرباء ذات تيار مستمر
ثم ظهرتالطاقة النووية التي استخدمت فيالمفاعلات النووية حيث يجريالانشطار النووي الذي يولد حرارة هائلة تولد البخار الذي يدير المولدات الكهربائية أو محركات السفن والغواصات لكن مشكلة هذه المفاعلات النووية تكمن في نفاياتها المشعة واحتمال حدوث تسرب إشعاعي أو انفجار المفاعل كما حدث في مفاعلتشيرنوبل الشهير
وطاقة كهرمائية التي تتولد من السدود حاليا نصف الطاقة المتجددة فيالولايات المتحدة الأمريكية تأتي من الطاقة الكهرمائية وهي قوة دفع المياه التي تديرالتوربينات والتي بدورها تسيّرمولد الكهرباء كما يحدث فيمصر فيالسد العالي وفي أمريكا تمثل كهرباء الطاقة المائية 12% من جملة الكهرباء المنتجة ويمكن مضاعفتها إلي 72 ألف ميجاوات حيث تتوفر مياه الأنهار والبحيرات
هناك أيضاطاقة قوة الرياح حيث تُستخدم مراوح كبيرة تدور بالهواء والرياح وبواسطةمولد كهربائي تقوم بإنتاجالتيار الكهربائي كانت قوة الرياح تستغل في إدارة طواحين الهواء ومضخات رفع المياه كما إتبع فيهولندا عندما نزح الهولنديون مساحات مائية من البحر لتوسيع الرقعة الزراعية عندهم سبب عدم انتشارها في العالم أصواتها المزعجة وقتلها للطيور التي ترتطم بشفراتها السريعة وعدم توفر الرياح في معظم المناطق بشكل مناسب.
فيالبطاريات تستغل الطاقة الكيميائية في توليد التيار الكهربائي وفيالمراكم المستخدم فيهاتف محمول وهي تنتج التيار الكهربائي من التفاعل الكيميائيأيضا فيخلايا الطاقة التي تستغلالهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي
ويرافق جميع العمليات الكيميائية تغير في المواد أي تختفي مواد وتنتج مواد أخرى وجميع العمليات الكيميائية مصحوبة بتغير في الطاقة نطلق اسم طاقة كيماوية على الحرارة المنطلقه إلى الوسط المحيط لتفاعل كيمائي أو الطاقة التي تمتصها العملية من الوسط المحيط
البترول عبارة عن سائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. وأحياناً يسمى نافثا، من اللغة الفارسية («نافت» أو «نافاتا» والتي تعني قابليته للسريان).وهو يتكون من خليط معقد منالهيدروكربونات، وخاصة من سلسلةألكان، ولكنه يختلف في مظهره وتركيبه ونقاوته بشدة من مكان لأخر. وهو مصدر من مصادر الطاقة الأولية الهام للغاية (حسب إحصائيات الطاقة في العالم). البترول هو المادة الخام لعديد من المنتجات الكيميائية، اللدائن.
الوقود له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز، والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوماً بعد يوم، مع أضراره الشديدة للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفط يكون مخلوط مع الرمال.
من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطي استخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية، وهناك الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري، حيث بالمستطاع استخدام هذه النفايات في توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير، وتستخدم في العديد من دول العالم معالجة المياه الثقيلة للاستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفير الطاقة.
من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون من نباتاتالأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقاياقصب سكر، أمكن تحويل بعض منتجاتالسكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل. يتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل منالتلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمالالرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هو الحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري، ومن ثم فإنه بنزين خال من الرصاص.
هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قد لا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض، إضافة لخطورة استخدامها وتأثيرها السيئ علىالبيئة.
الطاقة الشمسية هي الطاقة الأم فوق كوكبنا، حيث تنبعث من أشعتها كل الطاقات المذكورة سابقاً لأنها تسير كل ماكينات وآلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها، وتدفع دورة تدوير المياه، وتدفيء المحيطات، وتنمي النباتات وتطعم الحيوانات. ومع الزمن تكونالوقود الإحفوري في باطن الأرض. وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة إلى حرارة وبرودةوكهرباء وقوة محركة. تعتبرأشعة الشمسأشعة كهرومغناطيسية،وطيفها المرئي يشكل 49% منها، والغير مرئي منها يسمىبالأشعة الفوق البنفسجية، ويشكل 2%،والأشعة تحت الحمراء 49%.
الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها وبعدها عنالأرض، فتختلف كثافة أشعة الشمس وشدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية وبعدها عنالأرض وميولها ووضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أو خلال السنة، وحسب كثافة السحب التي تحجبها، لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعة التي تصل لليابسة، عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمس تسقط على الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه، وتمتص الأشعة وتخزنها فيكتلة حرارية. هذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني. تعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي (الفولتية الضوئية). فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد.
والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة ولا تعكسها كثيراً، لهذا تسخن. عكس الأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس، لهذا لا تسخن. والحرارة تنتقل بثلاث طرق، إمابالتوصيل من خلال مواد صلبة، أوبالحمل من خلال الغازات أو السوائل، أوبالإشعاع. من هنا نجد الحاجة لانتقال الحرارة بصفة عامة لنوعيةالمادة الحرارية التي ستختزنه، لتوفير الطاقة وتكاليفها. لهذا توجد عدة مبادئ يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية، من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة لتجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتى في تصميم المباني واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أو الباردة. كما يكونون على بينة بمساقط الشمس على المبني والبيئة من حوله كقربه من المياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة، والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران وخزانات الماء. كل هذه الاعتبارات لها أهميتها في امتصاص الحرارة أثناء النهار وتسربها أثناء الليل.
يتميز جسم أو جسيم بأن لهكتلة. فإذا كانت كتلة الجسيم m وسرعته v تحسب طاقته طبقا للمعادلة:
تلك هيطاقة حركية جسم أو جسيم، وتنطبق المعادلة على الأجسم الكبيرة مثلالسيارة مثلاً، وكذلك على الجسيمات الصغيرة مثلالإلكترون، (كل بحسب كتلته). (ملحوظة: ينجم عن سرعة الجسيمطاقة حركية يمكن حسابها طبقا للمعادلة أعلاه التي تعتمد على كتلة الجسم m وسرعته v. ولكن إذا شئنا معرفة الطاقة الكلية للجسم فلا بد من أخذ الطاقة المرتبطةبكتلة السكون للجسم أيضا. وتحسب طاقة كتلة السكون للجسم عن طريق معادلةأينشتاين التي تعطيتكافؤ الكتلة والطاقة:E = m.c² حيث cسرعة الضوء في الفراغ. أي أن الطاقة الكلية لجسم = m. c² +
ويمكن حساب الطاقة الكلية لجسيمكالبروتون (أو لجسم كالسيارة) بالوحدات:
توجد في الوقت الحاضر عدة معامل تدوير للمخلفات الصلبة وذلك بطريقة الفصل الميكانيكي للمواد غير القابلة للحرق مثل المعادن والزجاج، ثم توجيه المواد العضوية المتبقية إلى منظومات إنتاج الوقود. إن عملية استخراج الوقود من النفايات هي أكثر سهولة من عمليات الفصل الميكانيكي المعقدة، وفيها أيضاً يتم استخدام الرماد (Ash) كمادة تحرق مع الفحم لأغراض توليد الطاقة. ولقد أدّت القوانين والأنظمة الصارمة التي وضعتها بعض الدول الأوروبية بخصوص حرق النفايات إلى التقليل من استخدام هذه الطريقة.
يستخدم الغاز المتولد من المطامر الصحية للحرق في الأفران والمراجل لإنتاج بخار لغرض توليد الطاقة الكهربائية أو إنتاج ماء ساخن لأغراض التدفئة. ويوجد في مختلف أنحاء العالم حوالي 240 موقعاً وصلت سعتها إلى 440 في عام 1992. وأحد المشاريع الكبيرة في العالم يوّلد 46 MW. وإن كل طن من النفايات ينتج نظرياً في العام ما بين 300 و1500 متر مكعب من الغاز ذي محتوى طاقوي يعادل 5 GJ أو 6 GJ وذلك في موقع عمره عشر سنوات أو أكثر. وبسبب صعوبات استخلاص الغاز وإدارة الظروف تحت الأرض فإن كفاءة الإنتاج تتراوح بين 25% و50%.
إن كلفة توليد الطاقة من غاز الطمر الصحي مشجعة جداً، إذ أن إنتاج الطاقة من هذه المنظومات يتراوح بين 4 و6 سنت أمريكي للكيلووات-ساعة. وفي حالة إنتاج 150 متراً مكعباً من الغاز لكل طن من النفايات الصلبة فإنه يمكن توليد طاقة كهربائية مقدارها 5 TWh في السنة.
يمكننا استخدام طرق أخرى لإنتاج الغاز من المطامر الصحية إحداها إخضاع النفايات لعملية مسيطر عليها جيداً في مهاضم مصنعة. وفي هذه الظروف فإن الهضم يتمّ في أسابيع بدلاً من سنين. وتتم تغذية الهاضم بواسطة تخفيف النفايات الصلبة بسوائل المجاري. ومن حسنات هذه الهواضم مقارنة باستخدام مطامر النفايات، هو إمكانية نصبها قرب المناطق السكنية وبهذا لا تحتاج القمامة إلى أن تنقل لمسافات بعيدة بالإضافة إلى أنها تكتفي بمساحة قليلة من الأرض.
لقد تم تطوير مثل هذه المنظومات في الولايات المتحدة. ويبين الشكل (1-6) المنظومة التي تقوم بتجميع المواد المفيدة من النفايات الصلبة وإنتاج غاز الميثان بواسطة الهواضم وتوليد الطاقة الكهربائية بواسطة حرارة احتراق النفايات الصلبة.
شكل (1-6): منظومة تقوم بتجميع المواد المفيدة من النفايات الصلبة وإنتاج غاز الميثان وتوليد الطاقة الكهربائية.
يتم جمع كميات ضخمة من النفايات الصناعية والتجارية في كل مدينة. وإن حوالي ثلثي هذه النفايات قابل للاحتراق، كما أن قسماً كبيراً منها غير ملائم للجمع مع النفايات المنزلية لاختلاف نوعية المواد. فنفايات عمليات تصنيع الأغذية، مثلاً، يجب أن تعالج قبل طرحها كنفايات لتقليل تأثير المواد البيولوجية والكيميائية، ويتم بعد ذلك وضعها في هاضم لإنتاج طاقة حرارية. ومخلفات المستشفيات يحب حرقها لتجنب التلوث. كما أن كميات كبيرة من الإطارات المستعملة التي ترمى في النفايات يمكن حرقها وتحويلها إلى حرارة أيضاً.
^Harper، Douglas."Energy".Online Etymology Dictionary.مؤرشف من الأصل في 2007-10-11. اطلع عليه بتاريخ2007-05-01.
^Smith، Crosbie (1998).The Science of Energy – a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. The University of Chicago Press.ISBN:978-0-226-76420-7.
^Lofts، G؛ O'Keeffe D؛ وآخرون (2004). "11 – Mechanical Interactions".Jacaranda Physics 1 (ط. 2). Milton, Queensland, Australia: John Willey & Sons Australia Ltd. ص. 286.ISBN:978-0-7016-3777-4.
^Chavez, J.M., Richards, E. M., VanArsdall, A. “Solar Power Systems, The Engineering Handbook,Ed. Richard C. Dorf ,Boca Raton CRC Press LLC, 2000
^Lloyd, J.T. (1970). "Background to the Joule-Mayer Controversy".Notes and Records of the Royal Society. ج. 25 ع. 2: 211–225.DOI:10.1098/rsnr.1970.0030.
