ما وظيفة البطارية في الدائرة الكهربائية

 

عمل العلماء والفلاسفة منذ عصورٍ على مفاهيم الطّاقة والحركة والكتلة، حتى توصّلوا إلى قانون حفظ الطاقة في نظامٍ معزولٍ، وهو أوّل ما تحدّثت به قوانين الديناميك الحراريّة، وأحد المبادئ الأساسيّة للعالم الماديّ الذي نراه اليوم، فهو ينصّ على أنّ الطّاقة لا تخلق ولا تفنى، بل تتحوّل من شكلٍ لآخر، وبالتّالي فإنّ طاقة النّظام تبقى ثابتة في حال كان معزولًا، حيث تتحوّل الطّاقة من شكلٍ لآخر ولكن تبقى الطّاقة الكليّة للنظام ثابتةً.

يرتبط قانون حفظ الطاقة بالنظام المنعزل أو المفتوح، ومن الأمثلة انطباق مبدأ القانون على النظام الكونيّ، بالنّسبة لنظام مفتوحٍ أو مغلقٍ، يُسمح بتبادل الطّاقة، ويمكننا استخدام مصطلح نقل أو تبادل الطاقة في نظام مغلقٍ أو مفتوح، وبالتالي بمكن صياغة المبدأ كالتّالي:

أنواع الطاقة

للطاقة نوعان، هما:

1. طاقةٌ حركيّة؛ مثل طاقة حركة الأمواج، وحركة الجزيئات، مثالها:
   • الطاقة الكهربائيّة؛ الناتجة عن حركة الإلكترونات.
   • طاقة الأشعّة؛ وهي طاقة كهرومغناطيسيّة تشمل طاقة الأشعّة السينية، والضوء المرئيُّ، وأشعّة جاما، وموجات الراديو.
   • الطاقة الحراريّة؛ هي الطاقة الداخليّة للمواد، وتنتج عن حركة الذرات والجزيئات.
   • طاقة الحركة؛ وهي الطاقة الناتجة عن حركة الأجسام من مكانٍ لآخر.

2. الطاقة الكامنة؛ أو الطاقة المختزنة، أو طاقة الوضع، ومثالها:
   • طاقة الجاذبية.
   • الطاقة الكيميائيّة؛ وهي الطاقة المختزنة في الرّوابط.
   • الطاقة الميكانيكيّة؛ المخزّنة وتُختزَن هذه الطاقة في المواد بتطبيق القوى عليها.
   • الطاقة النوويّة؛ وتنتج عن الجمع أو الفصل بين النوى، مثالها شطر ذرات اليورانيوم.

العلاقة بين قانون حفظ الطاقة والحرارة

تتحد كمية الطاقة الكليَة UT من المعادلة:

UT = Ui + W + Q

حيث:

• Ui: الطاقة الداخلية.

• W: العمل المُنجز.

• Q: الحرارة المضافة أو المزالة.

وهو بيانٌ للقانون الأوّل في الترموديناميك، الذي نص على أنّ التغيّر في الطّاقة الداخليّة للنظام ΔU، يساوي العمل الذي قام به أو دخل إلى النظام، والحرارة التي تضاف له أو تخرج منه:

ΔU = W + Q

إنّ قانون حفظ الطاقة قانونٌ مهمٌّ بالنّسبة للمحركات الحراريّة (محركات السيارات)، فالحرارة الناتجة عن حرق الوقود تنتقل إلى شكلٍ آخر، ففي السيارات تتحول الطاقة الكيميائيّة الكامنة في الوقود إلى حراريّةٍ يتمّ تفريغها بتحويلها إلى ميكانيكية.

لا مثال يمكن أن يجسّد القانون الأول في الديناميك الحرارية كنظام غازٍ محجوزٍ بمكبسٍ قابل للتحريك ضمن وعاءٍ زجاجيّ، إذ تمتلك جزيئات الغاز طاقةً كامنةً تمثّل الطّاقة الداخليّة للنّظام، وعند رفع درجة الحرارة من خلال غمره بماءٍ ساخنٍ أو عبر التسخين المباشر فوق موقدٍ، تتسرّع جزيئات الغاز، وتزداد الطاقة الداخليّة ΔU، وعند خفض درجة الحرارة بوضع الوعاء في ماءّ ثلجيّ، تتباطئ حركة الجزيئات وتتناقص قيمة ΔU.

تمثّل عمل النظام W بحركة المكبس، الذي يقوم عند التحرك للأسفل بضغط جزيئات الغاز، فتتحرك بشكلٍ أسرع، ممّا يزيد من إجماليّ الطاقة الداخليّة فيكون العمل موجبًا، وفي حال تمدد الغاز ودفع المكبس للأعلى تتصادم الجزيئات مع المكبس فتتباطأ حركتها، مما يقلّل من قيمة الطاقة الداخليّة للغاز، والعمل هنا سالب.

أمثلة عمليّة عن قانون حفظ الطاقة

من الأمثلة الحياتية اليومية حول قانون حفظ الطاقة نجد:

• توليد الكهرباء في السدود: يمكن تحويل الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة حركيّة لتدوير عنفات لتوليد الكهرباء.

• لعبة البلياردو: عند ضرب الكرة نحو كرةٍ أخرى، تنتقل الطٍاقة من الأولى إلى الثانيٍة مسببٍة الحركة لها، وتتباطأ حركة الأولى.

• تصادم سيارتين إحداهما متحرّكة والأخرى متوقفة: ممّا ينتج عنه تحرّك المتوقفة نتيجة انتقال الطاقة الحركيّة لها من السيارة المتحّركة.

• في الملاكمة تنتقل الطّاقة من يد الملاكم إلى كيس الملاكمة عند ضربه.

• الألواح الشمسيّة تحوّل الطاقة الضوئيّة إلى كهربائية عبر خلايا ضوئية.

بالإضافة للعديد من الأمثلة في حياتنا اليومية.

نبذة تاريخية عن قانون حفظ الطاقة

أوّل من اكتشف قانون حفظ الطاقة هو العالم غاليلو غاليلي (Galileo Galilei) عام 1636م، من خلال ملاحظاته للنوّاس أو الرقّاص الذي يحوّل الطاقة الكامنة لطاقةٍ حركيّةٍ، ولكن لم تسجّل هذه الملاحظات بصيغةٍ علميّةٍ دقيقةٍ، حتى جاء العالم جوتفريد فيلهلم ليبنتز (Gottfried Wilhelm Leibniz) خلال 1676-1686م، وقام بصياغة علاقةٍ رياضيّة لهذا الشّكل من الطاقة المرتبطة بالطاقة الحركيّة:

الكتل mᵢ لكلٍّ منها سرعتها vᵢ، دون تأثّرها بمؤثّر خارجيّ تمّ الحفاظ عليها، وصفت بالكميّة الحيويّة أو القوّة الحيّة، أكدّت أبحاث أنطوان لافوازييه (Antoine Lavoisier) وبيير سيمون لابلاس (Pierre-Simon Laplace)، بالإضافة لملاحظات بنيامين طومسون (Benjamin Thompson)، نظريّة تحوّل الحركة الميكانيكيّة إلى حرارة، وأكدّوا أنّ الطاقة تحفظ كميًّا، ويمكن التنبؤ بها، مما يسمح بتحويلٍ عالميٍّ ثابت بين الطاقة الحركيّة والحرارة، وبدأت تُعَرف القوّة الحية بالطاقة.

قدّم كارل غاوس (Carl Friedrich Gauss) عام 1837م، أقدم نموذجٍ لمبدأ أو قانون حفظ الطاقة في ورقةٍ نُشرت له، وينص على أنّه: بالإضافة للعناصر الكيميائيّة الأربعة والخمسين المعروفة، هناك عامل فيزيائيٌّ واحد يدعى العمل أو الطاقة، يظهر اعتمادًا على الظّروف كحركةٍ أو كهرباء أو ضوء، وأيّ منها قد يتحول من شكلٍ لآخر.