تاريخ الطاقة

في تاريخ الفيزياء ، يتناول تاريخ الطاقة التطور التدريجي للطاقة كمفهوم علمي محوري. فُهمت الميكانيكا الكلاسيكية في البداية من خلال دراسة الحركة والقوة على يد مفكرين مثل غاليليو غاليلي وإسحاق نيوتن . وبرزت أهمية مفهوم الطاقة في القرن التاسع عشر مع مبادئ الديناميكا الحرارية ، ولا سيما مبدأ حفظ الطاقة الذي أثبت أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى، بل تتحول من شكل إلى آخر. وفي القرن العشرين، وسّع ألبرت أينشتاين هذا الفهم بمفهوم تكافؤ الكتلة والطاقة من خلال ربط الكتلة بالطاقة، وقدمت ميكانيكا الكم مستويات الطاقة الكمية. واليوم، تُعتبر الطاقة كمية أساسية محفوظة في جميع مجالات الفيزياء، وهي أساس الظواهر الكلاسيكية والكمية على حد سواء.

كلمة الطاقة مشتقة من الكلمة اليونانية "energeia" ( باليونانية : ἐνέργεια ) التي تعني الواقعية، والتي ظهرت لأول مرة في القرن الرابع قبل الميلاد في أعمال أرسطو المختلفة ^{[ 1 ]} عند مناقشة الإمكانية والواقعية بما في ذلك الفيزياء والميتافيزيقا والأخلاق النيقوماخية ^{[ 2 ]} وكتاب النفس .

انبثق المفهوم الحديث للطاقة الحركية من فكرة القوة الحيوية ( vis viva )، التي عرّفها غوتفريد فيلهلم لايبنتز خلال الفترة 1676-1689 بأنها حاصل ضرب كتلة الجسم في مربع سرعته (${\displaystyle mv^{2}}$كان يعتقد أن القوة الحيوية الكلية محفوظة. ولتفسير التباطؤ الناتج عن الاحتكاك، زعم لايبنتز أن الحرارة تتكون من الحركة العشوائية للأجزاء المكونة للمادة - وهو رأي وصفه فرانسيس بيكون في كتابه "الأورغانون الجديد" لتوضيح الاستدلال الاستقرائي ، وشاركه إسحاق نيوتن ، على الرغم من أنه استغرق أكثر من قرن حتى أصبح هذا الرأي مقبولاً على نطاق واسع.

قامت إيميلي دو شاتليه في كتابها " مؤسسات الفيزياء " ("دروس في الفيزياء")، الذي نُشر عام 1740، بدمج فكرة لايبنتز مع الملاحظات العملية لويليم غرافيساند لإظهار أن "كمية الحركة" لجسم متحرك تتناسب مع كتلته ومربع سرعته (وليس السرعة نفسها كما علمها نيوتن - ما أطلق عليه فيما بعد الزخم ).

قام دانيال برنولي بتوسيع مبدأ vis viva إلى مبدأ برنولي للسوائل في كتابه في عمله Hydrodynamica عام 1738.

في محاضراته التي ألقاها أمام الجمعية الملكية عام 1802، كان توماس يونغ أول من استخدم مصطلح الطاقة للإشارة إلى الطاقة الحركية بمعناها الحديث، بدلاً من القوة الحيوية (vis viva ). ^{[ 3 ]} وفي منشور تلك المحاضرات عام 1807، كتب:

يمكن تسمية حاصل ضرب كتلة الجسم في مربع سرعته بطاقته. ^{[ 4 ]}

في أوائل القرن التاسع عشر، حاول جان فيكتور بونسيليه وتلميذه غوستاف غاسبار كوريوليس تقديم وصف كمي للمصطلحات المتعلقة بالطاقة. قدّم كوريوليس مفهوم الشغل عام ١٨٢٩. وفي العمل نفسه، أضاف عامل ١/٢ إلى القوة الحركية (vis viva) لتحقيق التناسق الرياضي عام ١٨٢٩، مُعرّفًا بذلك الطاقة الحركية بمعناها الحديث. وقد عمّم بونسيليه هذا العمل ونشره على نطاق واسع. ^{[ ٥ ]}

لقد دار جدل لسنوات حول ما إذا كانت الطاقة مادة ( السعرات الحرارية ) أم مجرد كمية فيزيائية.

تطلّب تطوير المحركات البخارية في القرن الثامن عشر من المهندسين ابتكار مفاهيم ومعادلات تمكّنهم من وصف الكفاءة الميكانيكية والحرارية لأنظمتهم. وقد أسهم مهندسون مثل سادي كارنو ، وفيزيائيون مثل جيمس بريسكوت جول ، ورياضيون مثل إميل كلابيرون وهيرمان فون هيلمهولتز ، وهواة مثل يوليوس روبرت فون ماير ، في ترسيخ فكرة أن القدرة على أداء مهام معينة، تُسمى الشغل، ترتبط بشكل أو بآخر بكمية الطاقة في النظام. في خمسينيات القرن التاسع عشر، بدأ ويليام طومسون ، أستاذ الفلسفة الطبيعية في غلاسكو، وحليفه في العلوم الهندسية ويليام رانكين، باستبدال المصطلحات الميكانيكية القديمة بمصطلحات مثل الطاقة الفعلية ، والطاقة الحركية ، والطاقة الكامنة . ^{[ 6 ]} وفي عام 1853، صاغ رانكين مصطلح " الطاقة الكامنة ".

قام ويليام طومسون ( اللورد كلفن ) بدمج جميع هذه القوانين في قوانين الديناميكا الحرارية ، مما ساهم في التطور السريع لتفسيرات العمليات الكيميائية باستخدام مفهوم الطاقة من قِبل رودولف كلاوزيوس ، وجوسيا ويلارد جيبس، ووالتر نيرنست . كما أدى ذلك إلى صياغة رياضية لمفهوم الإنتروبيا من قِبل كلاوزيوس، وإلى إدخال قوانين الطاقة الإشعاعية من قِبل جوزيف ستيفان . وقد صاغ رانكين مصطلح طاقة الوضع . ^{[ 6 ]} في عام 1881، صرّح ويليام طومسون أمام جمهور بما يلي: ^{[ 7 ]}

إن اسم الطاقة نفسه ، على الرغم من استخدامه لأول مرة بمعناه الحالي من قبل الدكتور توماس يونغ في بداية هذا القرن تقريبًا، لم يدخل حيز الاستخدام العملي إلا بعد أن تم رفع المذهب الذي يحدده من مجرد صيغة للديناميكا الرياضية إلى المكانة التي يشغلها الآن كمبدأ يسري في جميع الطبيعة ويرشد الباحث في مجال العلوم.

وعلى مدى الثلاثين عامًا التالية أو نحو ذلك، عُرف هذا العلم الناشئ حديثًا بأسماء مختلفة، مثل النظرية الديناميكية للحرارة أو الطاقة ، ولكن بعد عشرينيات القرن العشرين أصبح يُعرف عمومًا باسم الديناميكا الحرارية ، وهو علم تحولات الطاقة.

بحلول أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، سعى الفيزيائيون بشكل متزايد إلى تفسير القصور الذاتي والكتلة بدلالة المجالات الكهرومغناطيسية، مما أدى إلى ظهور مفهوم الكتلة الكهرومغناطيسية ، حيث يُعزى قصور الجسيمات المشحونة إلى طاقتها الكهرومغناطيسية. ^{[ 8 ]} في عام 1900، طرح هنري بوانكاريه فكرة أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يحمل زخمًا، واقترح تناسبًا طرديًا بين الطاقة الكهرومغناطيسية وكتلة مكافئة. وفي عام 1904، وسّع فريدريش هازينورل هذا المفهوم ليشمل إشعاع التجويف، ووجد أن الطاقة تُسهم في "كتلة ظاهرية"، مع وجود بعض التناقضات غير المحلولة، مثل عامل عددي أولي مقداره 4/3. ^{[ 9 ]}

كانت هذه المناهج لا تزال تتعامل مع العلاقة على أنها خاصة بالكهرومغناطيسية، وتعتمد على افتراض وجود أثير مضيء . وقد أزال تحليل ألبرت أينشتاين عام 1905 في النسبية الخاصة هذا القيد، إذ أظهر أنه عندما يُصدر جسم ما طاقة أو يمتصها، تتغير كتلته، مما يُرسي تكافؤًا بين الكتلة والطاقة مستقلًا عن الآليات الكهرومغناطيسية. وقد أدى ذلك إلى المبدأ العام.${\textstyle E=mc^{2}}$[ ^{9 ]​}

في عام 1918، أثبتت إيمي نوثر أن قانون حفظ الطاقة هو نتيجة رياضية مباشرة لتناظر الإزاحة الزمنية . أي أنه وفقًا لنظرية نوثر التي تربط بين التناظرات والكمية المحفوظة ، فإن الطاقة محفوظة لأن قوانين الفيزياء لا تفرق بين لحظات زمنية مختلفة.

خلال محاضرة ألقاها عام 1961 ^{[ 10 ]} لطلاب المرحلة الجامعية الأولى في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، قال ريتشارد فاينمان ، مدرس الفيزياء الشهير والحائز على جائزة نوبل ، هذا عن مفهوم الطاقة:

هناك حقيقة، أو قانون إن شئت، يحكم الظواهر الطبيعية المعروفة حتى الآن. لا يوجد استثناء معروف لهذا القانون - فهو دقيقٌ بقدر ما نعرف. يُسمى هذا القانون قانون حفظ الطاقة ؛ وينص على وجود كمية معينة، نسميها الطاقة، لا تتغير في ظل التغيرات المتعددة التي تمر بها الطبيعة. هذه فكرة مجردة للغاية، لأنها مبدأ رياضي؛ فهي تقول إن هناك كمية عددية لا تتغير عند حدوث شيء ما. إنها ليست وصفًا لآلية، أو أي شيء ملموس؛ إنها مجرد حقيقة غريبة، وهي أننا نستطيع حساب رقم ما، وعندما ننتهي من مراقبة الطبيعة وهي تُجري حركاتها ونعيد حساب الرقم، نجده هو نفسه.

• الجدول الزمني للديناميكا الحرارية
• تاريخ الفيزياء
• تاريخ مبدأ حفظ الطاقة
• تاريخ الديناميكا الحرارية
• كتاب "دليل للمعرفة العلمية للأشياء المألوفة" ، من تأليف إبينزر كوبام بروير، نُشر حوالي عام 1840، ويقدم تفسيرات للظواهر الشائعة.
• النظرية الحرارية

• هيشت، يوجين. " عرض تاريخي نقدي للطاقة الكامنة: هل الطاقة الكامنة حقيقية حقًا؟ " مدرس الفيزياء 41 (نوفمبر 2003): 486-93.
• هيوز، توماس. شبكات القوة. الكهرباء في المجتمع الغربي، 1880-1930 (جونز هوبكنز يو بي، 1983).
• مارتيناس، كاتالين. "الديناميكا الحرارية الأرسطية"، الديناميكا الحرارية: التاريخ والفلسفة: الحقائق والاتجاهات والمناقشات (فيسبريم، المجر 23-28 يوليو 1990)، 285-303.
• ميندوزا، إي. "مخطط لتاريخ الديناميكا الحرارية المبكرة." الفيزياء اليوم 14.2 (1961): 32-42.
• مولر، إنجو. تاريخ الديناميكا الحرارية (برلين: سبرينغر، 2007)
• غراف، روديجر. " تاريخ الطاقة وتاريخ الطاقة "، Docupedia-Zeitgeschichte (أغسطس 2023).

• مجلة تاريخ الطاقة / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE)
• جدول زمني لتاريخ الطاقة للأطفال