تحويلات الطاقة
تحويل الطاقة يُعرف بأنه عملية تغير أشكال الطاقة المكتسبة من الطبيعة إلى صيغ مختلفة يمكن للإنسان الاستفادة منها. يحدث تحويل الطاقة في معظم العمليات الكونية بشكل دوري. تشمل بعض العمليات الشائعة لتحويل الطاقة ما يلي:
- تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية في النباتات من خلال عملية البناء الضوئي، والتي تتطلب ضوء الشمس، والماء، وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الغذاء.
- تحويل الطاقة الميكانيكية الناتجة عن الشلالات إلى طاقة كهرومغناطيسية في المولدات.
- تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في البنزين إلى طاقة حرارية، ثم إلى طاقة حركية لتحريك السيارات.
- تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية من خلال الخلايا الشمسية واستخدام هذه الطاقة في الإضاءة أو تشغيل الأجهزة.
يجدر بالذكر أنه أثناء تحويل أحد أشكال الطاقة إلى آخر، تكون كمية الطاقة في شكلها الأولي مساوية لكمية الشكل الجديد للطاقة. تُحفظ الطاقة خلال أي نظام يتحول فيه شكل الطاقة، وبعض عمليات التحويل تشمل تحويلًا أحاديًا بينما تتضمن البعض الآخر تحولات متعددة للطاقة.
التحويلات الأحادية للطاقة
في التحويلات الأحادية، يتم تحويل شكل واحد من الطاقة إلى شكل آخر للاستفادة منه مباشرة، حيث تتم عملية التحويل في خطوة واحدة. ومن الأمثلة على ذلك:
- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في المحمصة الكهربائية لتحميص الخبز.
- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كهرومغناطيسية في الهاتف لإنجاز المكالمات.
- تحويل الطاقة الكيميائية في الطعام المأكول إلى طاقة حركية لتحريك العضلات في جسم الإنسان.
- تحويل الطاقة الكيميائية في الطعام بعد تناوله إلى طاقة حرارية للحفاظ على درجة حرارة الجسم.
- تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية في الخلايا الكهروضوئية.
- تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية في البطاريات.
- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في المعدات الحرارية.
- تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عبر عمليات توليد الكهرباء باستخدام الضغط (بالإنجليزية: Piezoelectric).
التحويلات المتعددة للطاقة
تتضمن التحويلات المتعددة سلسلة من التحولات للحصول على شكل يمكن الاستفادة منه، ومن الأمثلة عليها:
- تحويل الطاقة في عود الثقاب: يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية تساهم في إطلاق الطاقة الكيميائية المخزنة، والتي تتحول بدورها إلى المزيد من الطاقة الحرارية وطاقة كهرومغناطيسية تظهر كضوء.
- عمليات تحويل الطاقة في محرك السيارة: حيث يتم إنتاج شرارة من الطاقة الكهربائية التي تطلق الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود، مما يؤدي إلى تمدد الوقود وضغط أجزاء السيارة.
- دورة الديزل: حيث يتم الانتقال من الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الميكانيكية عبر سلسلة من خطوات التحويل كالتالي:
- طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة ميكانيكية.
- دورة رانكن في التوربينات البخارية: تشمل تحويل أشكال متعددة للطاقة إلى طاقة كهربائية عبر مراحل كالتالي:
- طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- طاقة نووية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- طاقة شمسية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- طاقات حرارية جوفية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- دورة برايتون داخل التوربينات الغازية: تتم فيها تحويل أشكال متعددة للطاقة إلى طاقة كهربائية عبر خطوات متسلسلة كالتالي:
- طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- طاقة نووية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- طاقة شمسية ← طاقة حرارية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
- تحويل الطاقة الميكانيكية الناتجة عن الرياح، والأمواج، والمد والجزر إلى طاقة كهربائية عبر سلسلة من التحولات كالتالي:
- طاقة حركية ← طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية.
أمثلة على تحويلات الطاقة
تحدث تحويلات الطاقة بشكل متكرر، حيث الأشكال الأولية المتاحة للطاقة قد لا تحقق الفائدة المطلوبة. ومن الأمثلة على ذلك:
- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية للحركة: يحدث ذلك في العديد من الآلات، مثل القطار الكهربائي، الذي يعمل بالطاقة الكهربائية من محطات توليد الكهرباء وتحولها إلى طاقة ميكانيكية.
- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية: يُعد هذا التحويل أحد أكثر الأنواع شيوعاً، حيث يحدث في معظم الأجهزة المنزلية مثل مجففات الشعر، والسخانات الكهربائية، والمحمصات الكهربائية.
- تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة إشعاعية: تستخدم الفوانيس كمصدر للإضاءة، حيث تتحول الطاقة الحرارية الناتجة عن اللهب إلى طاقة إشعاعية.
- تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية: تحتوي العديد من الأجهزة على منظم حراري يعمل على تنظيم درجة حرارة الجهاز.
- تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية: يتم ذلك عبر مولدات الطاقة اليدوية.
- تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية: نتيجة الاحتكاك بين الأسطح المختلفة.
- تحويل الطاقة الإشعاعية إلى طاقة كهربائية: يتم من خلال الخلايا الشمسية.
- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاعية: مثال على ذلك هو المصباح الكهربائي.
- تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة الجاذبية: يتم ذلك عبر تأثيرات مغناطيسية عند وضع مغناطيسين فوق بعضهما البعض.
- تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية: يتم استخدام البطاريات لتخزين الطاقة الكيميائية وتحويلها عند الحاجة.
- تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة إشعاعية: كإنتاج الضوء المرئي من خلال تفاعلات كيميائية.
- تحويل الطاقة الإشعاعية إلى طاقة كيميائية: تتم عبر امتصاص الطاقة النووية من الشمس عن طريق النباتات.
- تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية: يحدث ذلك عند احتراق المواد المختلفة.
كفاءة تحويل الطاقة
تتم عمليات تحويل الطاقة في الأجهزة البسيطة والمعقدة، حيث يمكن أن تحدث في سيارة كهربائية أو في محرك سيارة. ومع ذلك، فإنه خلال عملية التحويل قد تُهدَر كمية من الطاقة، ويجب العمل على تقليل التكاليف وتحسين كفاءة الإنتاج لتحقيق عملية إيرادات فعالة.
على سبيل المثال، المصابيح المتوهجة تُحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاعية (ضوء)، ولكنها تُهدر جزءًا من الطاقة على شكل حرارة. لذلك تم تطوير مصابيح ذات كفاءة أعلى مثل المصابيح الفلورية.
تُحدد كفاءة الطاقة للجهاز بناءً على النسبة بين الطاقة الداخلة والطاقة الناتجة بعد عملية التحويل وذلك وفقًا للقانون التالي:
كفاءة الجهاز = الطاقة الناتجة المفيدة / الطاقة الداخلة
- مثال:
احسب كفاءة محرك كهربائي يستهلك 100 واط للحصول على 90 واط من الطاقة الميكانيكية:
الحل: الكفاءة = الطاقة الناتجة المفيدة / الطاقة الداخلة = القدرة الناتجة المفيدة / القدرة الداخلة
كفاءة المحرك = الطاقة أو الطاقة الميكانيكية الناتجة / الطاقة أو الطاقة الكهربائية الداخلة
بالتعويض:
كفاءة المحرك الكهربائي = 90 واط / 100 واط
بتعويض واط = جول / ثانية
كفاءة المحرك الكهربائي = 90 (جول/ثانية) / 100 (جول/ثانية)
كفاءة المحرك الكهربائي = 90 جول / 100 جول
كفاءة المحرك الكهربائي = 90 / 100
كفاءة المحرك الكهربائي = 0.9
كفاءة المحرك الكهربائي = %90
نظرة عامة عن الطاقة
تعرف الطاقة بأنها القدرة على تنفيذ عمل ما، وقد تم الاستفادة من الطاقة في المجتمعات الحديثة من خلال التطورات في طرق تحويلها. تستخدم أشكال الطاقة المختلفة في العديد من الأنشطة، مثل طهي الطعام، وإضاءة المباني، وتحويل الماء إلى جليد، وتشغيل السيارات. وتندرج أشكال الطاقة ضمن فئتين رئيسيتين:
- الطاقة الكامنة: وهي الطاقة المخزنة.
- الطاقة الحركية: وهي طاقة الحركة للمواد المختلفة، مثل حركة الذرات والجزيئات.