الأهداف
الأهداف
- تطبق قانون حفظ الطاقة على تحولات الطاقة.
- توضح كيف تتحول الطاقة من شكل إلى آخر.
- تصف كيف تولد الطاقة في منشآت الطاقة الكهربائية.
الأهمية
يتطلب تشغيل السيارات وتسخين الأفران وعمل المولدات تحول الطاقة من شكل إلى آخر.
مراجعة المفردات
التحول: تغير البنية أو التركيب أو الشكل أو الطبيعة.
المفردات الجديدة
- قانون حفظ الطاقة.
- المولد الكهربائي.
- التوربين.
تحولات الطاقة
تغير أشكال الطاقة
للطاقة أشكال مختلفة، منها الطاقة الكهربائية والحرارية والكيميائية. وتتحول الطاقة باستمرار من شكل إلى آخر. ويمكنك تعرف هذه التحولات عندما تلاحظ التغيرات المختلفة التي تحدث للأجسام في البيئة من حولك.
ومن ذلك حرائق الغابات التي تحدث نتيجة اشتعال النار فيها بسبب الصواعق مثلًا. فما تحولات الطاقة التي تسبب هذه التغيرات؟
تتبع تحولات الطاقة
عندما يصعد شخص بدراجته الهوائية تلًا، كما في الشكل 8، تتحول عضلات رجله الطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية، وتتحول الطاقة الحركية الناتجة في عضلات رجله إلى طاقة حركية في الدراجة الهوائية عندما يدير البدالتين.
وتتحول بعض هذه الطاقة أيضًا إلى طاقة وضع بصعوده إلى أعلى، ويتحول بعضها إلى طاقة حرارية، فيصبح جسمه ساخنًا بسبب انطلاق الطاقة الكيميائية وتسخن الأجزاء المتحركة في الدراجة أيضًا بسبب الاحتكاك.
ويصاحب تحولات الطاقة غالبًا تولد طاقة حرارية، مثلما يحدث عند ممارسة التمارين الرياضية، أو عند تشغيل السيارة وتحريكها، أو عندما تنمو المخلوقات، وحتى عند انفجار النجوم.
الصورة المرتبطة:
`تحولات_الطاقة_ركوب_الدراجة.png`
الشكل 8
يمكن تحولات الطاقة هذا الولد من صعود التل بدراجته.
اذكر: جميع أشكال الطاقة التي تظهر في الصورة.
قانون حفظ الطاقة
ينص قانون حفظ الطاقة Law of Conservation of Energy على أن الطاقة لا تستحدث ولا تفنى إلا بإرادة الله تعالى، ولكن تتحول من شكل إلى آخر.
فعندما يتوقف قائد الدراجة على قمة تل ليستريح، تكون الطاقة كلها التي كانت لديه أصلًا محفوظة، ولكنها قد تحولت إلى أشكال متعددة من الطاقة؛ فبعض الطاقة موجودة في صورة طاقة وضع وهي تفيد منها في أثناء النزول، وبعض الطاقة تحولت إلى طاقة حرارية بسبب الاحتكاك في الدراجة، وبعضها تحول إلى طاقة حرارية في جسم قائد الدراجة وجعله يشعر بالسخونة.
تنتقل الطاقة الحرارية من جسم راكب الدراجة ومن دراجته خلال حركة واستراحته إلى الهواء الجوي المحيط به، ولا يضيع شيء منها.
يعد قانون حفظ الطاقة من أهم القوانين الطبيعية التي قدرها الخالق سبحانه وتعالى في الكون، فحاكم به حركة مكوناته والظواهر التي تحدث فيه، وكلل بها لمخلوقاته العيش، وكلها تحت سلطانه سبحانه. واستمرار ذلك الكون أنعم به ما فيه من تنظيم دقيق معجز، شاهد على عظمة الحق تبارك وتعالى وبديع صنعه.
ماذا قرأت؟
هل يمكن أن تفنى الطاقة؟ ولماذا؟
لا، لا تفنى الطاقة ولا تستحدث، لكنها تتحول من شكل إلى آخر.
تطبيق قانون حفظ الطاقة
سيستخدم قانون حفظ الطاقة في تحديد تحولات الطاقة في نظام صغير. فمثلًا: قذف كرة في الهواء إلى أعلى ثم التقاطها يعد نظامًا بسيطًا.
وعندما تنطلق الكرة من يدك تكون معظم طاقتها حركية. ومع ارتفاعها تقل سرعتها فتتناقص طاقتها الحركية، لكن طاقتها الكلية لا تتغير مع إهمال مقاومة الهواء.
إن النقص في الطاقة الحركية للكرة في أي لحظة يساوي الزيادة في طاقة وضعها في أثناء صعودها. وكذلك عند سقوطها تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية.
إذن الطاقة تنتقل من مكان إلى آخر وتتحول من شكل إلى آخر، لكنها تبقى محفوظة دائمًا.
الصورة المرتبطة:
`تحول_طاقة_الكرة_بين_الحركة_والوضع.png`
الشكل 9
تتحول الطاقة بين طاقة حركية وطاقة وضع خلال ارتفاع الكرة وسقوطها.
قارن: في أي وضع يكون للكرة أكبر طاقة حركية؟ وفي أي وضع يكون لها أكبر طاقة وضع؟
العلوم عبر المواقع الإلكترونية
تحولات الطاقة
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للحصول على معلومات حول تحولات الطاقة التي تحدث خلال العديد من الأنشطة والعمليات.
نشاط
اختر نشاطًا ما وصمم مخططًا يبين كيف تتغير أشكال الطاقة خلاله.
الصورة المرتبطة:
`اثراء_تحولات_الطاقة_QR.png`
تحولات أخرى للطاقة
تحدث تحولات الطاقة دائمًا في كل ما حولك؛ فالكثير من الآلات أدوات لتحويل الطاقة من شكل إلى آخر.
فمحرك السيارة يحول طاقة الوقود الكيميائية إلى طاقة حركية، فضلًا عن أن جزءًا من الطاقة الكيميائية يتحول إلى طاقة حرارية تؤدي إلى تسخين أجزاء المحرك.
وكلما كانت الطاقة الحركية الناتجة عن الطاقة الكيميائية بالنسبة إلى المحرك أكبر كانت كفاءة المحرك أكبر.
وهناك أنواع جديدة من السيارات، كالتي تشاهدها في الشكل 10، تستخدم محركًا حركيًا كهربائيًا مع محرك الجازولين. وهذه السيارات ذات كفاءة أعلى؛ لأن المسافة التي تقطعها وهي تستهلك كمية من الوقود أكبر من تلك التي تقطعها السيارة ذات المحرك العادي بالكمية نفسها.
الصورة المرتبطة:
`السيارة_المهجنة_وتحولات_الطاقة.png`
`نموذج_السيارة_المهجنة_محرك_كهربائي_وجازولين.png`
الشكل 10
تستعمل السيارات المهجنة Hybrid المحرك الكهربائي ومحرك الجازولين، مما زاد من فاعلية تحولات الطاقة.
تجربة: تحليل تحولات الطاقة
الخطوات
- ضع قطعة من الطين على الأرض سمكها 5 سم، مراعيًا أن تجعل سطحها العلوي أملس مستويًا.
- ارفع كرة زجاجية مسافة 1 م فوق الطين، واتركها تسقط، ثم قس المسافة التي غاصتها الكرة في الطين.
- كرر الخطوة 2 السابقة مستخدمًا كرة فولاذية، وكرة بلاستيكية.
التحليل
- قارن بين المسافات التي غاصتها الكرات، لتحديد أيها كانت طاقتها الحركية أكبر عندما سقطت على الطين.
- وضح كيف تحولت طاقة الوضع إلى طاقة حركية خلال السقوط؟
الصورة المرتبطة:
`تجربة_تحليل_تحولات_الطاقة.png`
تحولات الطاقة الكيميائية
تحول العضلات الطاقة الكيميائية في الجسم إلى طاقة حركية كما في الشكل 11. ويحدث ذلك في خلايا العضلات عن طريق التفاعلات الكيميائية التي تحدث تغيرًا في شكل بعض الجزيئات. ويحدث الكثير من هذه التغيرات عندما تنقبض العضلة، فيتحرك جزء من الجسم.
تتحول المواد العضوية في المخلوقات الحية، والتي يطلق عليها الكتلة الحيوية، على طاقة كيميائية. وعندما تموت هذه المخلوقات تتحلل المركبات الكيميائية في الكتل الحيوية.
وتساعد البكتيريا والفطريات والمخلوقات الأخرى على تحويل هذه المركبات إلى مركبات كيميائية أبسط، يمكن للمخلوقات الحية الأخرى الاستفادة منها. وينجم عن هذه التغيرات إطلاق طاقة حرارية.
فعلى سبيل المثال تحتوي كومة من السماد على أجزاء نباتية منها قطع العشب وأوراق الشجر، وعندما تتحلل كومة السماد هذه تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية، فترتفع درجة حرارة الكومة لتصل إلى 60°س.
تحولات الطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية
الصورة المرتبطة:
`تحولات_الطاقة_الكيميائية_الى_طاقة_حركية_العضلات.png`
`انقباض_وانبساط_العضلات_ثنائية_وثلاثية_الرؤوس.png`
`الليف_العصبي_والليف_العضلي.png`
`تركيب_الليف_العضلي_واللييفات_العضلية.png`
`التجديف_وتحول_الطاقة_الكيميائية_الى_حركية.png`
الشكل 11
العضلات الهيكلية تجعل التجديف وقذف الكرة، وكذلك أبسط الأعمال الجسمية ممكنة؛ فعندما تنقبض وتنبسط من خلال تفاعلات تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية على المستوى الخلوي.
تزوّدك تحولات الطاقة التي تحدث في عضلاتك بالطاقة لتتحرك.
تنظم الكثير من العضلات الهيكلية في أزواج يعمل بعضها معاكسًا لبعض؛ فعندما تثني ذراعك تنقبض العضلات الثنائية الرؤوس، بينما تنبسط العضلات الثلاثية الرؤوس. وعندما تمتد ذراعك تنقبض العضلات الثلاثية الرؤوس وتنبسط العضلات الثنائية الرؤوس.
الإشارات القادمة عبر الليف العصبي تعمل على بدء تفاعلات كيميائية في الليف العضلي، وهذه التفاعلات تجعل الجزيئات في الليف العضلي تصل إلى الطاقة لتتحرك، وتسبب حركة الكثير من اللييفات العضلية بعضها مع بعض انقباض العضلة.
تتكون العضلات الهيكلية من الألياف أو حزم الألياف العضلية. كل ليف يتركب من الكثير من اللييفات العضلية.
تحولات الطاقة الكهربائية
نحن نستعمل الطاقة الكهربائية يوميًا في حياتنا، فهي ضرورية لنا؛ فنحن نستعملها في إضاءة منازلنا، وفي غذائنا، أو تشغيل المذياع أو التلفاز.
ويبين الشكل 12 تحولات الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة.
فعند تشغيل المذياع يتحول جزء من الطاقة الكهربائية إلى طاقة صوتية على شكل موجات صوتية. وتحدث بدورها طاقة حركية تنتقل إلى الأذن، وتسبب حركة لطبلة الأذن والسائل في القوقعة. ثم تتحول إلى طاقة كيميائية وطاقة كهربائية في الخلايا العصبية التي ترسل الطاقة إلى الدماغ.
فإنه يذهب إلى الدماغ؛ لأن الدماغ يجمعها ويفسرها باعتبارها أصواتًا، إلا أنها تتحول إلى طاقة حرارية.
الصورة المرتبطة:
`تحولات_الطاقة_الكهربائية_عند_الاستماع_الى_المذياع.png`
الشكل 12
بعض تحولات الطاقة عند الاستماع إلى المذياع:
- الطاقة الكهربائية لإشارة المذياع.
- طاقة حركية في مكبر الصوت.
- طاقة صوتية في الهواء.
- طاقة حركية لطبلة الأذن والسائل.
- طاقة كهربائية وكيميائية في الدماغ والخلايا العصبية.
الربط مع علم الأحياء
ضبط درجة حرارة الجسم
تتكيف معظم المخلوقات الحية لضبط كمية الطاقة الحرارية في أجسامها.
بعض المخلوقات الحية التي تعيش في المناطق الباردة تكسو أجسامها طبقة سميكة من الفرو، وتغطي بعض الطيور الريش.
كما أن بعض المخلوقات الحية التي تعيش في البيئات الصحراوية لها جلد يحافظ على طاقتها الحرارية.
ابحث في بعض تكيفات المخلوقات الحية التي تسيطر خلالها الطاقة الحرارية لأجسامها.
الصورة المرتبطة:
`اثر_ضبط_درجة_حرارة_الجسم.png`
تحولات الطاقة الحرارية
تحول أشكال مختلفة من الطاقة إلى طاقة حرارية.
فالاحتراق يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية، ومع سريان التيار الكهربائي في الأسلاك تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية أيضًا.
وتستعمل الطاقة الحرارية في تدفئة المنازل، والمحافظة على درجة حرارة الجسم. وكذلك تستعمل الطاقة الحرارية في تسخين الماء.
وعندما يسخن الماء إلى درجة الغليان يتحول إلى بخار يمكن أن يستعمل في إنتاج الطاقة الحركية في المحركات البخارية التي تسير القطارات.
وتحرك الطاقة البخارية أجزاء في نظام توليد الطاقة الكهربائية، وعند تسخين سلك فلزي مثلًا إلى درجات حرارة عالية فإنه يتوهج ويصدر طاقة إشعاعية.
كيفية انتقال الطاقة الحرارية
تنتقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر. ففي الشكل 13 تنتقل الطاقة الحرارية من المشروب الساخن إلى الملعقة وإلى الهواء المحيط به؛ لأن الأشياء التي في درجة الحرارة الأعلى تنقل الطاقة إلى الأشياء التي هي في درجة حرارة أقل.
الصورة المرتبطة:
`انتقال_الطاقة_الحرارية_من_مشروب_ساخن.png`
الشكل 13
تنتقل الطاقة الحرارية من المشروب الساخن إلى ما هو أبرد مما يحيط به.
وضح: ماذا يحدث للمشروب الساخن عندما يفقد الطاقة الحرارية؟
توليد الطاقة الكهربائية
نستعمل كمية هائلة من الطاقة الكهربائية يوميًا. وهذه الكمية أكبر كثيرًا من أن يتم تخزينها في البطاريات.
فالطاقة الكهربائية المتاحة للاستعمال في أي مقبس يتم توليدها باستمرار في محطات الطاقة؛ حيث تعمل جميع المحطات بالمبدأ نفسه من خلال المولدات.
المولد الكهربائي Generator: جهاز يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية في وجود مجال مغناطيسي.
الصورة المرتبطة:
`توليد_الطاقة_الكهربائية_المولد_والتوربين.png`
الشكل 14
تستخدم محطات توليد الطاقة المولدات لإنتاج الطاقة الكهربائية، وفي محطات الوقود الأحفوري يحرق الوقود الأحفوري ليعمل على غلي الماء لإنتاج البخار الذي يحرك تورس التوربينات.
مكونات المولد والتوربين كما في الشكل
- يسير البخار أو الماء أو الرياح بسرعة كبيرة من خلال مروح التوربين، مما يؤدي إلى دورانها.
- توصل شفرات مروحة التوربين إلى عمود قابل للدوران، وعند دورانها يدور العمود.
- يوصل العمود القابل للدوران إلى مولد كهربائي.
- المولد الكهربائي البسيط عبارة عن ملف من الأسلاك يدور في مجال مغناطيسي قوي.
- يتدفق التيار الكهربائي من الملف عبر الأسلاك الكهربائية.
التوربين
يتكون المولد الكهربائي البسيط من ملف من الأسلاك يدور داخل مجال مغناطيسي قوي، وينتج عن دورانه تيار كهربائي.
أما التوربين Turbine فهو الذي يتكون من مجموعة من شفرات المراوح، ويستخدم في تحريك ملف المولد لإنتاج طاقة كهربائية.
يستخدم عدد من الوقود أو مصادر الطاقة المختلفة لتشغيل مولد الكهرباء. ففي المنشآت التي تستعمل الوقود الأحفوري من الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي يتم حرق الوقود لجعل الماء يغلي في المراجل، ويتحول إلى بخار يعمل على تحريك شفرات التوربين.
التي بدورها تدير المولد الذي ينتج الطاقة الكهربائية. ثم يبرد البخار ويتحول إلى ماء ثم يعاد إلى الأنابيب في المراجل.
أما في الشكل 15 فيمكن استخدام مصادر طاقة أخرى لتحريك التوربينات، منها:
- الماء الجاري.
- الرياح.
- الطاقة النووية.
ماذا قرأت؟
ما وظيفة المولد الكهربائي؟
يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
الصورة المرتبطة:
`محطة_توليد_الطاقة_وتحولات_الوقود.png`
الشكل 15
محطة توليد الطاقة تحول الطاقة الكيميائية في الوقود إلى طاقة كهربائية.
منشآت الطاقة
في أغلب الدول يتم توليد معظم الطاقة الكهربائية بالمولدات التي تعمل بالوقود الأحفوري، وأهمها الفحم والغاز الطبيعي.
كما تستعمل طاقة الرياح والطاقة المائية والسدود في توليد الطاقة، وتولد الطاقة النووية نسبة أقل.
وفي محطات التوليد التي تستخدم طاقة المياه والرياح تتحول الطاقة الحركية مباشرة إلى طاقة كهربائية دون الحاجة إلى توليد بخار الماء لإدارة التوربينات.
ويوضح الشكل 16 النسب المئوية لأنواع الطاقة المختلفة المستعملة في توليد الكهرباء في دول العالم.
تولد الطاقة الكهربائية في المحطات التي تعمل بحرق النفط أو في محطات الطاقة النووية من خلال سلسلة تحولات الطاقة:
الطاقة الكيميائية للنفط ← الطاقة الحرارية للماء ← الطاقة الحركية للبخار ← الطاقة الحركية للتوربين ← الطاقة الكهربائية الخارجة من المولد
الصورة المرتبطة:
`مخطط_تحولات_الطاقة_في_محطات_الوقود_الأحفوري.png`
`نسب_مصادر_الطاقة_الكهربائية_في_العالم_2018.png`
الشكل 16
مصادر الطاقة الكهربائية في بلدان العالم في عام 2018.
| مصدر الطاقة | النسبة |
| -------------- | -----: |
| الفحم | 38% |
| الغاز الطبيعي | 23% |
| الطاقة المائية | 16% |
| الطاقة النووية | 10% |
| الرياح | 5% |
| الزيت | 3% |
| الشمسية | 2% |
| مصادر أخرى | 2% |
المصدر: IEA, World Energy Outlook, 2019 edition (WEO2019)
مراجعة الدرس 2
الخلاصة
تغير أشكال الطاقة
- الحرارة شكل من أشكال الطاقة ينتج خلال تحولات الطاقة.
- ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تستحدث ولا تفنى إلا بإذن الله، وإنما تتحول من شكل إلى آخر.
- تبقى الطاقة الكلية ثابتة في أثناء أي تحول للطاقة.
- عند قذف جسم إلى أعلى ثم سقوطه تتحول الطاقة بين الطاقة الحركية وطاقة الوضع دون أن تتغير الطاقة الكلية.
توليد الطاقة الكهربائية
- يحول المولد الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
- ينتج احتراق الوقود الأحفوري طاقة حرارية تستخدم في غلي الماء وإنتاج البخار.
- يستخدم البخار في محطات الطاقة التي تعمل على إدارة التوربينات والتي تحرك المولدات الكهربائية.
اختبر نفسك
- صف تغير طاقتي الحركة والوضع لكرة سلة عند رميها نحو السلة.
- وضح ما إذا كان جسمك يكتسب أو يفقد طاقة حرارية إذا كانت درجة حرارته 37°س، ودرجة الحرارة حولك 25°س.
- صف عملية يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية.
- التفكير الناقد: مصباح ضوئي يحول 10% من الطاقة الكهربائية إلى ضوء، ويتحول الباقي إلى طاقة أخرى. كون فرضية حول الشكل الآخر للطاقة الناتجة.
تطبيق الرياضيات
- استخدام النسبة: في الشكل 16، كم مرة تساوي كمية الطاقة الكهربائية الناتجة عن منشآت حرق الفحم ما ينتج عن محطات الطاقة النووية؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.