الشغل و الطاقة

الشغل و الطاقة

الشغل

يستخدم علماء الطبيعة كلمة الشغل للدلالة على معنى خاص محدّد يختلف عن معناها المستخدم في الحياة اليومية .

نريد هنا أنْ نقف على مفهوم الشغل عند علماء الطبيعة .

ثقل الصندوق الصغير 10ن . نريد رفعه من الأرض إلى سطح طاولة ارتفاعها 1م .

لرفع هذا الصندوق يجب أن نبذل على الأقل قوّة رأسية قدرها 10ن (تقاس القوى بوحدة النيوتن( واتجاهها بالطبع إلى أعلى لتقاوم ثقل الصندوق ، على أنْ تستمرّ هذه القوّة في تأثيرها عليه حتّى يصل إلى هذا الارتفاع .

نلاحظ : وجدت قوّة مبذولة على الصندوق قدرها 10ن ، و استطاعت تلك القوّة أنْ تزيح الجسم مسافة 1م في اتّجاهها .

يطلق على ما قمنا به من عمل لفظ : الشغل .

  لو بذلنا على الصندوق قوّةً رأسيّة مقدارها أقلّ من 10ن فماذا سيحدث ؟

إِذنْ : بعض القوى تسبّب حركةً ، و بعضها الآخر لا تسبّب حركة .

القوّة التي تسبّب حركة ( إزاحة ) في اتجاهها يقال إنّها أنتجت شغلاً .

أمّا القوّة التي لا تسبّب حركة في اتّجاهها فلا يقال إنها أنتجت شغلاً .

رمز : ش للدلالة على الشغل .

الطاقة

إن أبسط تعريف للطاقة هو : المقدرة على إنجاز شغلٍ ما .

فالجسم الذي يستطيع إنجاز شغلٍ ما – أيَّاً كان مقدار هذا الشغل - ، فهو يمتلك طاقة ، و بالطبع فإنّ الجسم الذي يمتلك طاقةً أكبر ؛ ينجز شغلاً أكبر .

•        تستطيع السيّارة المتحركة أنْ تنجز شغلاً ، فحينما تصدم بجسم أصغر منها فإنّها تحركه

و هذا يعني أنّها تملك طاقة

 

كما أنّ النابض المشدود أو النابض المضغوط يستطيعان أيضاً أنْ ينجزا شغلاً ، فعندما نحرّر النابض المشدود فإنّه يحرّك مكعّب الخشب .  و عندما نحرّر النابض المضغوط فإنّه يحرك مكعّب الخشب أيضاً و هذا يعني أنهما يمتلكان طاقة ، لكنهّا لا تظهر إلاّ بعد تحريرهما

علاقة الطاقة بالشغل

عند شدّ النابض بقوّة معيّنة فإنّ النابض يستطيل ، و نقول حينئذٍ إن القوّة قد أنجزت شغلاً ، و يصبح النابض ممتلكاً لطاقة كامنة و عند تحرير

النابض فإنّ طول النابض يتقلّص ؛ حيث تعمل قوّة المرونة على إعادته إلى طوله الأصلي .

 و معنى ذلك أنّ الطاقة الكامنة التي امتلكها النابض بسبب شدّه قد أنجزت شغلاً مكافئاً للشغل الذي أنجزته القوّة .

هل معنى ذلك أنّ الشغل الذي يبذل على النابض ، يُختزن فيه على شكل طاقة كامنة ؟

نعم ! فعندما نبذل شغلاً يكسب النابض طاقة . و يصبح قادراً على إنجاز شغل .

و ذلك تماماً ما يحدث للصندوق ، فعندما نبذل شغلاً في رفع الصندوق فإنّه يصبح قادراً على إنجاز شغل ، أي أنّه أصبح يملك طاقة ، و يمكنك الكشف عن تلك الطاقة بمجرّدتحرير الصندوق حينها يسقط نحو الأرض .

  

إنّ مقدار الطاقة التي يختزنها الصندوق مساو لمقدار الشغل الذي بُذل لرفعه .

•        كم مقدار الشغل الذي أنجزه الصندوق بسقوطه ؟

إنّه أيضا يساوي مقدار الطاقة التي اختزنها الجسم المرفوع .

فالشغل و الطاقة مصطلحان متداخلان . فالطاقة تنتج شغلاً ، كما أنها تنشأ عن الشغل ، لذا فإنّ وحدة الطاقة هي وحدة الشغل .

وحدة الشغل هي : الجول ،

و وحدة الطاقة هي أيضاً : الجول .

صور الطاقة

أنواع الطاقة

نطلق على الطاقة التي يملكها الجسم المتحرك مصطلح : الطاقة الحركيّة

كما نطلق على الطاقة التي يختزنها الجسم مصطلح : الطاقة الكامنة

في حين تكتسب الأجسام التي نقوم بتسخينها طاقة نطلق عليها مصطلح : الطاقة الحراريّة

نلحظ في حياتنا اليومية صوراً عديدةً من الطاقة يصعب حصرها .

فالأجسام المرنة مثل النابض ، و خيط المطاط و الكرة تخزن طاقة عند بذل شغل عليها ، و نصف تلك الطاقة بأنّها طاقة كامنة بسبب تغيّر طرأ على شكلها .

و الأجسام التي في مجال جاذبية الأرض تملك هي الأخرى طاقة كامنة .

و قطعة الحديد القريبة من المغناطيس تملك أيضاً طاقة كامنة ، فعند تحريرها فإنّها تتحرك نحو المغناطيس .

و الجسم المشحون بشحنة كهربائية يمتلك طاقة كامنة هو الآخر .

و الأجسام المتحركة تملك طاقة حركية .

و الأجسام الساخنة تملك طاقة حرارية .

و نحن أيضاً نملك طاقة نستطيع بها أنْ نصعد السلّم ، و نرفع الكرسي ، و نشدّ النابض ، كما نحتفظ بجزء من تلك الطاقة على صورة حرارة يتزوّد بها جسمنا ؛ ليحافظ على درجة حرارته عند الدرجة :   م تقريباً .

 بالإضافة إلى ذلك هناك الطاقة الصوتيّة ، فعند حدوث صوت عالي الشدّة ، مثل مرور طائرة على ارتفاع منخفض نلاحظ اهتزاز زجاج الشبابيك والأبواب ، و ربّما سمعت حينها صوت حركة الكأس الفارغة الموضوعة على الطاولة .

و هناك الطاقة الضوئية ، فنحن نشعر بالدفء عند تعرّضنا لضوء الشمس ، و يمكننا استغلال طاقة الشمس و تحويلها إلى طاقة كهربائية يمدّنا بالحرارة و الطاقة النووية .

تعتبر الطاقة الحيوانية أول طاقة 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.

قوة الحيوانات نجدها مستمدة من الطاقة الكيميائية الموجودة في الطعام بعد هضمه في الإنسان والحيوان. والطاقة الكيميائية نجدها في الخشب الذي كان يستعمل منذ القدم في الطبخ والدفء. وفي بداية الثورة الصناعية استخدمت القوة المائية كطاقة تشغيلية (شغل)  بواسطة نظم سيور وبكر وتروس لإدارة العديد من الماكينات.

نجد الطاقة الحرارية في [محرك بخاري |المحركات البخارية] التي تحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة ميكانيكية. فالآلة البخارية يطلق عليها آلة احتراق خارجي، لأن الوقود يحرق خارج المحرك لتوليد البخار الذي يدير المحرك. لكن في القرن 19 إخترعت محرك الإحتراق الداخلي، مستخدما وقودا يحترق داخل الآلة حسب نظام غرف الإحتراق الداخلي المباشر بها، لتصبح مصدرا للطاقة الميكانيكية التي أستغلت في عدة أغراض كتسيير السفن والعربات والقطارات.

في القرن 19 ظهر مصدر آخر للطاقة، لايحتاج لإحتراق الوقود، وهو الطاقة الكهربائية المتولدة من الدينامو مولد كهربائي. أصبحت هذه المولدات تحول الطاقة الميكانيكية لطاقة كهربائية التي أمكن نقلها إلي أماكن بعيدة عبر الأسلاك، مما جعلها تنتشر، حتى أصبحت طاقة العصر الحديث ولاسيما وأنها متعددة الأغراض، بعدما أمكن تحويلها لضوء وحرارة وطاقة ميكانيكية، بتشغيلها محركات الآلات والأجهزة الكهربائية. تعتبر طاقة نظيفة إلى حد ما.

ثم ظهرت الطاقة النووية التي استخدمت في المفاعلات النووية، حيث يجري الإنشطار 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 مفاعل تشيرنوبل الشهير.

الطاقة الغير متجددة نحصل عليها من باطن الأرض كسائل كما في النفط، وكغاز كما في الغاز الطبيعي، أو كمادة صلبة كما في الفحم الحجري. وهي غير متجددة لأنه لايمكن صنعها ثانية أو استعواضها مجددا في زمن قصير، عكس الطاقة المتجددة. مصادر الطاقة المتجددة نجدها في طاقة الكتلة الحيوية التي تستمد من مادة عضوية كإحراق النباتات وعظام الحيوانات وروث البهائم والمخلفات الزراعية. فعندما نستخدم الخشب أو أغصان الأشجار أو روث البهائم في اشتعال الدفايات أو الأفران، فهذا معناه أننا نستعمل وقود الكتلة الحيوية التي تستغل كمادة عضوية من النباتات ونفايات الزراعة أو الخشب أو مخلفات الحيوانات. وفي الولايات المتحدة تستغل طاقة الكتلة الحيوية في توليد 3% من مجمل الطاقة لديها لتوليد 10 آلاف ميجا وات من القدرة الكهربائية.

وتستغل طاقة الحرارة الأرضية لتوليد الكهرباء والتسخين. حاليا نصف الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة الأمريكية تأتي من قوة دفع المياه التي تدير التوربينات، والتي تسيّر المحركات لتوليد الكهرباء، كما يحدث في مصر في السد العالي. وفي أمريكا تمثل كهرباء الطاقة المائية 12% من جملة الكهرباء. ويمكن مضاعفتها إلي 72 ألف ميجاوات.

هناك أيضا طاقة قوة الرياح حيث أن شفرات (ألواح) كبيرة تدور بالهواء فوق الأبراج بحركة مروحية، ومثبت بها مولدات كهرباء. كانت قوة الرياح تستغل في إدارة طواحين الهواء ومضخات رفع المياه، كما إتبع في هولندا 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.

أيضا في خلايا الطاقة التي هي خلايا وقود الهيدروجين تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي باستخدام الهيدروجين والأوكسجين.

وحدات الطاقة

يمكن تحويل وحدات الطاقة أو الشغل بالعلاقات الآتية وحدة طاقة:

1 جول = 1 كيلوجرام. متر2. ثانية −2

1 إرج = 1 جرام. سم2. ثانية −2

1 جول = 107 إرج

1 كيلوواط ساعة = 3,6. 106 جول

1 حصان = 2,68. 106 جول

الطاقة الحركيّة

جميع الأجسام المتحركة قادرة على إنجاز شغل ، فجميعها إذاً تملك طاقة . يدعى ذلك الشكل من الطاقة

نحتاج إِلى : نموذج سيّارة ( لعبة صغيرة ) ، لوح غير سميك من الخشب بطول   م ، علبة عصير اسطوانية الشكل ( فارغة ) ، إِصبع طباشير ، كتل عيارية ، شريط لاصق .

خطوات العمل :

نستخدم اللوح المائل لإِكساب السيّارة طاقة حركيّة ، حيث نضع السيّارة عند قمّته و نتركها حرّة ، فتتحرّك نحو أسفله ، و كلّما كان السطح مائلاً ؛ اكتسبت السيّارة سرعةً أكبر ، و نضع علبة العصير أمام السيّارة لتصطدم بهاحيث يمكننا التأكّد من تغيّر الطاقة الحركيّة ، كما نستخدم الطباشير في تحديد موقع علبة العصير قبل التصادم و بعده لحساب مقدار الإِزاحة التي حدثت للعلبة .

تعميم :

عند تساوي سرعة عدة أجسام متحركة فإن الجسم ذو الكتلة الأكبر يكون له طاقة حركية أكبر ، و الجسم ذو الكتلة الأصغر يكون له طاقة حركية أصغر .

لذا فإن علاقة الطاقة الحركية لجسم بكتلة ذلك الجسم علاقة طردية ( عند ثبات سرعة الجسم( .

الطاقة الكامنة الناشئة عن الجاذبيّة الأرضيّة

كما مرّ معك قريباً فإنّ سقوط الحجر المعلّق بعد قطع الخيط دليل على أنّه كان يملك طاقة كامنة ، و هذه الطاقة ناتجة عن تجاذبه مع الأرض ، لكن هذه الطاقة غير ظاهرة للعيان ، بل إنّها كامنة فيه فلا تظهر إلاّ بعد تحريره .

يطلق على الطاقة التي تكتسبها الأجسام بسبب ارتفاعها عن الأرض مسافةً ما : الطاقة الكامنة الناشئة عن الجاذبية الأرضية .

تعتمد طاقة الجسم التي اكتسبها نتيجة رفعه على عاملين هما :

1- ثقله ،   و نرمز له بالرمز :  و ،    فكلّما زاد ثقل الجسم زادت طاقته .

2- ارتفاعه عن سطح الأرض ،    و نرمز له بالرمز : ف ،     فكلّما ارتفع زادت طاقته .

و يمكن التعبير عن الطاقة التي يكتسبها الجسم نتيجة رفعه بالعلاقة الرياضية التالية :

الطاقة الكامنة الناشئة عن رفع الجسم =  و × ف

و يجب أنْ لا ننسى أنّ مقدار الطاقة التي يختزنها الجسم نتيجة رفعه تساوي مقدار الشغل المبذول لرفعه إلى ذلك الارتفاع .

بمعنى أنّ ما بذلناه من الشغل لرفع أيّ جسم نكسبه طاقةً كامنة .

حفظ الطاقة :

يمكننا الآن أنْ نكتشف أحد النظم الدقيقة التي سنّها الله في الكون فانصاعت له جميع المخلوقات ، و هو ما عرّفه علماء الطبيعة بقانون حفظ الطاقة .

و يعبّر عن هذا النظام بالعبارة التالية : الطاقة لا تُفنى و لا تخلق من العدم ، و لكن تتحول من شكلٍ إلى آخر . فلا سبيل إذاًً أمام أيٍّ من المخلوقات إلى أن يُفنى أو يخلق . و تفرّد الله وحده بالخلق ليبقى الخالق خالقاً و المخلوق مخلوقاً .

مصادر الطاقة الطبيعية

البترول

البترول عبارة عن سائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. وأحيانا يسمى نافثا، من اللغة الفارسية ("نافت" أو "نافاتا" والتي تعني قابليته للسريان). وهو يتكون من خليط معقد من الهيدروكربونات، وخاصة من سلسلة ألكان، 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

الوقود له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الحفري وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز، والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوما 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 نباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقايا قصب سكر، أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل. يتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمال الرصاص 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 على البيئة.

الطاقة شمسية

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 تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض. وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة إلى حرارة وبرودة وكهرباء وقوة محركة. تعتبر أشعة الشمس أشعة كهرومغناطيسية، وطيفها المرئي يشكل 49% منها، والغير مرئي منها يسمى بالأشعة الفوق البنفسجية، ويشكل 2%، والأشعة تحت الحمراء 49%.

الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها وبعدها عن الأرض، فتختلف كثافة أشعة الشمس وشدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية وبعدها عن الأرض 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 علي الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه، وتمتص الأشعة وتخزنها في كتلة (مادة) حرارية Thermal mass. 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 ،إما بالتوصيل conduction من خلال مواد صلبة، أو بالحمل convection من خلال الغازات أو السوائل، أو بالإشعاع radiation. من هنا نجد الحاجة لانتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنه،, لتوفير الطاقة وتكاليفها. لهذا توجد عدة مباديء 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 علي بينة بمساقط الشمس علي 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.

الحرارة

الحرارة هي إحدى أشكال الطاقة والتي يترافق معها حركة الذرات أو الجزيئات أو أي جسيم يدخل في تركيب المادة. بالإمكان الحصول على الحرارة عن طريق التفاعلات الكيماويةكالاحتراق، أو التفاعلات النووية كالاندماج النووي الذي يحدث في الشمس أو الإشعاع الكهرومغناطيسي كما يحدث في المواقد الكهرومغناطيسية(ميكروويف) أو الميكانيكي (الحركي) مثل الاحتكاك. يمكن للحرارة أن تتنقل بين الأجسام عن طريق الإشعاع أو التوصيل حراري أوالحمل الحراري.

 لا يمكن للحرارة أن تنتقل بين جسمين أو بين نقطتين في جسم واحد إلا أن كانت درجات الحرارة بينهما مختلفة. درجة الحرارة هي مقياس لمدى سخونة جسم ما أو برودته.

السعة الحرارية

تسمى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة مئوية واحدة بالسعة الحرارية. السعة الحرارية لكل مادة محددة ومعروفة.

الحرارة النوعية

الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة من مادة ما درجة واحدة تسمى بالحرارة النوعية وهي تعتمد على حالة المادة وتركيبها الكيماوي.

القيمة الحرارية

عند احتراق الوقود تصدر كمية من الحرارة تعرف باسم القيمة الحرارية للوقود وتقدر عادة بالوحدة الحرارية البريطانية.

الحرارة الكامنة

خلال عملية تحول مادة نقية من حالة إلى أخرى يتم فقد حرارة أو اكتسابها دون أي تغير في درجات الحرارة وتعرف كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة إبان عملية التحول باسم الحرارة الكامنة وتعتمد بشكل مباشر على نوعية المادة وحالتها الابتدائية والنهائية.

طرق أنتقال الحرارة

حيثما يوجد اختلاف في درجة الحرارة، تنتقل الطاقة الحرارية heat energy بالنقل أو الحمل أو الإشعاع من المكان الاسخن إلى الابرد. يزيد ذلك الطاقة الداخلية internal energy للذرات الابرد فترتفع درجة حرارتها وتنخفض طاقة الذرات الاسخن فتتدنى درجة حرارتها. ويستمر ذلك حتى تتساوى درجة الحرارة في المنطقة ،تسمى هذه الحالة الاتزان الحراري thermal equilibrium

التوصيل -  Conduction

الطريقة التي تنتقل بها الحرارة في الأجسام الصلبة (و كذلك في السوائل، والغازات، على نطاق أضيق). تنتقل الطاقة في الموصلات الجيدة good conductors بسرعة، ويحدث ذلك أساساً بحركة الالكترونات الحرة. فضلاً عن اهتزاز الذرات.

الحملConvection –

الطريقة التي تنتقل بها الحرارة في السوائل والغازات. إذا سخن غاز أو سائل فإنه يتمدد فتقل كثافته ويرتفع، وينخفض الغاز أو السائل الأبرد ليحتل مكانه. وهكذا ينشأ تيار الحمل.

الإشعاع Radiation -

طريقة انتقال الحرارة من مكان ساخن إلى مكان بارد دون أن يكون للوسط أي دور. يمكن أن يحصل ذلك في الفراغ، على عكس التوصيل والحمل. ويستخدم مصطلح (الإشعاع) كثيراً للإشارة إلى الطاقة الحرارية نفسها التي تسمى بخلاف ذلك الطاقة الحرارية المشعة radiant heat energy. يأخذ الإشعاع شكل موجات كهرومغناطيسية electromagnetic waves، وخصوصاً الإشعاع تحت الأحمر infrared radiation.

مقياس درجة الحرارة

نستخدم مقياس الحرارة للحكم على جسم ما بأنّه ساخن أو بارد ، و يمكننا أيضاً أنْ نقارن بين الأجسام الساخنة و الباردة باستخدام حاسة اللمس ، إلاّ إنّ ذلك العمل تكتنفه مصاعب شتّى !

فالأجسام الساخنة - مثل الماء الذي يغلي - تؤذي البشرة عند ملامستها ، كما أنّ تقدير الحرارة يختلف من شخص لآخر ، كما يختلف باختلاف حالة الجسم الحراريّة .

صفات السوائل المستعملة في صناعة الترمومترات

ليست جميع السوائل مناسبة لاستخدامها في صناعة الترمومترات

من الميزات التي يجب توفّرها في السوائل المستخدمة في صناعة الترمومترات ما يلي :

1.      أن يتأثر السائل بتغير درجة الحرارة تأثراً واضحاً ، و أن يكون تمدده منتظماً .

2.      ألا يلتصق السائل بجدر الأنبوب الذي يحويه .

3.      أن يكون للسائل لون ظاهر فيمكن رؤيته بوضوح .

4.      ألا يغلي السائل إلا على درجة حرارة عالية نسبياً .

5.      ألا يتجمد السائل إلا عند درجة حرارة منخفضة نسبياً .

إن أفضل سائلين تتوافر فيهما معظم هذه الميزات هما : الزئبق ، و تتوافر فيه الميزات الأربع الأولى بشكل أفضل من أي سائل آخر ؛ و الكحول تتوافر فيه الميزات الثلاث الأولى و الميزة الخامسة . و لذلك يستخدم الزئبق ( درجة غليانه   م ، و درجة تجمده -   م ) في أكثر مقاييس الحرارة ، إلا ما كان منها مصمماً لقياس درجات حرارة منخفضة جداّ ، فيستخدم الكحول ( درجة غليانه م ، و درجة تجمده  - م ) بدلاً من الزئبق

مقياس الحرارة

مقياس الحرارة الزئبقي

يتألّف مقياس الحرارة الزئبقي من :

أنبوب زجاجي دقيق ، أحد طرفيه محكم الغلق ، و ينتهي الآخر بمستودع معدني يحوي كميّة معيّنة من الزئبق .

و لحماية الأنبوب الزجاجي الدقيق فقد وضع داخل أنبوبة زجاجية أخرى .

و عند استخدامه لقياس درجة حرارة سائلٍ ما ، يتمّ غمس المستودع في السائل ، فيتمدّد الزئبق و يكون تمدّده بحسب سخونة السائل .

تدريج مقياس الحرارة :

يمكننا تدريج مقياس الحرارة السابق بأنْ نغمس مستودعه في وعاء فيه جليد مجروش ، و بعد أنْ يستقرّ مستوى الزئبق في الأنبوب نضع علامة على المقياس عند ذلك المستوى . ماذا تمثّل تلك الدرجة ؟ إنّها تمثّل درجة انصهار الجليد .

بعد ذلك ننقل المقياس إلى وعاء فيه ماء يغلي ، ماذا يحدث لمستوى الزئبق ؟

عندما يستقرّ مستواه نضع علامة على الأنبوب عند هذا المستوى .

ماذا تمثّل تلك الدرجة ؟ إنّها تمثّل درجة غليان الماء .

في السلم المئوي و أعطى العلماء النقطة المرادفة لدرجة انصهار الجليد الرقم " صفراً " كما أعطوا النقطة المرادفة لدرجة غليان الماء الرقم " مئة " . و قسّموا الطول بين تلك النقطتين إلى أقسام متساوية عددها مئة . و أطلقوا على القسم الواحد منها اسم : درجة الحرارة المئويّة أو درجة سليسيوس ( نسبة إلى العالم الطبيعي سليسيوس الذي اقترح هذا التقسيم ) .

كما أطلقوا على هذا التدرج اسم : السلّم الحراري المئوي . أو سلمّ سليسيوس .

و سوف نعتمد الرمز "  " للدلالة على درجة الحرارة المئويّة .

و بالطبع فليس السلّم المئوي هو السلّم الوحيد ، بل استخدام العلماء سلّماً آخر يختلف عن السلّم المئوي في أنّ الطول بين نقطة الانصهار و نقطة الغليان قسّمت إلى 180 قسماً و يعرف بالسلّم الفهرنهيتي .

آلات التقنية

المحرّك الانفجَاري - ( آلَةُ الاحْتِراق الدَّاخليِ(

يعتمد تصميم الآلة الانفجارية و عملها على العديد من المبادئ و القوانين العلمية . و فيما يلي ملخص لأهمها :

أ - مبدأ التفاعل الكيميائي المنتج للحرارة

إن احتراق الوقود تفاعل كيميائي ، ينتج عنه غازات ، و انطلاق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية :

هِبتان ( نوع من الوقود ) + أكسجين     ثاني أكسيد الكربون + ماء ( بخار ) + طاقة حرارية .

ب - مبدأ تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية

إذا تم احتراق الوقود داخل اسطوانة مغلقة ، فإن الطاقة الحرارية الناتجة تتسبب في ازدياد ضغط الغازات داخل الاسطوانة ؛ فتنتج قوة ضاغطة ، يمكن أن تؤدي إلى انفجار .

هذا هو أحد المبادئ التي تعمل بموجبها آلة الاحتراق الداخلي ( اشتعال سريع ينتج عنه حرارة و بعض الغازات ، فتمدد الغازات نتيجة الحرارة فتسبب ضغطاً على الجدران الداخلية للاسطوانة و كذلك على سطح المكبس . فينزلق المكبس إلى الخارج ) .

مبدأ تغيير الحركة المستقيمة إِلى حركة دائرية

يعد هذا المبدأ من المبادئ المهمة جداً ، حيث يعتمد عليه عمل معظم الآلات ، كالسيارات ، و القطارات ، و الناقلات ، و الدراجات ، و أجهزة التسجيل . و من المهم في معظم هذه الآلات استخدام تصميمات ميكانيكية ، كالتروس المسننة ، لتحويل الحركة من اتجاه إلى آخر ، و تستخدم في المحركات الانفجارية التروس المسننة ، في أوضاع معيّنة ، لتحويل الحركة المستقيمة إلى حركة دائرية في عجلات السيارات أو القاطرة ، و غيرهما من الآلات المشابهة .

يسبب الضغط داخل الاسطوانة قوة تعمل على تحريك المكبس إلى الداخل ، و يعمل نظام الموازنة على تحويل الحركة المستقيمة إلى حركة دائرية

تركيب آلة الاحْتراق الدّاخِلي و كَيفيَّة عَملهَا

يبيّن الشكل  المكوّنات الأساسية لآلة الاحتراق الداخلي ، و هي : اسطوانة ينزلق فيها مكبس ( 1 ) ، و لها فتحتان ، واحدة لدخول مزيج من البنزين و الهواء ( 2 ) ، و أخرى لخروج الغازات التي تنتج عن الاحتراق ( 3 ) . و لكل فتحة صمام خاص ، يٌعرف الأول بصمام التعبئة ، و الثاني بصمام التفريغ . و يظهر في الشكل أيضاً : مولد الشرارة الكهربائية ( 4 ) ، عجلة الموازنة ( الحذّاقة ) ( 5 ) ، و محور الحركة ( 6 ) ، و ذراع الاتصال ( 7 (

لقد سميت هذه الآلة بالمحرك الانفجاري ( أو آلة الاحتراق الداخلي ) ؛ لأن مزيجاً من الهواء و بخار البنزين ، أو غيره من الوقود ، يحترق داخلها بنسب معينة ، مسبباً انفجاراً داخلياً . و تتم عملية الاحتراق ( الانفجار ) و توليد الطاقة الميكانيكية على أربع مراحل ، هي :

أ - مرحلة التعبئة ( شوط السحب )

يتحرك المكبس ، داخل الاسطوانة ، إلى أسفل ؛ مما يسمح بانفتاح صمام التعبئة و دخول مزيج بخار البنزين و الهواء إلى الاسطوانة .

ب - مرحلة الضغط ( شوط الانضغاط(

يتحرك المكبس إلى أعلى ؛ فيضغط على البنزين و الهواء . و بما أن صمامي التعبئة و التفريغ مغلقان في هذه المرحلة ، و لأن المكبس و الاسطوانة محكما الغلق ، فإن حركة المكبس هذه تضغط المزيج إلى حجم صغير ؛ فيزداد ضغطه ، و ترتفع درجة حرارته كثيراً . و يرتبط هذا بالمبادئ العلمية التي تحكم العلاقة بين المتغيرات المختلفة و حجم الغازات .

جـ - مرحلة الانفجار و توليد الطاقة ( شوط القدرة)

عندما يصل المكبس إلى نهاية مرحلة الضغط يُحدث مولد الشرارة شرارة كهربائية تشعل المزيج ، محدثة ما يشبه الانفجار . و يصحب ذلك ارتفاع كبير في درجة الحرارة ؛ فتتمدد الغازات الناتجة عن الاحتراق داخل الاسطوانة ، و يزداد ضغطها ؛ فتدفع المكبس إلى أسفل بقوة شديدة.

و تجدر الملاحظة أن محركات الديزل لا تعتمد على مولد للشرارة ؛ إذ أن الهواء الذي يدخل الاسطوانة في مرحلة التعبئة يتعرض لضغط عالٍ جداً ، يرفع درجة حرارته إلى ما يزيد على   م ؛ مما يؤدي إلى اشتعال رذاذ الوقود حال دخوله الاسطوانة .

يرتبط المكبس بذراع تعرف الاتصال . و عندما يندفع المكبس إلى أسفل بقوة شديدة ، تنتقل هذه القوة إلى الذراع ، فتحركها ، و يتحرك تبعاً لذلك عجلة ( حذافة ) الموازنة الثقيلة المرتبطة به . فيدور المحور الأفقي ، و باستخدام التروس تنتقل الحركة إلى العجلات ، فتنطلق السيارة كما تؤدي القوة الناتجة عن حركة السيارة إلى عودة المكبس إلى أعلى الاسطوانة ، و بدء عملية التفريغ .

د - مرحلة التفريغ ( شوط العادم)

عندما يعود المكبس إلى أعلى الاسطوانة يكون صمام التفريغ قد انفتح ؛ فيدفع المكبس ، أثناء ارتفاعه ، الغازات المتبقية في الاسطوانة بعد مرحلة الانفجار إلى الخارج ، و بذلك تتخلص الآلة ، في هذه المرحلة ، من كل الغازات المتبقية نتيجة الاحتراق .

عندما يصل المكبس إلى نهاية مرحلة التفريغ ، يتحرك إلى أسفل ، و تبدأ مرحلة التعبئة من جديد . تتكرر المراحل الأربع السابقة ، أثناء عمل الآلة ، بتتابع منتظم : تعبئة ، ضغط ، انفجار ، تفريغ ، و هكذا ....

المحرّكاتُ النفَّاثة و اَلصَّواريخ

تعتمد المحركات النفاثة في عملها على المبادئ و القوانين التي تعمل بموجبها الآلة الانفجارية ، بالإضافة إلى المبادئ الميكانيكية لعمل التربينات الغازية .

تركيبُ المحرّكَات النّفَّاثة وَ عَمَلهَا

تتركب آلة المحرك النفاث من ثلاثة أجزاء رئيسية ، هي : المكبس ( 1 ) ، حجرة الاحتراق ( 2 ) ، و التربين الغازي ( 3 ) ،  و يعمل هذا المحرك بصورة عامة كما يلي :

أ - يبدأ المكبس و المروحة العمل بسحب الهواء و ضغطه داخل حجرة الاحتراق .

ب - يختلط الهواء المضغوط مع بخار الوقود السائل القابل للاشتعال في حجرة الاحتراق ، و ترتفع درجة حرارته نتيجة ارتفاع ضغطه ؛ فيحترق الوقود احتراقاً سريعاً ( انفجارياً ) ، و تنطلق كميات كبيرة من الطاقة الحرارية .

ج - تتسبب الطاقة الحرارية بتمدد الغازات بسرعة ؛ فتحاول الاندفاع من فتحة خلفية ضيقة في الآلة ، هي المخرج الوحيد لهذه الغازات .

د - لقد صممت في الآلة تربينات غازية ، بحيث يتحتم على الغازات المتمددة الاندفاع خلال شرائحها ، قبل خروجها من الفتحة الخلفية للآلة . و يؤدي هذا الاندفاع إلى دوران التربينات ، و من ثم دوران الآلات و العجلات التي تتصل بها . و للتربينات دور مهم في زيادة الاستفادة من الطاقة المتولدة من احتراق الوقود ، و في تنظيم اندفاع الغازات ، و ثبات الحركة .

ملاحظة: التربين هو مجموعة من الشرائح تأخذ شكل الدائرة ( تشبه المروحة ) حينما يمر الهواء من خلالها يصطدم بها فتتحرك .

 كيف تستفيد الطائرات من المحركات النفاثة ؟

يعتمد ارتفاع الطائرة إلى أعلى ، و استمرار حركتها بسرعة ثابتة ، على عدة مبادئ علمية ، من أهمها : قانون نيوتن الثالث للحركة ، و نصه : "لكل فعل ردة فعل مساوية له في المقدار و متعاكسة في الاتجاه " . و بناء عليه ، فإن القوة الشديدة لاندفاع الغازات من الفتحة الخلفية للآلة النفاثة ، تتسبب بقوة ، تدفع جسم الطائرة المرتبطة بالمحرك النفاث إلى الأمام ، مسببة استمرار حركتها . و بتنظيم قوة الاندفاع هذه بواسطة التربينات الغازية ، يمكن جعل قوة دفع الطائرة إلى الأمام ثابتة نسبياً ، مما يؤدي إلى حركة الطائرة بسرعة ثابتة .

الصَّوَاريخ

تشبه آلات الصواريخ ، في طريقة عملها ، عمل المحركات النفاثة ، غير أن تصميم الصواريخ يراعي توفير مصدر للأكسجين داخل خزان الوقود ، بينما تعتمد المحركات النفاثة في الحصول على الأكسجين الضروري للاحتراق من الهواء أثناء طيران الطائرة .

يتألف الصاروخ ، من أنبوب اسطواني تقريباً ، يشتمل على خزان للوقود ، و حجرة للاحتراق ، و عدد من التربينات الغازية . تكون قمة الصاروخ مغلقة و مدببة نسبياً ، بينما تشتمل نهايته على فتحة أو عدة فتحات مصممة بدقة هندسية و علمية فائقة . بغية تنظيم إخراج الغازات الناتجة عن احتراق مزيج الوقود السائل ( أو بخار الوقود المضغوط ) بالأكسجين . و يتولد عن عملية الاحتراق هذه كميات هائلة من الغازات و من الطاقة الحرارية . تندفع هذه الغازات ، إلى أسفل مثلاً ، بقوة هائلة ، محاولة الخروج من فتحات التفريغ ؛ فيتحرك الصاروخ نتيجة ذلك بقوة كبيرة إلى أعلى و هو الاتجاه المعاكس ، طبقاً لقانون نيوتن الثالث .

تساعد قمة الصاروخ المدببة و شكله الانسيابي في تقليل الاحتكاك الناتج عن مقاومة الهواء ، و تمكينه من الوصول إلى مسافات بعيدة في الجو . و في بعض الحالات تصمم الصواريخ بحيث تمكنها قوة الدفع الناتجة عن احتراق الوقود و تمدد الغازات من التغلب على قوى الجاذبية الأرضية .

و يدرس علماء الصواريخ و مصمّموها عوامل عديدة بهدف زيادة كفاءَة الصورايخ ، و تمكينها من الوصول إلى مسافات بعيدة ، مثل : التقليل من ثقل الصاروخ ، و زيادة حجمه ، و ذلك باستخدام سبائك و معادن ذات كثافة قليلة ، و لكنها قادرة على تحمل درجات حرارة عالية أثناء الاحتراق ، و استخدام أنواع من الوقود ذات كفاءَة عالية و سريعة الاحتراق ، للتقليل من ثقل الوقود و حجمه ، و تصميم آلة الصاروخ بشكل يساعد على التقليل من الطاقة المهدورة ، و الاستفادة بأكبر قدر ممكن من الطاقة المنطلقة .

الهاتف

يعتمد عمل الهاتف على تحويل الذبذبات الصوتية بواسطة الميكروفون إلى نبضات كهربائية متغيرة ، تنقل عبر الأسلاك إلى جهاز الاستقبال ( السماعة ) ، و من ثم إعادة تحويل النبضات الكهربائية إلى ذبذبات صوتية بواسطة السماعة .

تركيب الهاتف

عند تفحص آلة الهاتف ، نجد أنها تتكون من جزءين أساسيين : أحدهما جهاز الإرسال ( الميكروفون ) للتحدث ، و الآخر جهاز الاستقبال ( السماعة ) .

يتركب الميكروفون من غلاف معدني رقيق ، يحتوي على حبيبات الفحم ( الكربون ) الدقيقة . أما السماعة ، فتتألف من مغناطيس كهربائي و قرص معدني رقيق .

يتصل جهاز الإرسال عن طريق الأسلاك الكهربائية بأجهزة الاستقبال في الهواتف الأخرى ، كما يتصل جهاز الاستقبال بأجهزة الإرسال الأخرى . و هناك مجموعتان من الثقوب الصغيرة في كلٍّ من نهايتي آلة الهاتف ، تسهلان نفاذ الصوت أثناء المكالمات الهاتفية .

  كيف يحدث الاتصال الهاتفي ؟

  كيف يحتفظ صوتك و صوت محدثك بخصائصهما ؟

عندما يتحدث المرء في جهاز الإرسال ، تتولد عن كلماته موجات صوتية ذات ضغوط مختلفة . تنفذ هذه الموجات من الثقوب ، و تصطدم بالغلاف المعدني ، فتسبب اهتزازه بسعات مختلفة ؛ فتهتز

نتيجة ذلك حبيبات الفحم الدقيقة داخل الغلاف ، فيتغير الضغط بين حبيبات الفحم بسبب تغير شدة الموجات الصوتية ، مما يؤدي إلى تغير مقاومة الحبيبات للتيار الكهربائي ، و من ثم تغير في شدة التيار الذي يسري في الداره الكهربائية المتصلة بجهاز استقبال المستمع ، و تبعاً لذلك يتغير المجال المغناطيسي للمغناطيس الكهربائي الموجود في آلة الاستقبال ؛ فيؤثر ذلك في قدرة المغناطيس على جذب القرص الرقيق ؛ فيهتز تبعاً لتغير شدة التيار الكهربائي ؛ فتهتز طبقة الهواء المجاورة له بالكيفية نفسها ، محدثة موجات صوتية ، تنفذ من الثقوب إلى أذن السامع . و تتناسب هذه الموجات ، في شدتها و ضعفها ، مع شدة الموجات الصوتية و ضعفها ، الصادرة عن المتحدث . و يقوم الجهاز العصبي و الدماغ بترجمة تلك الموجات إلى كلمات و جمل

 الهاتف النقال

أصبح الهاتف الجوال أو النقال أو الخليوي كما يسمى في بعض البلاد أداة الاتصال الأكثر شهرة و استخداماً في هذه الأيام .

تقوم الهواتف النقالة بإرسال و استقبال الإشارات أو النبضات باستخدام موجات راديو عالية التردد أو موجات ميكروويف .

•        ما المقصود بالتردد ؟ و ما هي وحدة قياسه ؟

فإذا كان هناك جسم ما يهز 1000 مرة في الثانية الواحدة . فهذا يعني أن تردده 1000 هيرتز .

تقوم فكرة نظام الهاتف الجوال على تقسيم المناطق التي يغطيها نظام عمله إلى خلايا صغيرة و لهذا جاء اشتقاق اسم الهاتف الخلوي و كل خلية لها مستقبل و مرسل . الخلايا المتجاورة تُعطي ترددات مختلفة و الخلايا المتباعدة يمكن إعطاؤها نفس التردد . إشارات الهاتف النقال قوية بما يكفي فقط لتغطية الخلايا القريبة و لا يمكن لهذه الإشارات أن تقطع مسافات بعيدة . و هذا ما يسمح لهواتف كثيرة في مناطق مختلفة باستخدام نفس التردد في نفس الوقت بدون تداخل و هذا ما يعرف بإعادة استخدام التردد

فإذا انتقل مستخدم الهاتف النقال من خلية إلى أخرى تنقل الإشارة من هذه الخلية إلى الخلية الأخرى .

حينما تنتقل خارج نطاق عمل شركة هاتف معينة تكون الشركات في المناطق الأخرى مسؤولة عن نقل الإشارة في نطاق عملها .

الفرق بين الهاتف الجوال و الهاتف السيار ( المستخدم في السيارة ) هو أن للهاتف السيار برج واحد فقط مركزي و يستخدم كهوائي ( Antenna ) في المدينة و يتوفر له 25 قناة تقريباً . و هذا يحتاج إلى مرسل قوي له القدرة على الإرسال إلى 70 كم تقريباً .  لذلك لا يوجد عدد كبير يستخدم الهاتف السيار لأن القنوات المتاحة محددة .

مكونات الهاتف الجوال :

1.      دائرة الكترونية تحتوي على رقاقات المعالج و الذاكرة .

2.      هوائي .

3.      شاشة عرض كرستال سائل .

4.      لوحة مفاتيح .

5.      ميكرفون ( لاقط) .

6.      مكبر صوت أو سماعة .

7.      بطارية .