طاقة كامنة

الطاقة الكامنة

في الفيزياء تعتبر طاقة الوضع potential energy نوع من الطاقة الكامنة. ومفهوم طاقة الوضع متعلق في المقام الأول بارتفاع جسم عن سطح الأرض ، وهي تعتمد على تأثير الجاذبية الأرضية على الجسم . فإذا ألقينا حجرا عموديا في العلاء ، يبدأ الجسم بطاقة حركة وما يلبث أن تهدأ سرعته رويدا رويدا بفعل الجاذبية أو الثقالة وتتحول خلال ارتفاعه طاقة الحركة إلى طاقة وضع . حتى إذا وصل الحجر إلى أقصى ارتفاع له تتحول كل طاقة حركته إلى طاقة وضع . ويبدأ الحجر بفعل طاقة الوضع التحرك ثانيا إلى أسفل حيث تزداد سرعته إلى أن يلتقي بالأرض ، عندئذ تكون طاقة وضعه (في العلاء ) قد تحولت إلى طاقة حركة ثانيا . وباصتدامه بالأرض تتحول طاقة حركته فورا إلى طاقة حرارية. وهذا يحقق قانون انحفاظ الطاقة.

وفي كل نقطة من مسار الحجر أثناء الصعود والهبوط يكون مجموع طاقة حركته وطاقة وضعه ثابتا .أي إذا تزايدت واحدة تنقص الأخرى بنفس القدر .

أي أن:

E = K + U

حيث:

E الطاقة الكلية

K طاقة الحركة

U طاقة الوضع.

وتـُقاس طاقة الوضع مثلما تقاس طاقة الحركة ، بوحدة كيلوجرام .²متر . ⁻²ثانية أو جول.

وبتطبيق المعادلة أعلاه نجد أن الطاقة الكلية للحجر عند نقطة أقصى ارتفاع :

E = صفر + U = U

أي تصبح الطاقة الكلية مساوية لطاقة الوضع .

وبتطبيق المعادلة على حركة الحجر عند عودته إلى الأرض ، تصبح الطاقة الكلية للحجر :

K = E + صفر = K

أي عند عودة الحجر إلى الأرض تصبح الطاقة الكلية للحجر مساوية لطاقة حركته .

وتظهر طاقة حركة الحجر عند اصتدامه بالأرض على هيئة طاقة حرارية . ولكن الاختلاف في درجة الحرارة هنا يكون ضئيلا فلا نشعر به . وكما تبين أعلاه يمكننا التعبير عن طاقة الحركة بوحدة الجول وهي وحدة حرارية .

الحركة الاهتزازية

هناك نوع آخر من طاقة الوضع تظهر في البلورات . في البلورات تترتب الذرات في شكل شبكي ثلاثي الأبعاد حيث تتخد كل ذرة موضعا في البلورة وتكون محاطة بستة ذرات أخرى (في العادة) : ذرتين فوق وتحت ، وذرتين أمام و خلف ، وذرتين على اليمين واليسار . و تقوم الذرة في موضعها هذا بحركة اهتزازية حول وضع الاتزان بفعل الحرارة .و تتحكم طاقة الوضع في الحركة الاهتزازية للذرات حيث تعيد الذرة إلى وضع الاتزان عندما تتعداه إلى أقصى بعد عنه. وتقاس تلك الحركة الاهتزازية في المتوسط ب kT/2 حيث k ثابت بولتزمان و T درجة الحرارة بالكلفن.

طاقة الوضع والمحطات الكهرمائية

تـُستغل طاقة الوضع الهائلة المختزنة في مياه الأنهار خلف السدود على في توليد الطاقة الكهربائية في المحطات الكهرمائية . وفي تلك المحطات تتحول طاقة الوضع للماء أولا إلى طاقة حركة عند سقوط الماء من أعلى فيدير توربينا والذي يدير بدوره مولدا للكهرباء ، وبذلك نحصل على الطاقة الكهربائية التي نستعملها لإنارة المنازل ولتشغيل المصانع .