الطاقة وعمليات التغيّر في الطبيعة

الطاقة وعمليات التغيّر في الطبيعة

يأتي طلاّب المدارس الإعدادية إلى التعلّم وفي جعبتهم معرفة سابقة عن المواضيع التي تتعلّق بمصطلح الطاقة. تعلّم هؤلاء الطلّاب أنّ هناك "أنواعًا" مختلفة من الطاقة وأنّ الطاقة يمكنها "الانتقال" من جسم إلى آخر أو "التغيّر" من نوع إلى آخر. لا شكّ أنّ ذلك أسلوب حديث خاصّ ليس له مثيل في مجالات أخرى تتعلّق بالعلوم الطبيعية. هل بالفعل هناك أنواع مختلفة من الطاقة؟ ماذا نقصد بذلك؟ ما هي العلاقة بين هذه الأنواع؟ ماذا نقصد بالتعبير أنّ الطاقة يمكنها الانتقال من جسم إلى آخر أو من نوع إلى آخر، وكأنّها شبح وليست مصطلحًا علميًا قاطعًا وراسخًا؟

للردّ على هذه الأسئلة، ينبغي الانتباه إلى أنّنا نستخدم مصطلح الطاقة لوصف عمليات تغيّر مختلفة ومتنوّعة تحدث في الطبيعة: جسم يسقط، شمعة تشتعل، لامبة تضيء، ضوء يُمتصّ في لوح التسخين في السخّان الشمسي، كوب شاي ساخن يبرد وغير ذلك. من الواضح أنّ هذه العمليات تختلف عن بعضها البعض اختلافًا كبيرًا وتشارك فيها عوامل ومنظومات مختلفة تمامًا. لماذا إذًا يمكن وصفها بواسطة مصطلح واحد؟ ما هو القاسم المشترك بين جميع العمليات المذكورة؟ في الماضي، حتّى التجربة المشهورة التي أجراها جول[1] ، بالفعل لم يكن يبدو أنّ هناك علاقة بين العمليات المختلفة: في حين أنّ لقسم منها كان قاسم مشترك، بذلك أنّها استطاعت أن تؤدّي إلى ارتفاع درجة حرارة جسم ما (من منّا لم يشعر بالحرارة عند وقوفه بالقرب من نار مشتعلة، أو تحت ضوء الشمس، أو عند ملامسة جسم ساخن؟)، إلاّ أنّ عمليات أخرى، كسقوط جسم من ارتفاع معيّن أو تغيّر سرعة حركة الجسم، اعتُبرت عمليات من نوع مغاير تمامًا. لكنّ اكتشاف جول بأنّ عملية السقوط أيضًا يمكنها أن تسبّب ارتفاع درجة حرارة (الماء) أدّى إلى أن يستنتج العلماء بأنّه يمكن وصف كلّ تلك العمليات التي يمكنها أن تسبّب ارتفاع درجة الحرارة بواسطة مصطلح واحد: "تغيّر الطاقة". مع مرور الوقت برز المصطلح "تغيّر الطاقة" كأنجح المصطلحات ويمكننا بواسطته أيضًا وصف العمليات التي اتّضحت في مرحلة متأخّرة بعد عصر جول كالعمليات النووية وامتصاص الأشعّة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية وغيرها.

قبل أن نواصل الخوض في الموضوع، علينا أن ننتبه إلى أنّ حقيقة كون عملية معيّنة يمكنها أن تؤدّي إلى ارتفاع درجة الحرارة لا توجب أن تكون هذه هي النتيجة الأساسية لهذه العملية (على سبيل المثال، عندما نكوّن سريان شحنات كهربائية عن طريق الشريط المتوهّج في اللامبة، فإنّ اللامبة تسخن بالفعل، لكن بالإضافة إلى ذلك يتكوّن فيها ضوء). المهمّ أن نجد قاسمًا مشتركًا يربط بين العمليات المختلفة التي تحدث في الطبيعة.

نستخدم المصطلح "تغيّر الطاقة" لوصف التغيّر الذي يطرأ على منظومة ما، بصورة نوعية وكمّية، عندما تنتقل من حالة إلى أخرى. من المهمّ التأكيد أنّ تفاصيل العملية ليست هامّة، وإنّما فقط الفرق بين الحالتين المختلفتين. هكذا على سبيل المثال، يستطيع جسم معيّن تغيير ارتفاعه في السقوط المستقيم أو على امتداد سكّة متعرّجة (كما في القطار الجبلي)، لكنّ الذي يحدّد قيمة تغيّر الطاقة المنسوبة لتغيّر الارتفاع هو الفرق بين الحالة النهائية والحالة الابتدائية.

إذا توفّر مصطلح واحد شامل، "تغيّر الطاقة"، فلماذا نلاحظ بلبلة كبيرة بالنسبة لمصطلح الطاقة؟ لماذا نستخدم مصطلحات كثيرة مثل "أنواع" الطاقة، "أشكال" الطاقة، "تحوّلات" الطاقة، "تحويلات" الطاقة، "انتقالات" الطاقة"؟

لنبدأ "بأنواع" أو "أشكال" الطاقة: (لتيسير الحديث، من المعتاد تسمية تغيّرات الطاقة بأسماء مختلفة حسب العملية التي تصفها): 

• التغيّر في الطاقة الحركية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تتغيّر سرعة حركة الجسم؛

• التغيّر في طاقة الارتفاع يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما يتغيّر ارتفاع الجسم؛
• التغيّر في الطاقة الحركية الداخلية للمادّة (في هذه الوحدة نسمّي هذه الطاقة باسم "الطاقة الحرارية") يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تتغيّر درجة حرارة الجسم؛
• التغيّر في الطاقة الضوئية يتطرّق إلى التغير الذي يحدث أثناء امتصاص الضوء أو انطلاقه؛  
• التغيّر في الطاقة الكيميائية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تطرأ تغيّرات في التركيبة الكيميائية للموادّ؛
• التغيّر في الطاقة الكهربائية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تطرأ تغيّرات تتعلّق بالشحنات الكهربائية؛
• التغيّر في الطاقة النووية يتطرّق إلى التغيّر الذي يحدث عندما تتغيّر نوى الذرّات.

رغم الأسماء المختلفة، ليس من الصعب ملاحظة القاسم المشترك بين جميع العمليات: كان بإمكان جول استعمالها جميعًا ليؤدّي إلى ارتفاع درجة حرارة وعائه المائي. من المهمّ التأكيد أنّه ليس جميع العمليات يمكن أن نشعر بها. هكذا على سبيل المثال، عندما نشعل عود ثقاب نرى جيّدًا التغيّرات التي تطرأ عليه، لكنّ التغيّرات التي تحدث في الهواء الذي حوله غير مرئية. عمليًا في عملية الاشتعال يشتعل الثقاب والهواء (الأوكسجين) الذي حوله أيضًا. وعندما يلامس جسم ساخن جسمًا باردًا يمكن فقط ان نلاحظ التغيّر الذي يطرأ على درجة حرارة كلّ واحد من الجسمين، لكن لا يمكن ان نلاحظ عملية التغيّر التي تحدث في مستوى الجسيمات المصنوع منها الجسمان.

لاحظنا أنّ منح الأسماء المختلفة لتغيّر الطاقة في العمليات المختلفة جاء للإشارة إلى طابع تلك العمليات. لكن ما هو مصدر استعمال التعبير "تحويل" الطاقة؟ هنا أيضًا سنتعدّى التمعّن في العمليات التي تحدث حولنا ونلاحظ ظاهرة أكثر إثارة: عمليات التغيّر لا تحدث بمفردها أبدًا! عندما يطرأ تغيّر ما يرافقه دائمًا تغيّر آخر أو عدّة تغيّرات أخرى. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان توجّه التغيّر (أو التغيّرات) هو الازدياد فإنّ توجّه التغيّرات الأخرى يكون عكسيًا. هكذا على سبيل المثال، عندما يسقط الجسم فإنّ ارتفاعه يقلّ وفي نفس الوقت تزداد سرعته؛ عندما تشتعل شمعة فإنّ الشمع المصنوعة منه يتآكل (وكذلك الأوكسجين الحرّ الذي حولها) وفي نفس الوقت تسخن الشمعة والهواء الذي حولها؛ عندما يُمتصّ الضوء في لوح التسخين في السخّان الشمسي فإنّه يختفي وفي نفس الوقت تسخن المياه التي في اللوح؛ في السيّارة التي تبدأ السير بسرعة، فإنّ التركيبة الكيميائية للوقود (والهواء) ودرجة حرارة المحرّك جميعها تتغيّر معًا. يمكن وصف هذه الظاهرة ببساطة بالإشارة إلى حقيقة أنّه عندما تزداد طاقة (أو طاقات) من "نوع" معيّن فإنّ طاقة من نوع آخر تقلّ 5. لكنّ طريقة التعبير التي اعتدنا عليها هي "تحويل": من المعتاد القول إنّ نوع الطاقة الذي قلّ "تحوّل" إلى نوع الطاقة الذي ازداد. من المفهوم أنّ طريقة التعبير هذه يمكنها أن تثير الانطباع بأنّه قد طرأ تغيّر على ماهيّة الطاقة رغم أنّه، كما لاحظنا، لا توجد للطاقة ماهيّات مختلفة.

كيف نقيس التغيّر في الطاقة؟ الطريقة البسيطة والمباشرة هي اختيار جسم معياري (كمّية ماء متّفق عليها مثلاً) والإقرار بأنّ التغيّر بدرجة واحدة في درجة حرارة الجسم يشكّل وحدة قياس التغيّر في الطاقة 6. هكذا مثلاً تمّ تعريف السعر الحراري: سعر حراري واحد هو التغيّر في الطاقة الذي يحدث في غرام واحد من الماء (في ضغط واحد أتموسفيرا) عندما ترتفع درجة حرارته من c°14.5 إلى c°15.5.

قانون حفظ الطاقة: لم نتطرّق حتّى الآن إلى الجوانب الكمّية للتغيّر في الطاقة الذي يصف عمليات تغيّر مختلفة تحدث في الطبيعة. من هنا يُطرح السؤال المثير: هل الزيادة التي تطرأ على الطاقة في العمليات المختلفة من "نوع" معيّن في المنظومة التي ليس لديها تأثير متبادل مع البيئة (منظومة مغلقة) تتعادل بصورة كاملة بواسطة النقصان الذي يطرأ بالمقابل في نوع (أو أنواع) طاقة أخرى؟ من تجارب كثيرة أجريت ينبع أنّه بالفعل هذا ما يحدث: لو أخذنا بالحسبان جميع العمليات التي تحدث وقسنا بصورة كمّية التغيّر في الطاقة المنسوبة لها، نكتشف أنّ "ما يزداد" يتعادل بصورة كاملة مع "ما ينقص". من هنا لو حسبنا مجمل التغيّر في الطاقة في منظومة مغلقة نكتشف أنّه صفر! نقول بلغة العلماء إنّه إذا كان مقدار معيّن لا يتغيّر في عمليات معيّنة هذا يعني أنّه "يُحفَظ".

هل يمكن تعريف الطاقة؟ يُعتبر مصطلح الطاقة مصطلحًا من الصعب تعريفه. الفيزيائي المشهور ريتشارد فاينمان كتب أنّ "الفيزياء في عصرنا لا تتضمّن فهمًا حقيقيًا للماهيّة الحقيقية للطاقة... فهي مصطلح مجرّد لا يوفّر لنا أيّة معلومات عن الآلية أو الأسباب التي تدعو إلى أن تكون المعادلات على النحو التي نعرفها". إذا كان الأمر كذلك، فلماذا إذًا نحاول التعمّق في تدريس مصطلح الطاقة؟ ما الذي يمكن فعله مع ذلك؟ ممّا ذُكر حتّى الآن، يمكن أن نلاحظ أنّ المصطلح الذي يمكن تعريفه  تعريفًا عمليًا هو مصطلح "التغيّر في الطاقة"، لأنّه مقدار يمكن قياسه. بكلمات بسيطة، يمكن تعريف التغيّر في الطاقة على النحو التالي: "التغيّر في الطاقة هو تغيّر يطرأ على منظومة ما ويمكن قياسه بواسطة ارتفاع درجة حرارة (أو انخفاض درجة حرارة) جسم معيّن"7 . وبتعريف أقلّ دقّة: "التغيّر في الطاقة هو القدرة على التأدية إلى ارتفاع درجة الحرارة"8 . هذه التعريفات، كما نلاحظ من الأمثلة التي وردت هنا ومن أمثلة كثيرة أخرى، يصادفها الطلّاب في حياتهم اليومية في عمليات مختلفة تحدث في الطبيعة ويمكنها أن تؤدّي إلى ارتفاع درجة الحرارة.

التوجّه الذي نقترحه للمعلّمين في هذه الوحدة يتمحور حول التغيّرات في الطاقة. يعرض الجدول التالي الفروق المركزية بين التوجّه المقترح هنا والتوجّه المقبول:

التوجّه المقبول	التوجّه في هذه الوحدة
تجنّب التعريف الشامل لمصطلح الطاقة	تعريف مصطلح تغيّر (في كمّية) الطاقة
هناك دلالة لطاقة الجسم	هناك دلالة لتغيّر كمّية الطاقة للمنظومة
تظهر الطاقة في الطبيعة بأنواع مختلفة	هناك عمليات تغيّر مختلفة توصف جميعها بواسطة مصطلح واحد قابل للقياس: التغيّر في كمّية الطاقة. نستعمل مسمّيات أنواع الطاقة لتسهيل الكلام.
طاقة من نوع معيّن تتحوّل إلى نوع آخر	عمليات التغيّر في الطبيعة تحدث دائمًا الواحدة بموازاة الأخرى، ووصفها بمصطلحات الطاقة ليس سببيًا.
لا تبرير واضح لقانون حفظ الطاقة	قانون حفظ الطاقة هو قانون تجريبي: "ما يزداد يساوي ما ينقص".

ب. المهارات

في إطار تعلّم العلوم والتكنولوجيا في المدرسة الإعدادية، نتطرّق إلى إكساب المهارات والتمرّن عليها وتطبيقها. توفّر هذه الوحدة فرصة لإكساب عدّة مهارات والتمرّن عليها. فيما يلي قائمة للمهارات المركزية. ذُكرت بجانب كلّ مهارة عدّة أمثلة لأسئلة تقييمة من مجمّع المهمّات (لاحقًا في هذه الوحدة)، تمّ استعمالها في المهارة المذكورة 9 . يعتمد تمييز المهارات على مستند استراتيجية التفكير لقسم المناهج التعليمية.  http://meyda.education.gov.il/files/Tochniyot_Limudim/Portal/EstrategyotChashiva.pdf

القسم الأوّل من هذه الوحدة (ماهيّة الطاقة وأنواع الطاقة) يستدعي في الأساس تطبيق مهارتَي التصنيف والمقارنة، بحيث يمكن في الدرس الأوّل أيضًا دمج مهارات بحث المشاهدة وطرح الفرضية والاستنتاج، وفي الدرس الرابع (التعرّف على مصطلحات الطاقة) يبدأ بناء مهارة التفسير العلمي.

القسم الثاني من الوحدة (قانون حفظ الطاقة وتحويل الطاقة) يستدعي بناء وتطبيق مهارات عرض المعلومات بعدّة أنواع عروض بيانية والانتقالات بينها (الجدول ومخطّط الجريان ومخطّط الأعمدة والمخطّط الدائري).

الدرس السادس يستدعي بناء وتطبيق مهارة التفسير العلمي لظواهر بمصطلحات الطاقة، اعتمادًا على قانون حفظ الطاقة، بحيث يساعد استعمال العروض البيانية في بناء وترسيخ التفسير.

1.      التصنيف والمقارنة

·         تحديد المعايير (مثلاً الأسئلة (2,4,6)

·         التصنيف والمقارنة حسب معايير (مثلاً الأسئلة (10-23

2.      المهارات البحثية

·         طرح فرضيات (مثلاً السؤال 1)

·         الاستنتاج من نتائج التجربة (في بند التوسّع والتعمّق- مثلاً الأسئلة 44, 48, 49-52)

·         عزل المتغيّرات (في بند التوسّع والتعمّق- مثلاً السؤال 51)

3.      بناء تفسيرات

·         صياغة تفسير كلامي (9.1-9.6)

·         استعمال العرض البياني لتفسير ظواهر بلغة الطاقة (مثلاً الأسئلة 37, 39, 43)

4.      عرض بياني للمعلومات (عروض في قطعة (نص) ، رسم توضيحي تخطيطي، مخطّط جريان، جدول، مخطّط دائري، مخطّط أعمدة)

·         استخلاص معلومات من عروض بيانية مختلفة (مثلاً- مخطّط جريان، الأسئلة 30-32، مخطّط دائري، الأسئلة 33-43)

·         الاستنتاج من معلومات معروضة في عروض بيانية مختلفة (مثلاً الأسئلة 33-36)

·         بناء ذاتي لعرض بياني للمعلومات لحالة معطاة (مثلاً الأسئلة 37-39)

·         المقارنة بين عروض بيانية مختلفة والتطرّق إلى الأفضليات والسلبيات في سياق المهمّة المعطاة (مثلاً الأسئلة 41,40)

·         ربط ومزج معلومات من عروض بيانية مختلفة (مثلاً السؤالان 37, 42)  

دمج مهارات حسب المواضيع الفرعية التي في الوحدة:

أ.   في الموضوع الفرعي "ما هي الطاقة؟" هناك في الأساس دمج لمهارتَي المشاهدة وطرح الفرضية.

ب. في الموضوع الفرعي "أنواع الطاقة" هناك في الأساس دمج لمهارات التصنيف والمقارنة والتفسير العلمي.

ج. في الموضوع الفرعي "قانون حفظ الطاقة وتحوّلات الطاقة" هناك في الأساس دمج لمهارات العرض العلمي والتفسير العلمي اللتين ذكرتا سابقًا، على سبيل المثال:

• التعرّف والتمرّن على عرض تحوّلات الطاقة بواسطة مخطّط الجريان.
• التعرّف والتمرّن على عرض تحوّلات الطاقة بواسطة المخطّط الدائري.
• المقارنة بين العروض البيانية المختلفة والتطرّق إلى أفضليات وسلبيات هذه العروض البيانية.
• استخدام العرض البياني لتفسير ظواهر بمصطلحات الطاقة.

• تنظيم المعلومات في مخطّط.

• التوصل الى المعلومات المعروضة بطرق مختلفة: قطعة، جدول، عرض بياني.
• عرض بصري لمعلومات في مخطّط:

o        القدرة على الدمج والمقارنة واتّخاذ قرارات اعتمادًا على العروض البيانية المختلفة.

o        تحويل عرض معلومات من طريقة عرض معيّنة إلى أخرى (من مخطّط إلى جدول وما شابه).

ج. مخطّط إجمالي لمصطلحات في موضوع "وصف ظواهر بلغة الطاقة"

ملاحظة: يشدّد هذا المخطّط على وصف وتفسير ظواهر بمصطلحات الطاقة ويلائم للاستعمال أيضًا في مستوى الطلّاب. نوصي في مجرى التدريس باستعمال الصيغ الملحقة بأوراق العمل. 

---

[1] يمكن إيجاد محاكاة حاسوبية لتجربة جول في الرابط التالي:

http://www.einstein-support.co.uk/support/msim/website/experiment/exp_B_virtual_exp_flash_1.htm

5 يمكن إيجاد محاكاة حاسوبية جميلة لتجربة جول هنا: في هذه الوحدة التمثيل بواسطة الكعكة يلائم هذا الوصف.

6 اقتُرحت طريقة مثيرة أخرى من قِبل روبرت كارپلوس (Karplus) : قياس التغيّر في الطاقة بواسطة صهر الجليد.

7 للدقّة يجب أن نشير إلى أنّ الجسم الذي يسخن يجب أن يكون معياريًا وكذلك شروط القياس ومميّزاته. في هذه الوحدة لا حاجة لمثل هذه الدقّة.

8 يمكن إيجاد نقاش مثير للاهتمام في موضوع تعريف مصطلح الطاقة مع أفكار مشابهة للمعروضة هنا، في المقال: "الطاقة لا تعني القدرة على القيام بشغل" لروبرت ليرمان.

9 يشمل فصل مجمّع المهمّات جدولاً يذكر بالنسبة لكلّ بند في المجمّع المهارات اللازمة وكذلك تقديرنا بالنسبة للمستوى المعرفي ومستوى صعوبة البند.