الطاقة: مخزنة، منقولة، مبددة
لا شيء يستهلك الطاقة — بل تنتقل فقط بين المخازن وتسرب أثناء الطريق. يستعرض هذا القسم المخازن والانتقالات، ويقيس الكفاءة بـ مخططات سانكي، ويتتبع الحرارة بالتوصيل والحمل والإشعاع، ويربط الشغل بطاقة الوضع الجاذبية والطاقة الحركية، و(P) يزن كيفية توليد الكهرباء.
فيزياء Edexcel International GCSE 4PH1، القسم 4 (العبارات 4.1–4.19P). الوحدات: جول (J)، واط (W)، نيوتن (N)، و(P) J/kg °C.
انتقالات الطاقة
ثمانية مخازن: كيميائية، حركية، جاذبية، مرنة، حرارية، مغناطيسية، كهربائية ساكنة، نووية. أربعة مسارات انتقال: ميكانيكيًا، كهربائيًا، بالتسخين، بالإشعاع (الضوء والصوت). الطاقة محفوظة — المجموع لا يتغير؛ الأجهزة تحوّل فقط جزءًا منها من المخزن المطلوب إلى مخازن غير مرغوبة.
تحقق محلول. المصباح أعلاه: الكفاءة $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
انتقال الطاقة الحرارية
تنقل الحرارة بثلاث طرق، لكل منها آليتها الخاصة ومقاومة مختلفة.
التوصيل: اهتزازات الجزيئات تنقل الطاقة عبر الجسم الصلب — سريع في المعادن (إلكترونات حرة). الحمل: تسخن المائع، يتمدد، يصبح أقل كثافة ويرتفع؛ يهبط المائع البارد ليحل محله — نسائح البحر، مشعاعات تدفئة الغرف. الإشعاع: تنتشر موجات تحت حمراء عبر الفراغ؛ الأسطح الداكنة والباهتة أفضل انبعاثًا وامتصاصًا؛ الأسطح الفاتحة واللامعة تعكس. تقليل الانتقال غير المرغوب: العزل (الجدران المجوفة، السقف، الزجاج المزدوج يقلل التوصيل والحمل؛ الرقائق اللامعة تعكس الإشعاع).
الشغل، القدرة ومعادلات الطاقة
الشغل المبذول يساوي الطاقة المنقولة. السقوط يحول طاقة الوضع الجاذبية إلى طاقة حركية (باستثناء الشغل ضد الاحتكاك).
تحقق محلول. كتاب كتلته 2 kg رفع ارتفاع 1.5 m عند g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. عند إسقاطه، عند الأرض $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. مصباح قدرته 60 W يعمل لمدة 10 s: $W = 60 \times 10 = 600$ J.
موارد الطاقة وتوليد الكهرباء (P)
كل محطة توليد هي سلسلة انتقال طاقة من مخزن إلى كهرباء؛ الجدول يعدد السبعة المطلوبة في المنهج.
| الطريقة | انتقال الطاقة | المزايا | العيوب |
|---|---|---|---|
| الرياح | حركية → كهربائية | متجددة، لا تكلفة وقود | غير مستقرة، تأثير بصري/ضوضائي |
| الكهرومائية | جاذبية → كهربائية | متجددة، إمداد فوري | غمر الوديان، مواقع قليلة |
| طاقة حرارية أرضية | حراري → كهربائي | متجددة، مستمرة | مواقع مناسبة قليلة |
| تدفئة شمسية | حراري (ماء ساخن) | متجددة، لا تكاليف تشغيل | تعتمد على النهار/السحب |
| خلايا شمسية | ضوء → كهربائي | متجددة، هادئة | باهظة الثمن، مخرجات منخفضة الكثافة |
| الوقود الأحفوري | كيميائي → حراري → كهربائي | موثوقة، مركزة | انبعاثات CO₂، غير متجددة |
| نووي | نووي → حراري → كهربائي | طاقة هائلة لكل كجم، بدون CO₂ | نفايات مشعة، تفكيك |
تحقق من نفسك
- اذكر أربعة مخازن للطاقة وممرين للانتقال.
- يستخدم محرك 500 J وينتج 350 J من الشغل المفيد. احسب الكفاءة.
- اذكر طرق انتقال الحرارة الثلاثة والطريقة التي لا تتطلب وسطاً.
- أي الأسطح تشع الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل؟
- اذكر طريقتين لتقليل فقدان الحرارة غير المرغوب فيه في المنزل.
- احسب الشغل المنجز بواسطة قوة مقدارها 40 N تحرك مسافة 3 m.
- احسب الطاقة الحركية لسيارة كتلتها 800 kg بسرعة 20 m/s.
- ينقل سخان 12 000 J خلال 30 s. احسب قدرته.
- (P) أعطِ ميزة وعيباً واحداً لكل من طاقة الرياح والطاقة النووية.
- (P) أي طريقتي توليد متجددتين تستخرجان الطاقة المخزنة مسبقاً كحرارة في الأرض أو في الماء الساقط؟
الإجابات: 1 كيميائي، حركي، جاذبي، حراري (أيضاً مرن، مغناطيسي، كهربائي ساكن، نووي)؛ ميكانيكياً وكهربائياً (أيضاً تسخين، إشعاع)؛ 2 $350/500 \times 100 = 70\%$؛ 3 نقل حراري، حمل، إشعاع — الإشعاع لا يحتاج وسطاً؛ 4 أسطح داكنة، باهتة (أسود مطفي)؛ 5 عزل السقف/الجدران المزدوجة والزجاج المزدوج (أيضاً رقائق عاكسة، مانعات التسرب)؛ 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J؛ 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J؛ 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W؛ 9 (P) الرياح — متجددة بلا تكلفة وقود، لكنها غير مستقرة ومزعجة بصرياً؛ النووية — طاقة هائلة لكل كيلوغرام بلا انبعاث CO₂، لكن النفايات المشعة يجب تخزينها بأمان لقرون؛ 10 (P) الطاقة الحرارية الأرضية (حرارة الأرض) والطاقة الكهرومائية (مخزن الجاذبية للماء).