طاقة

طاقة
كرة البلازما ، تستخدم الطاقة الكهربائية لإنشاء البلازما والضوء والحرارة والحركة والصوت الخافت​
الرموز الشائعة	هـ
وحدة النظام الدولي للوحدات	جول
وحدات أخرى	كيلو وات في الساعة ، وحدة حرارية بريطانية ، سعرة حرارية ، إلكترون فولت ، إرج ، قدم-رطل
في وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية	ج = كجم⋅م2⋅ثانية −2
شاسِع ؟	نعم
محفوظ ؟	نعم
البعد	م ل 2 ت −2

الديناميكا الحرارية
محرك كارنو الحراري الكلاسيكي
الفروع كلاسيكي إحصائية كيميائي الديناميكا الحرارية الكمومية التوازن  / عدم التوازن
القوانين صفر أولاً ثانية ثالث
الأنظمة نظام مغلق نظام مفتوح نظام معزول ولاية معادلة الحالة الغاز المثالي الغاز الحقيقي حالة المادة الطور (المادة) التوازن التحكم في مستوى الصوت الآلات الموسيقية العمليات متساوي الضغط متساوي الأضلاع متحاور أدياباتيك إيزنتروبيا إيزنثالبيك شبه ثابت متعدد الخواص التوسعة المجانية قابلية الانعكاس عدم الرجوع قابلية الرجوع إلى الوراء الدورات محركات حرارية مضخات الحرارة الكفاءة الحرارية
خصائص النظام ملحوظة: المتغيرات المترافقة مكتوبة بخط مائل مخططات العقارات خصائص مكثفة وواسعة النطاق وظائف العملية عمل حرارة وظائف الدولة درجة الحرارة  / الإنتروبيا  ( مقدمة ) الضغط  / الحجم الإمكانات الكيميائية  / عدد الجسيمات جودة البخار خصائص مخفضة
خصائص المواد قواعد بيانات العقارات السعة الحرارية النوعية  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ الانضغاطية  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ التمدد الحراري  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
المعادلات نظرية كارنو نظرية كلاوزيوس العلاقة الأساسية قانون الغاز المثالي علاقات ماكسويل العلاقات المتبادلة بين أونسيجر معادلات بريدجمان جدول المعادلات الديناميكية الحرارية
الإمكانات الطاقة الحرة الإنتروبيا الحرة الطاقة الداخلية ${\displaystyle U(S,V)}$ المحتوى الحراري ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ طاقة هلمهولتز الحرة ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ طاقة جيبس ​​الحرة ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
تاريخ ثقافة تاريخ عام إنتروبيا قوانين الغازات آلات الحركة الدائمة فلسفة الانتروبيا والزمن الإنتروبيا والحياة Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories Caloric theory Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

الطاقة (من الكلمة اليونانية القديمة ἐνέργεια ( enérgeia )  'نشاط') هي الخاصية الكمية التي تنتقل إلى جسم أو إلى نظام فيزيائي ، ويمكن التعرف عليها في أداء العمل وفي شكل حرارة وضوء . الطاقة هي كمية محفوظة - ينص قانون حفظ الطاقة على أنه يمكن تحويل الطاقة في شكل، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها؛ يمكن أيضًا تحويل المادة والطاقة إلى بعضهما البعض. وحدة قياس الطاقة في النظام الدولي للوحدات (SI) هي الجول (J).

تشمل أشكال الطاقة الطاقة الحركية لجسم متحرك، والطاقة الكامنة المخزنة بواسطة جسم (على سبيل المثال بسبب موقعه في مجال )، والطاقة المرنة المخزنة في جسم صلب، والطاقة الكيميائية المرتبطة بالتفاعلات الكيميائية ، والطاقة الإشعاعية التي يحملها الإشعاع الكهرومغناطيسي ، والطاقة الداخلية الموجودة داخل نظام ترموديناميكي ، وطاقة السكون المرتبطة بكتلة سكون الجسم .

تستقبل جميع الكائنات الحية الطاقة وتطلقها باستمرار. وتعتمد عمليات مناخ الأرض والنظم البيئية بشكل أساسي على الطاقة المشعة من الشمس . ^[1] توفر صناعة الطاقة الطاقة اللازمة لعمل الحضارة البشرية، والتي تحصل عليها من مصادر الطاقة مثل الوقود الأحفوري ، والوقود النووي ، والطاقة المتجددة ، والطاقة الحرارية الأرضية .

يمكن تقسيم الطاقة الكلية للنظام وتصنيفها إلى طاقة كامنة أو طاقة حركية أو مزيج من الاثنين بطرق مختلفة. يتم تحديد الطاقة الحركية من خلال حركة الجسم - أو الحركة المركبة لمكونات الجسم - بينما تعكس الطاقة الكامنة إمكانية الجسم على الحركة، وتستند عمومًا إلى موضع الجسم داخل مجال أو ما يتم تخزينه داخل المجال نفسه. ^[2]

في حين أن هاتين الفئتين كافيتين لوصف جميع أشكال الطاقة، فمن المناسب غالبًا الإشارة إلى مجموعات معينة من الطاقة الكامنة والحركية كشكل خاص بها. على سبيل المثال، يُشار إلى مجموع الطاقة الحركية والحركية الانتقالية والدورانية داخل نظام ما بالطاقة الميكانيكية ، بينما تشير الطاقة النووية إلى الإمكانات المجمعة داخل نواة ذرية من القوة النووية أو القوة الضعيفة ، من بين أمثلة أخرى. ^[3]

بعض أشكال الطاقة (التي يمكن أن يمتلكها جسم أو نظام كخاصية قابلة للقياس)

نوع الطاقة	وصف
ميكانيكي	مجموع الطاقات الحركية والكامنة الانتقالية والدورانية العيانية
كهربائي	الطاقة الكامنة الناتجة عن المجالات الكهربائية أو المخزنة فيها
مغناطيسي	الطاقة الكامنة الناتجة عن المجالات المغناطيسية أو المخزنة فيها
الجاذبية	الطاقة الكامنة الناتجة عن أو المخزنة في المجالات الجاذبية
كيميائي	الطاقة الكامنة الناتجة عن الروابط الكيميائية
التأين	الطاقة الكامنة التي تربط الإلكترون بذرته أو جزيئه
نووي	الطاقة الكامنة التي تربط النيوكليونات لتكوين النواة الذرية (والتفاعلات النووية)
كروموديناميكي	الطاقة الكامنة التي تربط الكواركات لتكوين الهادرونات
مرن	الطاقة الكامنة الناتجة عن تشوه المادة (أو الحاوية الخاصة بها) والتي تظهر قوة ترميمية أثناء عودتها إلى شكلها الأصلي
الموجة الميكانيكية	الطاقة الحركية والطاقة الكامنة في مادة مرنة بسبب التذبذب المنتشر للمادة
موجة صوتية	الطاقة الحركية والطاقة الكامنة في مادة ما بسبب موجة صوتية تنتشر (نوع معين من الموجات الميكانيكية)
مشع	الطاقة الكامنة المخزنة في حقول الموجات التي تنتشر بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك الضوء
استراحة	الطاقة الكامنة الناتجة عن كتلة سكون الجسم
حراري	الطاقة الحركية للحركة المجهرية للجسيمات، وهي نوع من المعادل غير المنظم للطاقة الميكانيكية

اشتُقت كلمة الطاقة من الكلمة اليونانية القديمة : ἐνέργεια ، والتي تُعرف بالرومانية :  energeia ، وتعني حرفيًا  "النشاط، العملية"، ^[4] والتي ربما ظهرت لأول مرة في أعمال أرسطو في القرن الرابع قبل الميلاد. وعلى النقيض من التعريف الحديث، كانت الطاقة مفهومًا فلسفيًا نوعيًا، واسعًا بما يكفي ليشمل أفكارًا مثل السعادة والمتعة.

في أواخر القرن السابع عشر، اقترح جوتفريد لايبنتز فكرة اللاتينية : vis viva ، أو القوة الحية، والتي تم تعريفها على أنها حاصل ضرب كتلة الجسم في مربع سرعته؛ كان يعتقد أن إجمالي vis viva محفوظ. لتفسير التباطؤ بسبب الاحتكاك، وضع لايبنتز نظرية مفادها أن الطاقة الحرارية تتكون من حركات الأجزاء المكونة للمادة، على الرغم من أنه سيستغرق أكثر من قرن من الزمان حتى يتم قبول هذا بشكل عام. النظير الحديث لهذه الخاصية، الطاقة الحركية ، يختلف عن vis viva بعامل اثنين فقط. في أوائل القرن الثامن عشر، اقترحت إميلي دو شاتليه مفهوم الحفاظ على الطاقة في هامش ترجمتها إلى اللغة الفرنسية لكتاب نيوتن Principia Mathematica ، والذي يمثل أول صياغة لكمية قابلة للقياس محفوظة ومختلفة عن الزخم ، والتي ستسمى لاحقًا "طاقة".

في عام 1807، ربما كان توماس يونج أول من استخدم مصطلح "طاقة" بدلاً من vis viva ، بمعناه الحديث. ^[5] وصف غوستاف غاسبارد كوريوليس " الطاقة الحركية " في عام 1829 بمعناها الحديث، وفي عام 1853، صاغ ويليام رانكين مصطلح " الطاقة الكامنة ". كما تم طرح قانون حفظ الطاقة لأول مرة في أوائل القرن التاسع عشر، وينطبق على أي نظام معزول . وقد نوقش لعدة سنوات ما إذا كانت الحرارة مادة فيزيائية، يطلق عليها اسم السعرات الحرارية ، أو مجرد كمية فيزيائية، مثل الزخم . في عام 1845، اكتشف جيمس بريسكوت جول الرابط بين العمل الميكانيكي وتوليد الحرارة.

أدت هذه التطورات إلى نظرية الحفاظ على الطاقة، والتي صاغها ويليام طومسون ( اللورد كلفن ) بشكل رسمي باعتبارها مجال الديناميكا الحرارية . ساعدت الديناميكا الحرارية في التطور السريع لتفسيرات العمليات الكيميائية بواسطة رودولف كلوزيوس وجوزايا ويلارد جيبس ​​ووالتر نيرنست . كما أدت إلى صياغة رياضية لمفهوم الإنتروبيا بواسطة كلوزيوس وإدخال قوانين الطاقة المشعة بواسطة جوزيف ستيفان . وفقًا لنظرية نويثر ، فإن الحفاظ على الطاقة هو نتيجة لحقيقة أن قوانين الفيزياء لا تتغير بمرور الوقت. ^[6] وبالتالي، منذ عام 1918، فهم المنظرون أن قانون الحفاظ على الطاقة هو النتيجة الرياضية المباشرة للتناظر الترجمي للكمية المترافقة مع الطاقة، أي الزمن.

في النظام الدولي للوحدات (SI)، وحدة الطاقة هي الجول . وهي وحدة مشتقة تساوي الطاقة المبذولة، أو العمل المبذول، في تطبيق قوة مقدارها نيوتن واحد على مسافة متر واحد. ومع ذلك، يمكن أيضًا التعبير عن الطاقة بوحدات أخرى عديدة ليست جزءًا من النظام الدولي للوحدات، مثل الإرج ، والسعرات الحرارية ، ووحدات الحرارة البريطانية ، والكيلووات في الساعة، والكيلو كالوري ، والتي تتطلب عامل تحويل عند التعبير عنها بوحدات النظام الدولي للوحدات.

وحدة النظام الدولي للوحدات للقدرة ، والتي تُعرف بأنها الطاقة لكل وحدة من الزمن، هي الواط ، وهو جول في الثانية. وبالتالي، فإن الجول الواحد يساوي واط في الثانية، و3600 جول يساوي واط في الساعة. وحدة الطاقة في نظام سنتيمتر جرام ثانية هي إرج والوحدة الإمبراطورية والأمريكية المعتادة هي قدم رطل . تُستخدم وحدات طاقة أخرى مثل إلكترون فولت أو سعرة حرارية غذائية أو كيلو كالوري ترموديناميكي (بناءً على تغير درجة حرارة الماء في عملية تسخين) ووحدة حرارية بريطانية في مجالات محددة من العلوم والتجارة.

في عام 1843، اكتشف الفيزيائي الفرنسي جيمس بريسكوت جول ، الذي سميت وحدة القياس باسمه ، أن طاقة الوضع الجاذبية المفقودة بواسطة وزن هابط مرتبط بخيط كانت تساوي الطاقة الداخلية التي يكتسبها الماء من خلال الاحتكاك بالمجداف.

Part of a series on
Classical mechanics
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d\mathbf {p} }{dt}}}$ Second law of motion
History Timeline Textbooks
Branches Applied Celestial Continuum Dynamics Field theory Kinematics Kinetics Statics Statistical mechanics
Fundamentals Acceleration Angular momentum Couple D'Alembert's principle Energy kinetic potential Force Frame of reference Inertial frame of reference Impulse Inertia / Moment of inertia Mass Mechanical power Mechanical work Moment Momentum Space Speed Time Torque Velocity Virtual work
Formulations Newton's laws of motion Analytical mechanics Lagrangian mechanics Hamiltonian mechanics Routhian mechanics Hamilton–Jacobi equation Appell's equation of motion Koopman–von Neumann mechanics
Core topics Damping Displacement Equations of motion Euler's laws of motion Fictitious force Friction Harmonic oscillator Inertial / Non-inertial reference frame Mechanics of planar particle motion Motion (linear) Newton's law of universal gravitation Newton's laws of motion Relative velocity Rigid body dynamics Euler's equations Simple harmonic motion Vibration
Rotation Circular motion Rotating reference frame Centripetal force Centrifugal force reactive Coriolis force Pendulum Tangential speed Rotational frequency Angular acceleration / displacement / frequency / velocity
Scientists Kepler Galileo Huygens Newton Horrocks Halley Maupertuis Daniel Bernoulli Johann Bernoulli Euler d'Alembert Clairaut Lagrange Laplace Poisson Hamilton Jacobi Cauchy Routh Liouville Appell Gibbs Koopman von Neumann
Physics portal  Category
v t e

في الميكانيكا الكلاسيكية، الطاقة هي خاصية مفيدة مفاهيميًا ورياضيًا، لأنها كمية محفوظة . تم تطوير العديد من صيغ الميكانيكا باستخدام الطاقة كمفهوم أساسي.

العمل هو دالة على الطاقة، وهو يساوي القوة مضروبة في المسافة.

${\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }$

هذا يقول أن العمل ( ) يساوي التكامل الخطي للقوة F على طول المسار C ؛ لمزيد من التفاصيل راجع مقال العمل الميكانيكي . العمل وبالتالي الطاقة يعتمدان على الإطار . على سبيل المثال، ضع في اعتبارك كرة تضربها مضرب. في إطار مرجع مركز الكتلة ، لا يبذل المضرب أي عمل على الكرة. ولكن في الإطار المرجعي للشخص الذي يهز المضرب، يتم بذل قدر كبير من العمل على الكرة. ${\displaystyle W}$

يُطلق أحيانًا على الطاقة الكلية للنظام اسم هاميلتونيان ، نسبة إلى ويليام روان هاميلتون . يمكن كتابة معادلات الحركة الكلاسيكية من حيث هاميلتونيان، حتى بالنسبة للأنظمة شديدة التعقيد أو المجردة. هذه المعادلات الكلاسيكية لها نظائر مباشرة في ميكانيكا الكم غير النسبية. ^[7]

هناك مفهوم آخر متعلق بالطاقة يسمى لاجرانجيان ، نسبة إلى جوزيف لويس لاجرانج . هذه الصيغة أساسية مثل صيغة هاملتونيان، ويمكن استخدام كليهما لاستنتاج معادلات الحركة أو اشتقاقها منها. تم اختراعها في سياق الميكانيكا الكلاسيكية ، ولكنها مفيدة بشكل عام في الفيزياء الحديثة. يتم تعريف صيغة لاجرانجيان على أنها الطاقة الحركية مطروحًا منها الطاقة الكامنة. عادةً ما تكون صيغة لاجرانج أكثر ملاءمة رياضيًا من صيغة هاملتونيان للأنظمة غير المحافظة (مثل الأنظمة ذات الاحتكاك).

تنص نظرية نوثر (1918) على أن أي تماثل قابل للتفاضل لفعل نظام فيزيائي له قانون حفظ مماثل. أصبحت نظرية نوثر أداة أساسية للفيزياء النظرية الحديثة وحساب التغيرات. وهي تعميم للصيغ الأساسية لثوابت الحركة في ميكانيكا لاغرانج وهاميلتون (1788 و1833 على التوالي)، ولا تنطبق على الأنظمة التي لا يمكن نمذجتها باستخدام ميكانيكا لاغرانج؛ على سبيل المثال، لا تحتاج الأنظمة المبددة ذات التماثلات المستمرة إلى قانون حفظ مماثل.

في سياق الكيمياء ، الطاقة هي سمة من سمات المادة نتيجة لبنيتها الذرية أو الجزيئية أو المجمعة. ونظرًا لأن التحول الكيميائي مصحوب بتغيير في واحد أو أكثر من هذه الأنواع من البنية، فإنه عادة ما يكون مصحوبًا بانخفاض، وأحيانًا زيادة، في إجمالي طاقة المواد المعنية. قد تنتقل بعض الطاقة بين المحيط والمتفاعلات في شكل حرارة أو ضوء؛ وبالتالي فإن منتجات التفاعل تحتوي أحيانًا على طاقة أكبر ولكنها عادة ما تكون أقل من طاقة المتفاعلات. ويقال إن التفاعل طارد للحرارة أو طارد للحرارة إذا كانت الحالة النهائية أقل على مقياس الطاقة من الحالة الأولية؛ وفي الحالة الأقل شيوعًا للتفاعلات الماصة للحرارة يكون الوضع عكس ذلك.

عادةً ما تكون التفاعلات الكيميائية غير ممكنة ما لم تتغلب المتفاعلات على حاجز طاقة يُعرف باسم طاقة التنشيط . ترتبط  سرعة التفاعل الكيميائي (عند درجة حرارة معينة  T ) بطاقة التنشيط E بعامل تعداد بولتزمان e ^{− E / kT} ؛ أي احتمال أن يكون لدى الجزيء طاقة أكبر من أو تساوي  E عند درجة حرارة معينة  T. يُعرف هذا الاعتماد الأسي لمعدل التفاعل على درجة الحرارة بمعادلة أرينيوس . يمكن توفير طاقة التنشيط اللازمة للتفاعل الكيميائي في شكل طاقة حرارية.

في علم الأحياء ، الطاقة هي سمة من سمات جميع الأنظمة البيولوجية، من المحيط الحيوي إلى أصغر كائن حي. داخل الكائن الحي، تكون مسؤولة عن نمو وتطور خلية بيولوجية أو عضية للكائن الحي. يتم تخزين الطاقة المستخدمة في التنفس في مواد مثل الكربوهيدرات (بما في ذلك السكريات) والدهون والبروتينات المخزنة بواسطة الخلايا . من الناحية البشرية ، يشير المكافئ البشري ( He ) (تحويل الطاقة البشرية) إلى الكمية النسبية للطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي البشري لكمية معينة من إنفاق الطاقة ، باستخدام متوسط ​​إنفاق الطاقة البشرية البالغ 12500 كيلوجول في اليوم ومعدل الأيض الأساسي البالغ 80 وات كمعيار.

على سبيل المثال، إذا كانت أجسامنا تعمل (في المتوسط) بقوة 80 واط، فإن المصباح الكهربائي الذي يعمل بقوة 100 واط يعمل بقوة 1.25 مكافئ بشري (100 ÷ 80) أي 1.25 هليوم. بالنسبة لمهمة صعبة لا تستغرق سوى بضع ثوانٍ، يمكن للشخص أن ينبعث منها آلاف الواط، مرات عديدة من 746 واط في حصان رسمي واحد. بالنسبة للمهام التي تستغرق بضع دقائق، يمكن للإنسان السليم أن يولد ربما 1000 واط. بالنسبة للنشاط الذي يجب أن يستمر لمدة ساعة، ينخفض ​​الناتج إلى حوالي 300؛ بالنسبة للنشاط الذي يستمر طوال اليوم، فإن 150 واط هو الحد الأقصى تقريبًا. ^[8] يساعد المكافئ البشري في فهم تدفقات الطاقة في الأنظمة الفيزيائية والبيولوجية من خلال التعبير عن وحدات الطاقة بمصطلحات بشرية: فهو يوفر "إحساسًا" لاستخدام كمية معينة من الطاقة. ^[9]

كما تلتقط النباتات الطاقة المشعة من ضوء الشمس كطاقة كيميائية كامنة في عملية التمثيل الضوئي ، عندما يتحول ثاني أكسيد الكربون والماء (مركبان منخفضا الطاقة) إلى كربوهيدرات ودهون وبروتينات وأكسجين. وقد يحدث إطلاق الطاقة المخزنة أثناء عملية التمثيل الضوئي على شكل حرارة أو ضوء فجأة بسبب شرارة في حريق غابة، أو قد تصبح متاحة بشكل أبطأ لعملية التمثيل الغذائي للحيوان أو الإنسان عندما يتم تناول الجزيئات العضوية ويتم تحفيز الهدم من خلال عمل الإنزيم .

تعتمد جميع الكائنات الحية على مصدر خارجي للطاقة لتكون قادرة على النمو والتكاثر - الطاقة المشعة من الشمس في حالة النباتات الخضراء والطاقة الكيميائية (في شكل ما) في حالة الحيوانات. يتم تناول 1500-2000  سعر حراري يوميًا (6-8 ميجا جول) الموصى بها للإنسان البالغ كجزيئات طعام، معظمها من الكربوهيدرات والدهون، ومن الأمثلة المناسبة على ذلك الجلوكوز (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) والستيرين (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ). تتأكسد جزيئات الطعام إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في الميتوكوندريا ويتم استخدام بعض الطاقة لتحويل ADP إلى ATP : $${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$$ $${\displaystyle {\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$$

يتم تحويل بقية الطاقة الكيميائية للكربوهيدرات أو الدهون إلى حرارة: يتم استخدام ATP كنوع من "عملة الطاقة"، ويتم استخدام بعض الطاقة الكيميائية التي يحتويها في عمليات التمثيل الغذائي الأخرى عندما يتفاعل ATP مع مجموعات OH وينقسم في النهاية إلى ADP والفوسفات (في كل مرحلة من مراحل المسار الأيضي ، يتم تحويل بعض الطاقة الكيميائية إلى حرارة). يتم استخدام جزء صغير فقط من الطاقة الكيميائية الأصلية للعمل : ^{[ملاحظة 1]}

الزيادة في الطاقة الحركية للعداء أثناء سباق 100 متر: 4 كيلوجول

زيادة في طاقة الوضع الجاذبية لوزن 150 كجم مرفوع لمسافة 2 متر: 3 كيلوجول

المدخول الغذائي اليومي للشخص البالغ العادي: 6-8 ميجا جول

يبدو أن الكائنات الحية غير فعّالة بشكل ملحوظ (بالمعنى الفيزيائي) في استخدامها للطاقة التي تتلقاها (طاقة كيميائية أو إشعاعية)؛ حيث تدير معظم الآلات كفاءات أعلى. في الكائنات الحية النامية، تخدم الطاقة التي يتم تحويلها إلى حرارة غرضًا حيويًا، حيث تسمح لأنسجة الكائن الحي بأن تكون منظمة للغاية فيما يتعلق بالجزيئات التي بنيت منها. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الطاقة (والمادة) تميل إلى الانتشار بشكل أكثر توازناً عبر الكون: لتركيز الطاقة (أو المادة) في مكان محدد واحد، من الضروري نشر كمية أكبر من الطاقة (كحرارة) عبر بقية الكون ("المحيط"). ^{[ملاحظة 2]} يمكن للكائنات الحية الأكثر بساطة تحقيق كفاءات طاقة أعلى من الكائنات الأكثر تعقيدًا، لكن الكائنات الحية المعقدة يمكن أن تشغل منافذ بيئية غير متاحة لإخوانها الأبسط. إن تحويل جزء من الطاقة الكيميائية إلى حرارة في كل خطوة في المسار الأيضي هو السبب المادي وراء هرم الكتلة الحيوية الملحوظ في علم البيئة . على سبيل المثال، إذا أخذنا الخطوة الأولى فقط في سلسلة الغذاء : فمن بين 124.7 بيكو جرام/سنة من الكربون المقدر تثبيته عن طريق التمثيل الضوئي ، يتم استخدام 64.3 بيكو جرام/سنة (52%) في عملية التمثيل الغذائي للنباتات الخضراء، ^[10] أي إعادة تحويلها إلى ثاني أكسيد الكربون والحرارة.

في الجيولوجيا ، الانجراف القاري ، والسلاسل الجبلية ، والبراكين ، والزلازل هي ظواهر يمكن تفسيرها من حيث تحولات الطاقة في باطن الأرض، ^[11] في حين أن الظواهر الجوية مثل الرياح والأمطار والبرد والثلوج والبرق والأعاصير والعواصف كلها نتيجة لتحولات الطاقة في الغلاف الجوي لدينا الناجمة عن الطاقة الشمسية .

إن ضوء الشمس هو المدخل الرئيسي لميزانية الطاقة على الأرض والتي تشكل استقرار درجة الحرارة والمناخ. وقد يتم تخزين ضوء الشمس كطاقة كامنة جاذبية بعد أن يضرب الأرض، كما يحدث (على سبيل المثال) عندما يتبخر الماء من المحيطات ويترسب على الجبال (حيث يمكن استخدامه بعد إطلاقه في سد كهرومائي لتشغيل التوربينات أو المولدات لإنتاج الكهرباء). كما أن ضوء الشمس يحرك معظم الظواهر الجوية، باستثناء بعض الاستثناءات، مثل تلك التي تولدها الأحداث البركانية على سبيل المثال. ومن الأمثلة على الظواهر الجوية التي تتوسطها الشمس الإعصار، والذي يحدث عندما تتخلى مناطق كبيرة غير مستقرة من المحيط الدافئ، والتي تسخن على مدى أشهر، فجأة عن بعض طاقتها الحرارية لتشغيل بضعة أيام من حركة الهواء العنيفة.

في عملية أبطأ، يطلق التحلل الإشعاعي للذرات في قلب الأرض الحرارة. تعمل هذه الطاقة الحرارية على تحريك الصفائح التكتونية وقد ترفع الجبال، عن طريق نشوء الجبال . يمثل هذا الرفع البطيء نوعًا من تخزين الطاقة الكامنة الجاذبية للطاقة الحرارية، والتي قد تتحول لاحقًا إلى طاقة حركية نشطة أثناء الانهيارات الأرضية، بعد حدث محفز. تطلق الزلازل أيضًا طاقة كامنة مرنة مخزنة في الصخور، وهو مخزن تم إنتاجه في النهاية من نفس مصادر الحرارة المشعة. وبالتالي، وفقًا للفهم الحالي، تطلق الأحداث المألوفة مثل الانهيارات الأرضية والزلازل طاقة تم تخزينها كطاقة كامنة في المجال الجاذبي للأرض أو الإجهاد المرن (طاقة كامنة ميكانيكية) في الصخور. قبل ذلك، كانت تمثل إطلاقًا للطاقة التي تم تخزينها في الذرات الثقيلة منذ انهيار النجوم المستعرة المدمرة منذ فترة طويلة (والتي خلقت هذه الذرات).

في علم الكونيات وعلم الفلك، تُعَد ظواهر النجوم والمستعرات العظمى والنجوم الزائفة وانفجارات أشعة غاما أعلى تحولات الطاقة للمادة في الكون. وتتحرك جميع الظواهر النجمية (بما في ذلك النشاط الشمسي) بأنواع مختلفة من تحولات الطاقة. وتأتي الطاقة في مثل هذه التحولات إما من الانهيار الجاذبي للمادة (عادة الهيدروجين الجزيئي) إلى فئات مختلفة من الأجرام الفلكية (النجوم والثقوب السوداء وما إلى ذلك)، أو من الاندماج النووي (للعناصر الأخف وزناً، وخاصة الهيدروجين).

كما أن الاندماج النووي للهيدروجين في الشمس يطلق مخزونًا آخر من الطاقة الكامنة التي تم إنشاؤها في وقت الانفجار العظيم . في ذلك الوقت، وفقًا للنظرية، تمدد الفضاء وبرد الكون بسرعة كبيرة جدًا بحيث لم يتمكن الهيدروجين من الاندماج تمامًا إلى عناصر أثقل. وهذا يعني أن الهيدروجين يمثل مخزنًا للطاقة الكامنة التي يمكن إطلاقها عن طريق الاندماج. يتم تحفيز عملية الاندماج هذه بواسطة الحرارة والضغط الناتجين عن الانهيار الجاذبي لسحب الهيدروجين عندما تنتج النجوم، ثم يتم تحويل بعض طاقة الاندماج إلى ضوء الشمس.

في ميكانيكا الكم ، تُعرَّف الطاقة من حيث عامل الطاقة (هاملتون) كمشتق زمني لدالة الموجة . معادلة شرودنجر تساوي عامل الطاقة بالطاقة الكاملة لجسيم أو نظام. يمكن اعتبار نتائجها تعريفًا لقياس الطاقة في ميكانيكا الكم. تصف معادلة شرودنجر اعتماد دالة الموجة المتغيرة ببطء (غير النسبية) للأنظمة الكمومية على المكان والزمان. حل هذه المعادلة لنظام مقيد هو منفصل (مجموعة من الحالات المسموح بها، تتميز كل منها بمستوى طاقة ) مما يؤدي إلى مفهوم الكم . في حل معادلة شرودنجر لأي مذبذب (هزاز) وللموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ، ترتبط حالات الطاقة الناتجة بالتردد من خلال علاقة بلانك : (حيث ثابت بلانك والتردد ). في حالة الموجة الكهرومغناطيسية تسمى حالات الطاقة هذه بكم الضوء أو الفوتونات . ${\displaystyle E=h\nu }$${\displaystyle h}$${\displaystyle \nu }$

عند حساب الطاقة الحركية ( العمل المبذول لتسريع جسم ضخم من سرعة صفرية إلى سرعة محدودة) بشكل نسبي - باستخدام تحويلات لورنتز بدلاً من ميكانيكا نيوتن - اكتشف أينشتاين منتجًا ثانويًا غير متوقع لهذه الحسابات وهو مصطلح طاقة لا يتلاشى عند سرعة صفرية. أطلق عليه طاقة السكون : الطاقة التي يجب أن يمتلكها كل جسم ضخم حتى عندما يكون في حالة سكون. كمية الطاقة تتناسب طرديًا مع كتلة الجسم:

$${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2},}$$أين

• م ₀ هي كتلة سكون الجسم،
• ج هي سرعة الضوء في الفراغ،
• ${\displaystyle E_{0}}$هي الطاقة الباقية.

على سبيل المثال، لننظر إلى عملية فناء الإلكترون والبوزيترون ، حيث يتم تحويل طاقة السكون لهذين الجسيمين الفرديين (المكافئة لكتلتهما الساكنة) إلى طاقة إشعاعية للفوتونات الناتجة في هذه العملية. في هذا النظام يتم تدمير المادة والمادة المضادة (الإلكترونات والبوزيترونات) وتحويلهما إلى غير مادة (الفوتونات). ومع ذلك، فإن الكتلة الكلية والطاقة الكلية لا تتغير أثناء هذا التفاعل. ليس لكل من الفوتونات كتلة سكون ولكنها مع ذلك تمتلك طاقة إشعاعية تظهر نفس القصور الذاتي مثل الجسيمين الأصليين. هذه عملية عكسية - تسمى العملية العكسية إنشاء الزوج - حيث يتم إنشاء كتلة السكون للجسيمات من الطاقة الإشعاعية لفوتونين (أو أكثر) من الفوتونات المفنية.

في النسبية العامة، يعمل موتر الإجهاد والطاقة كمصطلح المصدر للحقل الجاذبي، على غرار الطريقة التي تعمل بها الكتلة كمصطلح المصدر في التقريب النيوتوني غير النسبي. ^[12]

الطاقة والكتلة هما مظهران لخاصية فيزيائية أساسية واحدة لنظام ما. هذه الخاصية مسؤولة عن القصور الذاتي وقوة التفاعل التجاذبي للنظام ("مظاهر الكتلة")، وهي مسؤولة أيضًا عن القدرة المحتملة للنظام على أداء العمل أو التسخين ("مظاهر الطاقة")، مع مراعاة القيود التي تفرضها القوانين الفيزيائية الأخرى.

في الفيزياء الكلاسيكية ، الطاقة هي كمية قياسية، المقترنة بالزمن. في النسبية الخاصة، الطاقة هي أيضًا كمية قياسية (على الرغم من أنها ليست كمية قياسية لورنتز ولكنها مكون زمني لمتجه الطاقة-الزخم الرباعي ). ^[12] بعبارة أخرى، الطاقة ثابتة فيما يتعلق بدورات الفضاء ، ولكنها ليست ثابتة فيما يتعلق بدورات الزمكان (= التعزيزات ).

بعض أشكال نقل الطاقة ("الطاقة أثناء النقل") من جسم أو نظام إلى آخر

نوع عملية النقل	وصف
حرارة	كمية متساوية من الطاقة الحرارية تنتقل تلقائيًا نحو جسم ذي درجة حرارة أقل
عمل	كمية متساوية من الطاقة أثناء النقل بسبب الإزاحة في اتجاه القوة المطبقة
نقل المواد	كمية متساوية من الطاقة التي تحملها المادة التي تنتقل من نظام إلى آخر

يمكن تحويل الطاقة بين أشكال مختلفة بكفاءات مختلفة . تسمى العناصر التي تتحول بين هذه الأشكال بالمحولات . تشمل أمثلة المحولات البطارية (من الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الكهربائية )، والسد (من طاقة الوضع الجاذبية إلى الطاقة الحركية للمياه المتحركة (وشفرات التوربين ) وفي النهاية إلى الطاقة الكهربائية من خلال مولد كهربائي )، والمحرك الحراري (من الحرارة إلى العمل).

تشمل أمثلة تحويل الطاقة توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الحرارية عبر توربين بخاري، أو رفع جسم ضد الجاذبية باستخدام الطاقة الكهربائية التي تدفع محرك رافعة. يؤدي الرفع ضد الجاذبية إلى عمل ميكانيكي على الجسم ويخزن طاقة الوضع الجاذبية في الجسم. إذا سقط الجسم على الأرض، فإن الجاذبية تقوم بعمل ميكانيكي على الجسم مما يحول الطاقة الكامنة في المجال الجاذبي إلى طاقة حركية تنطلق كحرارة عند الاصطدام بالأرض. تحول الشمس الطاقة الكامنة النووية إلى أشكال أخرى من الطاقة؛ لا تقل كتلتها الكلية بسبب ذلك في حد ذاته (لأنها لا تزال تحتوي على نفس الطاقة الكلية حتى في أشكال مختلفة) ولكن كتلتها تقل عندما تهرب الطاقة إلى محيطها، إلى حد كبير كطاقة مشعة .

توجد حدود صارمة لمدى كفاءة تحويل الحرارة إلى عمل في عملية دورية، على سبيل المثال في المحرك الحراري، كما هو موضح في نظرية كارنو والقانون الثاني للديناميكا الحرارية . ومع ذلك، يمكن أن تكون بعض تحولات الطاقة فعالة للغاية. غالبًا ما يتم تحديد اتجاه التحولات في الطاقة (أي نوع من الطاقة يتحول إلى أي نوع آخر) من خلال اعتبارات الإنتروبيا (توزيع الطاقة المتساوي بين جميع درجات الحرية المتاحة ). في الممارسة العملية، يُسمح بجميع تحولات الطاقة على نطاق صغير، ولكن لا يُسمح ببعض التحولات الأكبر لأنه من غير المحتمل إحصائيًا أن تنتقل الطاقة أو المادة عشوائيًا إلى أشكال أكثر تركيزًا أو مساحات أصغر.

تتميز تحولات الطاقة في الكون بمرور الوقت بأنواع مختلفة من الطاقة الكامنة، والتي كانت متاحة منذ الانفجار العظيم ، والتي "تنطلق" (تتحول إلى أنواع أكثر نشاطًا من الطاقة مثل الطاقة الحركية أو الإشعاعية) عندما تكون آلية التشغيل متاحة. تشمل الأمثلة المألوفة لمثل هذه العمليات التخليق النووي ، وهي عملية تستخدم في النهاية طاقة الوضع الجاذبية المنبعثة من الانهيار الجاذبي للمستعرات العظمى "لتخزين" الطاقة في إنشاء النظائر الثقيلة (مثل اليورانيوم والثوريوم )، والتحلل النووي ، وهي عملية يتم فيها إطلاق الطاقة التي تم تخزينها في الأصل في هذه العناصر الثقيلة، قبل دمجها في النظام الشمسي والأرض. يتم تشغيل هذه الطاقة وإطلاقها في قنابل الانشطار النووي أو في توليد الطاقة النووية المدنية. وبالمثل، في حالة الانفجار الكيميائي ، تتحول طاقة الوضع الكيميائية إلى طاقة حركية وحرارية في وقت قصير جدًا.

ومثال آخر على ذلك هو البندول . ففي أعلى نقاطه تكون الطاقة الحركية صفرًا وتكون طاقة الوضع الجاذبية في أقصى حد لها. وفي أدنى نقطة تكون الطاقة الحركية في أقصى حد لها وتساوي الانخفاض في طاقة الوضع . وإذا افترضنا (بشكل غير واقعي) عدم وجود احتكاك أو خسائر أخرى، فإن تحويل الطاقة بين هذه العمليات سيكون مثاليًا، وسيستمر البندول في التأرجح إلى الأبد.

تنتقل الطاقة أيضًا من الطاقة الكامنة ( ) إلى الطاقة الحركية ( ) ثم تعود مرة أخرى إلى الطاقة الكامنة باستمرار. ويشار إلى ذلك باسم حفظ الطاقة. في هذا النظام المعزول ، لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها؛ وبالتالي، ستكون الطاقة الأولية والطاقة النهائية متساوية مع بعضها البعض. ويمكن إثبات ذلك من خلال ما يلي: ${\displaystyle E_{p}}$${\displaystyle E_{k}}$

$${\displaystyle E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}}$$

( 4 )

يمكن بعد ذلك تبسيط المعادلة بشكل أكبر حيث (الكتلة مضروبة في تسارع الجاذبية مضروبة في الارتفاع) و (نصف الكتلة مضروبة في مربع السرعة). بعد ذلك يمكن إيجاد إجمالي كمية الطاقة عن طريق إضافة . ${\displaystyle E_{p}=mgh}$${\textstyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}}$

تنتج الطاقة وزنًا عندما تُحتجز في نظام ذي زخم صفري، حيث يمكن وزنها. وهي تعادل الكتلة أيضًا، وهذه الكتلة مرتبطة بها دائمًا. الكتلة تعادل أيضًا كمية معينة من الطاقة، وبالمثل تظهر دائمًا مرتبطة بها، كما هو موضح في تكافؤ الكتلة والطاقة . تقيس الصيغة E  =  mc ²، التي اشتقها ألبرت أينشتاين (1905)، العلاقة بين الكتلة النسبية والطاقة ضمن مفهوم النسبية الخاصة. في أطر نظرية مختلفة، اشتق جيه جيه تومسون (1881)، وهنري بوانكاريه (1900)، وفريدريش هاسنورل (1904) وآخرون صيغًا مماثلة (انظر تكافؤ الكتلة والطاقة#التاريخ لمزيد من المعلومات).

يمكن تحويل جزء من طاقة السكون (المكافئة للكتلة الساكنة) للمادة إلى أشكال أخرى من الطاقة (لا تزال تظهر كتلة)، ولكن لا يمكن تدمير الطاقة ولا الكتلة؛ بل يظل كلاهما ثابتًا أثناء أي عملية. ومع ذلك، نظرًا لأن حجمها كبير للغاية نسبيًا مقارنة بالمقاييس البشرية العادية، فإن تحويل كمية يومية من كتلة السكون (على سبيل المثال، 1 كجم) من طاقة السكون إلى أشكال أخرى من الطاقة (مثل الطاقة الحركية، أو الطاقة الحرارية، أو الطاقة الإشعاعية التي يحملها الضوء والإشعاعات الأخرى) يمكن أن يحرر كميات هائلة من الطاقة (~ جول = 21 ميجا طن من مادة تي إن تي)، كما يمكن رؤيته في المفاعلات النووية والأسلحة النووية. ${\displaystyle c^{2}}$${\displaystyle 9\times 10^{16}}$

وعلى العكس من ذلك، فإن ما يعادل كتلة كمية يومية من الطاقة ضئيل للغاية، ولهذا السبب يصعب قياس فقدان الطاقة (فقدان الكتلة) من معظم الأنظمة على مقياس الوزن، ما لم يكن فقدان الطاقة كبيرًا جدًا. توجد أمثلة على التحولات الكبيرة بين طاقة السكون (للمادة) وأشكال أخرى من الطاقة (على سبيل المثال، الطاقة الحركية إلى جسيمات ذات كتلة سكون) في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات . ومع ذلك، غالبًا ما يكون التحويل الكامل للمادة (مثل الذرات) إلى غير المادة (مثل الفوتونات) محظورًا بموجب قوانين الحفاظ .

تقسم الديناميكا الحرارية تحويل الطاقة إلى نوعين: العمليات القابلة للعكس والعمليات غير القابلة للعكس . العملية غير القابلة للعكس هي العملية التي تتبدد فيها الطاقة (تنتشر) إلى حالات طاقة فارغة متاحة في حجم لا يمكن استعادتها منه إلى أشكال أكثر تركيزًا (حالات كمية أقل)، دون تدهور المزيد من الطاقة. العملية القابلة للعكس هي العملية التي لا يحدث فيها هذا النوع من التبديد. على سبيل المثال، تحويل الطاقة من نوع واحد من المجال المحتمل إلى آخر قابل للعكس، كما هو الحال في نظام البندول الموصوف أعلاه.

في العمليات التي يتم فيها توليد الحرارة، تعمل الحالات الكمومية ذات الطاقة المنخفضة، والتي توجد في صورة إثارات محتملة في المجالات بين الذرات، كمخزن لجزء من الطاقة، والتي لا يمكن استردادها، من أجل تحويلها بكفاءة 100٪ إلى أشكال أخرى من الطاقة. في هذه الحالة، يجب أن تظل الطاقة جزئيًا كطاقة حرارية ولا يمكن استردادها بالكامل كطاقة قابلة للاستخدام، إلا على حساب زيادة في نوع آخر من الزيادة الحرارية في الفوضى في الحالات الكمومية، في الكون (مثل توسع المادة، أو العشوائية في البلورة).

مع تطور الكون مع مرور الوقت، يصبح المزيد والمزيد من طاقته محاصرًا في حالات لا رجعة فيها (أي على شكل حرارة أو أشكال أخرى من الزيادة في الفوضى). وقد أدى هذا إلى فرضية الموت الحراري الديناميكي الحتمي للكون . في هذا الموت الحراري، لا تتغير طاقة الكون، لكن جزء الطاقة المتاح للقيام بعمل من خلال محرك حراري ، أو تحويله إلى أشكال أخرى قابلة للاستخدام من الطاقة (من خلال استخدام المولدات المرفقة بمحركات حرارية)، يستمر في الانخفاض.

إن حقيقة أن الطاقة لا يمكن خلقها ولا تدميرها تسمى قانون حفظ الطاقة . في شكل القانون الأول للديناميكا الحرارية ، ينص هذا على أن طاقة النظام المغلق ثابتة ما لم يتم نقل الطاقة إلى الداخل أو الخارج على شكل عمل أو حرارة ، وأنه لا يتم فقد أي طاقة أثناء النقل. يجب أن يساوي التدفق الإجمالي للطاقة إلى النظام التدفق الإجمالي للطاقة من النظام، بالإضافة إلى التغير في الطاقة الموجودة داخل النظام. كلما قام المرء بقياس (أو حساب) الطاقة الإجمالية لنظام من الجسيمات التي لا تعتمد تفاعلاتها صراحةً على الوقت، وجد أن الطاقة الإجمالية للنظام تظل ثابتة دائمًا. ^[13]

في حين يمكن دائمًا تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل في التمدد الحراري العكسي للغاز المثالي، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن النظام الذي يقوم بعمل يفقد دائمًا بعض الطاقة كحرارة مهدرة في العمليات الدورية ذات الأهمية العملية في المحركات الحرارية . وهذا يخلق حدًا لكمية الطاقة الحرارية التي يمكن أن تقوم بعمل في عملية دورية، وهو حد يسمى الطاقة المتاحة . يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية وغيرها من أشكال الطاقة في الاتجاه الآخر إلى طاقة حرارية دون مثل هذه القيود. ^[14] يمكن حساب إجمالي طاقة النظام عن طريق إضافة جميع أشكال الطاقة في النظام.

قال ريتشارد فاينمان خلال محاضرة ألقاها عام 1961: ^[15]

هناك حقيقة، أو إذا شئت، قانون يحكم كل الظواهر الطبيعية المعروفة حتى الآن. ولا يوجد استثناء معروف لهذا القانون - فهو دقيق بقدر ما نعرف. يسمى هذا القانون قانون الحفاظ على الطاقة . وينص على أن هناك كمية معينة، نسميها الطاقة، لا تتغير في التغيرات المتعددة التي تخضع لها الطبيعة. هذه فكرة مجردة للغاية، لأنها مبدأ رياضي؛ تقول إن هناك كمية عددية لا تتغير عندما يحدث شيء ما. إنه ليس وصفًا لآلية أو أي شيء ملموس؛ إنها مجرد حقيقة غريبة مفادها أنه يمكننا حساب بعض الأرقام وعندما ننتهي من مشاهدة الطبيعة وهي تمر بحيلها ونحسب الرقم مرة أخرى، فإنه هو نفسه.

—  محاضرات فاينمان في الفيزياء

تخضع معظم أنواع الطاقة (باستثناء طاقة الجاذبية) ^[16] لقوانين الحفاظ المحلية الصارمة أيضًا. في هذه الحالة، لا يمكن تبادل الطاقة إلا بين مناطق متجاورة من الفضاء، ويتفق جميع المراقبين على الكثافة الحجمية للطاقة في أي مساحة معينة. هناك أيضًا قانون عالمي للحفاظ على الطاقة، ينص على أن إجمالي طاقة الكون لا يمكن أن تتغير؛ وهذا نتيجة تكميلية للقانون المحلي، ولكن ليس العكس. ^{[14] [15]}

هذا القانون هو مبدأ أساسي في الفيزياء. وكما هو موضح بدقة من خلال نظرية نوثر ، فإن الحفاظ على الطاقة هو نتيجة رياضية للتناظر الانتقالي للزمن، ^[17] وهي خاصية لمعظم الظواهر التي تقع أسفل المقياس الكوني والتي تجعلها مستقلة عن مواقعها على إحداثيات الوقت. بعبارة أخرى، لا يمكن التمييز بين الأمس واليوم والغد جسديًا. وذلك لأن الطاقة هي الكمية المترافقة قانونيًا مع الزمن. يؤدي هذا التشابك الرياضي للطاقة والزمن أيضًا إلى مبدأ عدم اليقين - من المستحيل تحديد الكمية الدقيقة للطاقة خلال أي فترة زمنية محددة (على الرغم من أن هذا مهم عمليًا فقط لفترات زمنية قصيرة جدًا). ​​لا ينبغي الخلط بين مبدأ عدم اليقين والحفاظ على الطاقة - بل إنه يوفر حدودًا رياضية يمكن من خلالها تعريف الطاقة وقياسها من حيث المبدأ.

ترتبط كل قوة من قوى الطبيعة الأساسية بنوع مختلف من الطاقة الكامنة، وتظهر جميع أنواع الطاقة الكامنة (مثل جميع أنواع الطاقة الأخرى) ككتلة للنظام ، كلما كانت موجودة. على سبيل المثال، سيكون الزنبرك المضغوط أكثر كتلة قليلاً مما كان عليه قبل ضغطه. وبالمثل، كلما تم نقل الطاقة بين الأنظمة بواسطة أي آلية، يتم نقل كتلة مرتبطة بها.

في ميكانيكا الكم، يتم التعبير عن الطاقة باستخدام عامل هاملتوني . في أي مقياس زمني، يتم التعبير عن عدم اليقين في الطاقة بواسطة

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}$

وهو ما يشبه في شكله مبدأ عدم اليقين لهايزنبيرج (ولكنه ليس معادلاً له رياضياً حقاً، لأن H و t ليسا متغيرين مترافقين ديناميكياً، لا في الميكانيكا الكلاسيكية ولا في الميكانيكا الكمومية).

في فيزياء الجسيمات ، تسمح هذه التفاوتات بفهم نوعي للجسيمات الافتراضية ، التي تحمل زخمًا . إن تبادل الجسيمات الافتراضية مع الجسيمات الحقيقية مسؤول عن إنشاء جميع القوى الأساسية المعروفة (المعروفة بشكل أكثر دقة باسم التفاعلات الأساسية ). الفوتونات الافتراضية مسؤولة أيضًا عن التفاعل الكهروستاتيكي بين الشحنات الكهربائية (الذي ينتج عنه قانون كولومب )، والتحلل الإشعاعي التلقائي للحالات الذرية والنووية المثارة، وقوة كازيمير ، وقوة فان دير فالس وبعض الظواهر الأخرى التي يمكن ملاحظتها.

يمكن اعتبار نقل الطاقة للحالة الخاصة للأنظمة المغلقة لنقل المادة. يتم قياس جزء الطاقة الذي يتم نقله بواسطة القوى المحافظة على مسافة ما على أنه العمل الذي يقوم به نظام المصدر على نظام الاستقبال. يسمى جزء الطاقة الذي لا يقوم بعمل أثناء النقل بالحرارة . ^{[ملاحظة 3]} يمكن نقل الطاقة بين الأنظمة بعدة طرق. تشمل الأمثلة نقل الطاقة الكهرومغناطيسية عبر الفوتونات، والتصادمات الفيزيائية التي تنقل الطاقة الحركية ، ^{[ملاحظة 4]} والتفاعلات المدية ، ^[18] والنقل التوصيلي للطاقة الحرارية .

الطاقة محفوظة بشكل صارم كما أنها محفوظة محليًا أينما يمكن تعريفها. في الديناميكا الحرارية، بالنسبة للأنظمة المغلقة، يتم وصف عملية نقل الطاقة بالقانون الأول : ^{[ملاحظة 5]}

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q}$

( 1 )

حيث يمثل مقدار الطاقة المنقولة،   ويمثل العمل الذي يتم على النظام أو بواسطة النظام، ويمثل تدفق الحرارة إلى النظام أو خارجه. وكنوع من التبسيط، يمكن أحيانًا تجاهل مصطلح الحرارة، وخاصةً في العمليات السريعة التي تنطوي على الغازات، والتي تعد موصلات رديئة للحرارة، أو عندما تكون الكفاءة الحرارية للنقل عالية. بالنسبة لمثل هذه العمليات الأدياباتية ، ${\displaystyle E}$${\displaystyle W}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle Q}$

${\displaystyle \Delta {}E=W}$

( 2 )

هذه المعادلة المبسطة هي التي تستخدم لتعريف الجول ، على سبيل المثال.

وبعيدًا عن قيود الأنظمة المغلقة، يمكن للأنظمة المفتوحة أن تكتسب أو تفقد الطاقة بالتزامن مع نقل المادة (تتضح هذه العملية من خلال حقن خليط من الهواء والوقود في محرك سيارة، وهو النظام الذي يكتسب الطاقة بذلك، دون إضافة أي عمل أو حرارة). ويمكننا أن نشير إلى هذه الطاقة بـ، ${\displaystyle E_{\text{matter}}}$

${\displaystyle \Delta E=W+Q+E_{\text{matter}}.}$

( 3 )

الطاقة الداخلية هي مجموع كل أشكال الطاقة المجهرية لنظام ما. وهي الطاقة اللازمة لإنشاء النظام. وهي مرتبطة بالطاقة الكامنة، مثل البنية الجزيئية، والبنية البلورية، وغيرها من الجوانب الهندسية، فضلاً عن حركة الجسيمات، في شكل طاقة حركية. تهتم الديناميكا الحرارية بشكل أساسي بالتغيرات في الطاقة الداخلية وليس قيمتها المطلقة، والتي من المستحيل تحديدها بالديناميكا الحرارية وحدها. ^[19]

يؤكد القانون الأول للديناميكا الحرارية أن الطاقة الكلية للنظام ومحيطه (ولكن ليس بالضرورة الطاقة الحرة الديناميكية الحرارية ) محفوظة دائمًا ^[20] وأن تدفق الحرارة هو شكل من أشكال نقل الطاقة. بالنسبة للأنظمة المتجانسة، مع درجة حرارة وضغط محددين جيدًا، فإن النتيجة الشائعة الاستخدام للقانون الأول هي أنه بالنسبة للنظام الذي يخضع فقط لقوى الضغط ونقل الحرارة (على سبيل المثال، أسطوانة مليئة بالغاز) دون تغييرات كيميائية، فإن التغير التفاضلي في الطاقة الداخلية للنظام (مع زيادة في الطاقة يُشار إليها بكمية موجبة) يُعطى على النحو التالي

${\displaystyle \mathrm {d} E=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V\,}$,

حيث أن المصطلح الأول على اليمين هو الحرارة المنقولة إلى النظام، معبرًا عنها من حيث درجة الحرارة T والإنتروبيا S (حيث تزداد الإنتروبيا ويكون تغيرها d S موجبًا عند إضافة الحرارة إلى النظام)، ويتم تحديد المصطلح الأخير على الجانب الأيمن على أنه العمل المنجز على النظام، حيث يكون الضغط P والحجم V ( تنتج الإشارة السلبية لأن ضغط النظام يتطلب بذل عمل عليه وبالتالي يكون تغير الحجم، d V ، سالبًا عند بذل عمل على النظام).

هذه المعادلة محددة للغاية، وتتجاهل جميع القوى الكيميائية والكهربائية والنووية والجاذبية، والتأثيرات مثل الحمل الحراري لأي شكل من أشكال الطاقة بخلاف الحرارة والعمل الكهروضوئي . الصيغة العامة للقانون الأول (أي الحفاظ على الطاقة) صالحة حتى في المواقف التي لا يكون فيها النظام متجانسًا. في هذه الحالات، يتم التعبير عن التغير في الطاقة الداخلية للنظام المغلق في شكل عام من خلال

${\displaystyle \mathrm {d} E=\delta Q+\delta W}$

أين هي الحرارة المزودة للنظام و هو العمل المبذول على النظام. ${\displaystyle \delta Q}$${\displaystyle \delta W}$

طاقة المذبذب التوافقي الميكانيكي (كتلة على زنبرك) هي طاقة حركية وطاقة كامنة متناوبة . عند نقطتين في دورة التذبذب تكون حركية بالكامل، وعند نقطتين تكون كامنة بالكامل. على مدار دورة كاملة، أو على مدار العديد من الدورات، يتم تقسيم الطاقة المتوسطة بالتساوي بين الحركية والكامنة. هذا مثال على مبدأ التقسيم المتساوي : يتم تقسيم الطاقة الكلية لنظام به العديد من درجات الحرية بالتساوي بين جميع درجات الحرية المتاحة، في المتوسط.

هذا المبدأ مهم للغاية لفهم سلوك كمية وثيقة الصلة بالطاقة، تسمى الإنتروبيا . الإنتروبيا هي مقياس لتساوي توزيع الطاقة بين أجزاء النظام. عندما يُمنح نظام معزول المزيد من درجات الحرية (أي، مع إعطاء حالات طاقة جديدة متاحة تكون مماثلة للحالات الموجودة)، فإن الطاقة الكلية تنتشر على جميع الدرجات المتاحة بالتساوي دون تمييز بين الدرجات "الجديدة" و"القديمة". هذه النتيجة الرياضية هي جزء من القانون الثاني للديناميكا الحرارية . القانون الثاني للديناميكا الحرارية بسيط فقط للأنظمة القريبة من حالة التوازن الفيزيائية أو الموجودة فيها . بالنسبة للأنظمة غير المتوازنة، لا تزال القوانين التي تحكم سلوك الأنظمة قابلة للنقاش. أحد المبادئ التوجيهية لهذه الأنظمة هو مبدأ إنتاج أقصى قدر من الإنتروبيا . ^{[21] [22]} ينص على أن الأنظمة غير المتوازنة تتصرف بطريقة تزيد من إنتاج الإنتروبيا لديها. ^[23]

• مجلة تاريخ الطاقة / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE)، 2018–

• الفرق بين الحرارة والطاقة الحرارية (تم أرشفته في 2016-08-27 على موقع Wayback Machine ) – BioCab