نشغل المصباح والهاتف والسيارة والتلفاز، وكلها تحتاج إلى طاقة. ولكن كيف تنتقل الطاقة من المصدر إلى الجهاز؟ وما الذي يحدث لها في الطريق؟ هذه أسئلة المقطع الأول من ميدان الطاقة في برنامج السنة الثالثة متوسط. وفيه تتعلم ثلاثة أشياء مترابطة: السلسلة الوظيفية (ما العناصر وماذا تفعل)، والسلسلة الطاقوية (كيف تتحول الطاقة من شكل إلى آخر)، والحصيلة الطاقوية (كم دخل وكم خرج). تعرض هذه الصفحة هذه الأمور بالترتيب مع مثال المصباح، وتنتهي بأخطاء شائعة وأسئلة محلولة.
أولًا: السلسلة الوظيفية
السلسلة الوظيفية مخطط يبين عناصر جهاز ما، ودور كل عنصر، وترتيبها. ولكل سلسلة وظيفية:
- مصدر للطاقة (يمدّ الجهاز بالطاقة).
- محوّل أو ناقل (ينقل ويحول).
- مستقبل (يستعمل الطاقة ويؤدي الوظيفة).
مثال: إشعال مصباح مباشرة
نأخذ بطارية ومصباحًا ونصل بينهما بأسلاك. هذه طريقة مباشرة تحتاج إلى عنصرين كهربائيين فقط:
- البطارية: المصدر (تعطي الطاقة).
- المصباح: المستقبل (يستعمل الطاقة ويضيء).
والأسلاك ناقلة، وقد يضاف قاطع للتحكم. وأغلب الأجهزة اليومية لها سلاسل وظيفية مماثلة: مولد ومحول ومستقبل.
ثانيًا: السلسلة الطاقوية
السلسلة الطاقوية مخطط يبين أشكال الطاقة وكيف تتحول من شكل إلى آخر في الجهاز.
أشكال الطاقة
- الطاقة الكيميائية: مخزنة في البطارية والغذاء والوقود.
- الطاقة الكهربائية.
- الطاقة الضوئية.
- الطاقة الحرارية.
- الطاقة الحركية.
- الطاقة الصوتية.
مثال: المصباح
الطاقة الكيميائية في البطارية تتحول إلى طاقة كهربائية في الأسلاك، ثم إلى طاقة ضوئية وطاقة حرارية في المصباح.
أي أن:
- البطارية تحول الطاقة الكيميائية إلى كهربائية.
- المصباح يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوئية (مفيدة) وحرارية (غير مفيدة).
ثالثًا: الحصيلة الطاقوية
الحصيلة الطاقوية مخطط يقارن بين الطاقة الداخلة والطاقة الخارجة من جهاز. وتعتمد على قاعدة أساسية:
الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من العدم، بل تتحول من شكل إلى آخر. (مبدأ انحفاظ الطاقة)
أي أن: مجموع الطاقات الخارجة = الطاقة الداخلة.
التحويل المفيد والتحويل غير المفيد
- الطاقة المفيدة: الشكل الذي نريده من الجهاز. للمصباح: الضوء. للمحرك: الحركة.
- الطاقة غير المفيدة (الضائعة): باقي الطاقة التي لا نريدها، وغالبًا الحرارة. وهي لا تضيع حقيقة بل تتبدد في المحيط.
مثال: مصباح تدخله طاقة كهربائية قدرها 100 J. يعطي طاقة ضوئية قدرها 10 J وطاقة حرارية قدرها 90 J. نلاحظ أن 10 + 90 = 100، فالطاقة محفوظة.
- الطاقة المفيدة:
10 J(الضوء). - الطاقة غير المفيدة:
90 J(الحرارة).
مردود التحويل
يمكن قياس كفاءة الجهاز بنسبة الطاقة المفيدة إلى الطاقة الداخلة:
η = E_u ÷ E_in
حيث E_u الطاقة المفيدة وE_in الطاقة الداخلة.
في المثال: 10 ÷ 100 = 0.1 أي 10%. ولهذا استبدل الناس المصابيح العادية بمصابيح موفرة للطاقة (LED) لأن مردودها أعلى.
كيف أرسم الحصيلة الطاقوية؟
نرسم مستطيلًا في الوسط يمثل الجهاز، ونرسم سهمًا داخلًا يحمل الطاقة الداخلة، ونرسم سهمين خارجين: أحدهما للطاقة المفيدة والآخر للطاقة غير المفيدة. ونكتب على كل سهم شكل الطاقة وقيمتها إن وجدت.
أخطاء شائعة
- القول إن الطاقة الضائعة تفنى. هي تتحول إلى حرارة غير مفيدة.
- الخلط بين السلسلة الوظيفية (عناصر الجهاز) والسلسلة الطاقوية (أشكال الطاقة).
- اعتبار الأسلاك مصدرًا للطاقة.
- القول إن الطاقة المفيدة في المصباح هي الحرارة.
- نسيان أن مجموع الطاقات الخارجة يساوي الداخلة.
- كتابة وحدة الطاقة بالواط بدل الجول.
أسئلة للتدرب
- ما عناصر السلسلة الوظيفية لمصباح يشتغل بالبطارية؟
- حدد أشكال الطاقة في سلسلة: بطارية، مصباح.
- محرك تدخله طاقة كهربائية
200 Jوتخرج منه طاقة حركية150 J. ما الطاقة الضائعة؟ وما المردود؟ - ما المقصود بمبدأ انحفاظ الطاقة؟
الأجوبة النموذجية:
- البطارية (مصدر) والمصباح (مستقبل) وأسلاك.
- كيميائية ثم كهربائية ثم ضوئية وحرارية.
- الضائعة
200 − 150 = 50 J(حرارة)، والمردود150 ÷ 200 = 0.75أي75%. - الطاقة لا تفنى ولا تخلق، بل تتحول من شكل إلى آخر.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ حمياني في فيديو «ملخص شامل للميدان الثاني: الطاقة، للسنة الثالثة متوسط» هذه المراجعة في نحو خمس وعشرين دقيقة للمقطع الأول من ميدان الطاقة، ويشرح فيها السلسلة الوظيفية والطاقوية والحصيلة الطاقوية والتحويل المفيد وغير المفيد، وينطلق من مثال إشعال مصباح بطريقة مباشرة.
وللتدرب على الميدان، اطلع على هذه الملفات في الموقع: