ملتقى الفيزيائيين العرب - انتقال الطاقة ..!!!!

وجدت لك هذا المقال

........

*** يمكن للطاقة ان تتحول من نظام الى اخر بثلاث طرق مختلفة في صورة حرارة،أو عمل أو إشعاعات

الحرارة

توضح عملية التسخين بالاشتعال هذه الطريقة للتحول فمثلا في أثناء تسخين الماء فى إناء بواسطة موقد بالغاز يحترق نظام (هواء غاز) في أثناء تحوله ويفقد جزء من طاقته الداخلية، وهنا يوجد تحول في الطاقة في صورة حرارة منقولة إلى الماء و الإناء الذي تزداد طاقته الداخلية. وهو ما يترجم سواء عن طريق ارتفاع الحرارة أو غليان الماء (تغير الحالة) الحرارة الثابتة .
يوجد انتقال للطاقة في صورة حرارة كل مرة يوجود اتصال بين جسمين مختلفين في درجة الحرارة.

هناك مثال في حياتنا اليومية، فاليد الساخنة للملعقة الموضوعة بداخل كوب سائل ساخن : تنتقل الطاقة من السائل الساخن إلى اليد الباردة للملعقة.

وبنفس الطريقة ينقل الردياتير الساخن للمدفئة المركزية طاقته إلى الهواء الأقل سخونة للغرفة في صورة حرارة (اتصال هواء ــ مدفئة) .
ويوجد أيضا انتقال للطاقة في شكل حرارة منبعثة من الغازات الساخنة إلى الهواء المحيط، مثل هذه الغازات المنبعثة من اسطوانة الانفلات (الجكمان) في السيارة (اتصال غاز ساخن هواء محيط ) .

إشعاعات
يمكن أيضا انتقال الطاقة في شكل إشعاع أو طاقة إشعاعية .
وكلنا يعلم إننا نشعر بالحرارة أكثر في الشمس عن الظل ولو تركنا زجاجة مياة باردة تحت الظل في يوم ساخن بالصيف تزداد درجة حرارتها شيئا فشيئ . أي أن طاقتها الداخلية تزداد، ولو تركنا هذه الزجاجة فى الشمس تزداد حرارتها أسرع من لو كنا قد تركناها في الظل. فطاقتها الداخلية تزداد أكثر بكثير .
ففي الشمس يحصل الماء على طاقة أكثر في صورة إشعاعا.وهذا الانتقال للطاقة يجب ان يتم فى وجود الضوء أو موجات كهرومغناطيسية كالموجات المنبعثة من الراديو والتليفزيون وموجات الرادار ، والأشعة تحت الحمراء ، والضوء المرئي ـ والأشعة فوق البنفسجية ، وأشعة اكس و أشعة جاما.
ويمكن أن تنتقل الطاقة بالإشعاع عبر مسافات كبيرة أو في الفراغ وهكذا يتم الحصول على الطاقة المشعة للشمس. إلا أن انتقال الطاقة بالحرارة لا يمكن أن يمتد على مسافات طويلة او فى الفراغ. فكمية الطاقة التي تنتقل من الشمس إلى الأرض في صورة أشعة، كبيرة جدا. القوة المماثلة تعادل ١kw/m٢ . وهنا تتمثل أهمية الشاحن الشمسي الذي بسمح بتسخين المنزل أو بالحصول على مياة ساخنة . ومن هنا تتضح أيضا أهمية الخلايا الشمسية التى تحول الطاقة المشعة مباشرة الى طاقة كهربية .
فى الواقع تفقد جميع النظم طاقتها بالإشعاع بدرجة متفوتة وتبعث جميع الأجسام إشعاعا. وهكذا يفقد الجسم البشرى ٥٠% من طاقته بالأشعة القوة المماثلة تكون بضع العشرات من االوات فى المتر المربع .
وفى حالات كثيرة ، لا تكون الأهمية لكمية الطاقة المنقولة عن طريق الأشعة. فالإشعاع في حد ذاته يسهم في نقل المعلومات كصورة وألوان الأجسام المرئية بالعين المجردة ، والرسائل المبثوثة عن طريق الموجات الراديو والتلفزيون ... الخ .

العمل
من الرافعة الى الحمولة
فمثلا تعمل الرافعة بمساعدة محرك ذو اشتعال ذاتى. تسطيع رفع حمولات ( نتعتبر هذه الحالة البسيطة حيث سرعة الرفع ثابتة ) .
تحليل الموقف بمفهوم القوة:
لكى يتم رفع الحمولة لأعلى يمارس السلك الرافع جهد على هذه الحمولة هذا الجهد يتجه لأعلى.
وفى نفس الواقت تمارس الحمولة جهد على السلك الموجه الى أسفل، وتكون القوة هنا هي وزن الحمولة ( الجاذبية الأرضية ) .
تحليل الحالة بمفهوم الطاقة:
كمية من خليط زيت الغاز مع الهواء تحترق أثناء حركة رفع الحمولة ويكون الخليط قادر على نقل الطاقة لنظام للحمولة الأرضية الذي تزداد طاقته. وهكذا نستطيع القول بان انتقال الطاقة من النظام زيت الغاز – هواء ، محرك للرافعة ، إلى نظام حمولة ارض يتم في صورة عمل (جهد) وهو الجهد الذي يمارسه السلك على الحمولة في أثناء نقلها.

[bimg]http://lamap.bibalex.org/bdd_image/361_3887_terre.GIF[/bimg]

ملحوظة :-
سيكون من الغير منطقي تحديد شكل انتقال الطاقة بملاحظة الاثار التي تنتج عن عملية الانتقال فقط. فآثار عملية الانتقال يمكنه أن يكون واحدا سواء كان الانتقال عن طريق الحرارة أو العمل أو الإشعاع. ويجب أيضا فحص طريقة حدوث هذه الآثار. فممكن مثلا أن يتمثل الأثر الناتج في ارتفاع قوى جدا لحرارة الجلد أي في صورة حروق . فوجود الحروق يمكن أن ينتج عن :-
- تلامس اليد بقطعة معدن ساخنة ( انتقال تحت صورة حرارة )
- عن طريق احتكاك سريع للايدى المضمومة على حبل ( انتقال تحت صورة عمل )
- عن طريق التعرض الشديد لأشعة الشمس المركزة بواسطة عدسة على سبيل المثال ( انتقال تحت صورة أشعة ) .

.....................

المقال الثاني :

من الظواهر على انتقال الطاقة بواسطة الإصطدام:
1/ تمايل الأشجار أثناء العاصفة .
2/ نقل الأخشاب بواسطة الماء الجاري .
3/ تطاير الحصى من تحت عجلات السيارة المسرعة على طريق غير معبد.

ظواهر أخرى لأنتقال الحرارة :

1- تسخين الماء داخل إبريق الشاي.
2- تحريك الطعام بملعقة مصنوعة من الألمونيوم.
3- شي اللحم في قضبان من الحديد.
4- تدفئة الغرفة في فصل الشتاء.
5- الليزر
6- الاشعة السينية

......... المقال الأخير ..........

تقنية جديدة تمكن العلماء من تعقب انتقال الطاقة الجزيئية في التركيب الضوئي

إعداد: محمد شاهين

استطاع علماء أن يتعقبوا تدفّق طاقة الإثارة في كل من الوقت والفضاء في مركّب جزيئي باستعمال تقنية جديدة اطلق عليها spectroscopy إلكتروني ثنائي الأبعاد.
وبينما تحمل هذه التقنية وعدا عظيما لتشكيلة واسعة من التطبيقات، فإن هذا الأسلوب كان يستعمل للحصول على اكتشاف مفاجئ حول عملية التركيب الضوئي.
وقد تطور هذا الأسلوب بواسطة فريق من الباحثين بمختبر لورانس بيركيلي بوزارة الطاقة الأمريكية (مختبر بيركيلي) وجامعة كاليفورنيا في بيركيلي.
وقال جراهام فليمنج، نائب مدير مختبر بيركيلي، وهو رائد مشهور عالميا في دراسات spectroscopic لعملية التركيب الضوئي (أعتقد ان هذا سيثبت أن هناك طريقة ثورية لدراسة تدفّق الطاقة في الأنظمة المعقّدة حيث تتفاعل الجزيئات المتعدّدة بشدّة، فمن خلال استخدام تقنية Spectroscopy الالكترونية الثنائية الأبعاد، نحن نستطيع تخطيط تدفّق طاقة الإثارة في الفضاء بوضوح nanometer المكاني ووضوح جزء من ألف مليون مليون من الثانية الدنيوي).
وفليمنج هو أيضا أستاذ كيمياء في يوسي بيركيلي، والمحقّق الرئيسي لهذا البحث، ومؤلف مشارك في ورقة نشرت في 31 مارسآذار 2005 في مجلة الطبيعة تحت عنوان (spectroscopy ثنائي الأبعاد من الإزدواج الإلكتروني في التركيب الضوئي).
وقد شارك في تأليف الورقة مع فليمنج توبياس بريكسنير، جينز ستينجير، هارشا فاسواني، مينهاينج تشووروبرت بلانكينشيب. يتضمّن spectroscopy الإلكتروني الثنائي الأبعاد بشكل متسلسل لمعان عيّنة بالضوء من ثلاثة مصادر لأشعّة ليزر، يتم ارسالها كنبضات فقط تشكل 50 جزءا من ألف مليون مليون من الثانية (50 millionths billionth ثانية) في الطول، بينما يتم استعمال شعاع رابع كمذبذب موضعيّ للتضخيم ومرحلة تطابق إشارات spectroscopic الناتجة. يشبّه فليمنج هذا الأسلوب بأجهزة مذياع heterodyne المبكّرة الممتازة، التي يتم فيها تحويل إشارة تذبذب عال إلى تردد اقل للقيام بالتضخيم والحصول على استقبال وارسال افضل. وفي حالة D 2 spectroscopy الالكتروني، يستطيع العلماء تعقب انتقال الطاقة بين الجزيئات المزاوجة (مرتبطة) خلال حالاتها الإلكترونية والإهتزازية في أيّ نظام.
وقال فلمينج (يجب ان يكون هذا الأسلوب مفيدا ايضا في الدراسات التي تستهدف تحسين كفاءة الخلايا الشمسية الجزيئية)، وقد وصف وزملاؤه كيف استعملوا بنجاح D 2 spectroscopy إلكتروني لتسجيل المقياس المباشر الأول للازدواج الإلكتروني في عملية التركيب الضوئي التي يطلق عليها
FennaMathews Olson (FMO) وهو بروتين حاصد للضوء ومركّب جزيئي في بكتيريا الكبريت الخضراء التي تمتصّ الفوتونات وتوجّه طاقة الإثارة إلى مركز ردّ الفعل حيث يمكنه أن يتحوّل إلى الطاقة الكيميائية.
وقال فليمنك ان (إف إم أول نظام نموذجي لدراسة نقل الطاقة في عملية photosynthetic لأنه بسيط نسبيا (يتضمن فقط سبعة جزيئات صبغة) وخصائصه الكيميائية جيدة وكما في كلّ أنظمة التركيب الضوئي فإن تحويل الضوء في الطاقة الكيميائية يقوده الإزدواج الإلكتروني بين الجزيئات وقد راقبنا العملية كعملية للوقت والتردد).
وقد توقع فليمنج وزملاؤه إيجاد طاقة الإثارة من الفوتونات المحصودة في جزيئات الصبغة التي انتقلت إلى جزيئات مركز ردّ فعل إف إم أو تدريجيا في سلم الطاقة. وبدلا من ذلك، اكتشفوا ممرات الطاقة المتميّزة، بناء على الترتيبات المكانية للجزيئات..
وقال فليمينج (ان طاقة الإثارة تحرّكت خلال مركّب إف إم أوفي عدد أصغر من الخطوات لكن بزيادات أكبر في الطاقة من تلك المفترضة سابقا، وما نراه الآن بأنّ الطبيعة تستغلّ تأثيرات ميكانيكية كمية من خلال نقل موضوع طاقة الاثارة في جزيئين او اكثر من النظام).
فالتركيب الضوئي يجب أن يقوم بقائمة مختصرة مختارة من إنجازات الطبيعة المذهلة، فخلال عملية التركيب الضوئي، تتمكن النباتات الخضراء من تحويل الطاقة من ضوء الشمس والبدء في تحويلها الى طاقة كيميائية بفاعلية تصل الى 100 بالمائة. فإذا تمكنا من تقليد تقنية الطبيعة وانشاء نسخ اصطناعية عن عملية التركيب الضوئي، يمكننا ايضا ان نقوم باستخدام الشمس كمصدر نظيف وفعال ومستديم للطاقة للتكنولوجيات الخاصة بنا.
وقال فليمنج ان الطبيعة صممت إحدى الانظمة الفعالة لحصاد الضوء حيث تحدث الخطوات بشكل سريع لا تمكن من فقدان الطاقة كحرارة، ولكن انظمة الطاقة الشمسية الحالية لا تتبع نموذج الطبيعة. فتقليد التركيب الضوئي للطبيعة يتطلب فهم افضل لكيفية تحويل الطاقة من جزيئات الصبغة الماصة للضوء الى جزيئات تصنع مراكز رد فعل تحويل الطاقة، وهذا يمنحنا طريقة جديدة للتفكير في تصميم انظمة التركيب الضوئي الصناعية، واننا يجب ان نأخذ في الاعتبار الترتيب المشترك بين المكان والضوء في جزيئات النظام. فإذا تم ترتيب الجزيئات في النظام بشكل صحيح من حيث المساحة والطاقة، يمكننا ان ننقل الطاقة من مكان إلى آخر بشكل اكثر فاعلية. والخطوة القادمة سوف تكون تطبيق هذه التقنية على دراسة الانظمة الجزيئية في مركز التفاعل الخاص بالتركيب الضوئي.