الطاقة، الشغل والقدرة
| English | العربية |
|---|---|
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | الطاقة الحركية |
| gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ | الطاقة الكامنة الجاذبية |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | حفظ الطاقة |
| Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ | مخطط سانكي |
| work done/wɜːk dʌn/ | الشغل المبذول |
| joule/dʒuːl/ | جول. |
| power/ˈpaʊə/ | قدرة |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | الكفاءة |
| watt/wɒt/ | واط. |
الطاقة لا تختفي أبداً
- عند قمة تلة التزلج الجبلي تكون العربة بطيئة لكنها مرتفعة؛ وعند القاع تكون سريعة لكنها منخفضة.
- الطاقة لم تفقد — بل انتقلت فقط من مستودع إلى آخر.
- هذه هي الفكرة الكبرى لهذه الدرس: الطاقة مخزنة، منتقلة، ومحفوظة دائماً.
مستودعات الطاقة وانتقالاتها
- يمكن تخزين الطاقة كـ: طاقة حركية، وطاقة وضع جاذبية، وكيميائية، ومرونية (إجهاد)، نووية، كهرباء ساكنة، وداخلية (حرارية).
- تنتقل بين المستودعات عن طريق: القوى (الشغل الميكانيكي)، تيارات كهربائية، تسخين، وموجات (مثل الضوء والصوت).
- استخدام الطاقة يعني فعلياً نقلها من مستودع إلى آخر.
توربينات الرياح تنقل الطاقة من الهواء المتحرك إلى الكهرباء
تدفق الطاقة والكفاءة
ينقسم الطاقة المدخلة إلى مخرجات مفيدة وطاقة ضائعة؛ الكفاءة هي الجزء المفيد، والمجموع دائماً محفوظ.
الطاقة، الشغل والقدرة
PE + KE = ثابت
عند سقوط جسم، تتحول طاقة الجهد إلى طاقة حركية — المجموع ثابت.
حدد كل ما يلي الذي يُعد مخزون طاقة.
الحركية والكيميائية والجاذبية هي مخزون طاقة. "صخب" و"سرعة" صفات للأشياء لكنها ليست مخازن طاقة.
الطاقة الحركية وطاقة الوضع
- الطاقة الحركية هي طاقة الجسم المتحرك:
- رفع كتلة بارتفاع $\Delta h$ يغير طقتها الكامنة الجاذبية:
- جسم ساقط يحول طاقة وضع الجاذبية إلى طاقة حركية.
كرة كتلتها $2.0\ \text{kg}$ تتحرك بسرعة $3.0\ \text{m/s}$. ما طاقتها الحركية بـ J؟
$E_k = \tfrac{1}{2}mv^2 = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 3.0^2 = 9.0\ \text{J}$.
حفظ الطاقة
- مبدأ حفظ الطاقة: الطاقة لا تُخلق ولا تُدمر — بل تنتقل فقط بين المستودعات.
- جزء من الطاقة يُهدر دائماً — عادة ما يتشتت كحرارة للوسط المحيط.
- المخطط السانكي يظهر الطاقة الداخلة تنقسم إلى طاقة مفيدة وطاقة مهدرة.
على تلة التزلج الجبلي، تتحول الطاقة المخزنة في الأعلى إلى طاقة حركية في الأسفل
عند إهدار آلة للطاقة، أين تذهب عادة الطاقة المهدرة؟
الطاقة محفوظة — لا تُفنى أبدًا. الطاقة المهدرة تتشتع عادة على شكل حرارة، يصعب استغلالها مجددًا.
الشغل
- الشغل المبذول يساوي الطاقة المنتقلة. عندما تحرك قوة جسماً في اتجاهها:
- وحدة الشغل والطاقة هي الجول (J).
- رفع حمل أثقل، أو نقله لمسافة أكبر، ينجز شغلاً أكثر.
نواس متأرجح يستبدل طاقة وضع الجاذبية بالطاقة الحركية والعكس
قوة مقدارها $50\ \text{N}$ تدفع صندوقًا مسافة $4.0\ \text{m}$ عبر الأرضية. كم مقدار الشغل المبذول بوحدة الجول (J)؟
$W = Fd = 50 \times 4.0 = 200\ \text{J}$.
القدرة والكفاءة
- القدرة هي الشغل المبذول (الطاقة المنتقلة) كل ثانية:
- الوحدة هي الواط (W)؛ $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
- الكفاءة هي مقدار الطاقة الداخلة التي تصبح مفيدة:
- هي دائماً أقل من $100\%$ لأن جزءاً من الطاقة يُهدر دائماً.
مخطط سانكي: عرض الأشرطة يتناسب مع الطاقة، لذا ينقسم الإدخال إلى مخرج مفيد وحرارة مهدرة
محرك يقوم بـ $200\ \text{J}$ من الشغل في زمن $10\ \text{s}$. ما هي قدرته بوحدة الواط (W)؟
$P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{200}{10} = 20\ \text{W}$.
مصباح يستهلك $50\ \text{J}$ من الطاقة الكهربائية وينبعث منه $30\ \text{J}$ من الضوء المفيد. ما هي كفاءته بالمئوية (%)؟
الكفاءة = $= \dfrac{\text{useful}}{\text{total}} \times 100\% = \dfrac{30}{50} \times 100\% = 60\%$ %.
لقد فهمت الأمر
- $E_k = \tfrac{1}{2}mv^2$ · $\Delta E_p = mg\,\Delta h$
- الطاقة محفوظة — الطاقة المهدرة تنتهي عادة كحرارة
- الشغل $W = Fd$ (جول)؛ القدرة $P = \dfrac{W}{t}$ (واط)
- الكفاءة $= \dfrac{\text{useful}}{\text{total}} \times 100\%$، دائماً أقل من $100\%$