ما هو مبدا حفظ الطاقة

من أين تأتي الطاقة التي نستخدمها في حياتنا اليومية؟ الطاقة التي توفر الضوء الذي نقرأ به هذه الكلمات؟ ما هو مفهوم الطاقة؟ ما هي حقيقة أزمة الطاقة التي يتكلم فيها العالم، وما معنى مفهوم أو مبدا حفظ الطاقة بشكلٍ عام؟

إن فهم مفهوم الطاقة هو أحد الأدوات التحليلية التي لا غنى عنها، يبدأ هذا الفهم بمعرفة أن الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل والتي يمكن الحصول عليها من مصادرٍ كثيرةٍ، وبالتالي لها أنواعٌ متعددةٌ، هذه الأنواع قادرةٌ على التحول من نوعٍ إلى آخر وفي سياق هذه التحويلات لا يتم خلق الطاقة أو فناؤها بل يتم الحفاظ عليها.

الطاقة هي الكلمة التي تستخدم كثيرًا في حياتنا اليومية على الرغم من أنه غالبًا ما يتم استخدمها بشكلٍ فضفاضٍ جدًا إلا أن لها معنىً ماديًا محددًا للغاية وهي قدرة شيءٍ ما على القيام بالعمل المطلوب منه.

على الرغم من أننا كثيرًا ما نسمع الناس يتحدثون عن استهلاك الطاقة إلا أن الطاقة لا يتم تدميرها حقًا، بل يتم نقلها فقط من شكلٍ واحدٍ إلى آخر فمثلًا يحتوي فنجان القهوة الساخن على كميةٍ من الطاقة الحرارية التي اكتسبها من خلال العمل الذي قام به فرن الميكروويف، والذي بدوره أخذ الطاقة الكهربائية من الشبكة الكهربائية.

في الحياة العملية عندما يتم العمل لنقل الطاقة من شكلٍ إلى آخر فإنه يوجد هناك دائمًا بعض الخسارة فيها عند التحويل لأشكالٍ أخرى، على سبيل المثال المصباح الكهربائي التقليدي عندما يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوءٍ مرئيٍّ فإنه يعمل بكفاءة 3٪ فقط بالمقابل الإنسان قادرٌ على تحويل الطاقة الكيميائية من الغذاء إلى عملٍ وجهدٍ بكفاءةٍ تصل إلى 25 ٪.

ينص قانون أو مبدا حفظ الطاقة على أنه لا يمكن خلق أو تدمير الطاقة؛ بل يتم تحويلها فقط من شكلٍ من أشكال الطاقة إلى شكلٍ آخر، هذا يعني أن النظام يتمتع دائمًا بنفس كمية الطاقة ما لم يتم إضافة مصدر طاقةٍ من الخارج، هذا الأمر يعد مربكًا بشكلٍ خاص في حالة القوى غير المحافظة حيث يتم تحويل الطاقة من الطاقة الميكانيكية إلى طاقةٍ حراريةٍ لكن الطاقة الكلية تظل كما هي.

إذن كمية الطاقة في أي نظامٍ يتم تحديدها بواسطة المعادلة التالية:

U_T=U_i+W+Q

حيث:

من هذه المعادلة التي تجسّد مبدا حفظ الطاقة رياضيًّا نلاحظ أنه لا يمكن توليد الطاقة من لا شيء بل يجب الحصول على الطاقة من مكانٍ ما، على الرغم من وجود العديد من الأماكن التي يمكن أن توفر الطاقة المطلوبة لكن أغلبها بدأ بالنفاذ.

في أوائل القرن العشرين توصل ألبرت أينشتاين إلى أن الكتلة يمكن أن تكون شكلًا من أشكال الطاقة (وهذا ما يسمى مبدأ تكافؤ طاقة الكتلة) حيث ترتبط كمية الكتلة مباشرةً بكمية الطاقة، وتم تحديد الصيغة الأكثر شهرةً في الفيزياء التي تمثل هذا المبدأ وهي:

E = mc²

حيث:

مجالٌ آخر من مجالات مبدا حفظ الطاقة التطبيقيّة، وينص على أن التغير في الطاقة الداخلية لنظام ما (ΔU) يساوي العمل المنجز من قبل النظام (W) والحرارة التي تتدفق منه أو تخرج منه (Q) ويعبر عنه بالمعادلة التالية:

ΔU=W+Q

هذا يعني أنه إذا كانت الطاقة مدخلةً إلى نظامٍ عن طريق القيام بالعمل على ذلك فستصبح أكثر سخونةً، فإذا كان مطلوب من النظام أن يبقى في نفس درجة الحرارة فيجب إزالة الحرارة من النظام.

يعد هذا القانون مهمًا بشكلٍ خاص عند مناقشة المحركات الحرارية (مثل محرك السيارة) لأنه يساعد على فهم أن الحرارة يجب أن تذهب إلى مكانٍ ما (أساس التوليد المشترك للطاقة)، ونظرًا لأن المحرك يولد الحرارة فإذا لم يتم تهوية الحرارة سيصبح المحرك أكثر سخونة الأمر الذي سيؤدي في النهاية إلى الذوبان، لذا من المستحيل تحقيق كفاءة تحويل بنسبة 100 ٪ بسبب تهوية المحرك، يمكن معالجة ذلك كحرارةٍ مهدورةٍ أو استخدامها في التوليد المشترك للطاقة.