مفهوم الطاقة الحركية للاجسام:
تعرف الطاقة الحركية بأنها شكل من أشكال الطاقة التي يمتلكها الجسم أو الجسيم بسبب حركته، وإذا تم العمل الذي ينقل الطاقة، على جسم عن طريق تطبيق قوة صافية، فإن الجسم يزداد سرعة وبالتالي يكتسب طاقة حركية، والطاقة الحركية هي خاصية لجسم متحرك أو جسيم ولا تعتمد فقط على حركته ولكن أيضًا على كتلته، وقد يكون نوع الحركة عبارة عن ترجمة (أو حركة على طول مسار من مكان إلى آخر)، أو دوران حول محور، أو اهتزاز، أو أي مجموعة من الحركات.
الطاقة الحركية الانتقالية:
الطاقة الحركية الانتقالية لجسم ما تساوي نصف حاصل ضرب كتلته m، ومربع سرعتهv، أو 1/2mv2، وهذه الصيغة صالحة فقط للسرعات المنخفضة إلى العالية نسبيًا؛ بالنسبة للجسيمات عالية السرعة للغاية، فإنها تنتج قيمًا صغيرة جدًا، وعندما تقترب سرعة جسم من سرعة الضوء (3 × 108 مترًا في الثانية، أو 186000 ميلًا في الثانية)، تزداد كتلته، ويجب استخدام قوانين النسبية، والطاقة الحركية النسبية تساوي الزيادة في كتلة الجسيم عن تلك التي لديها في حالة السكون مضروبة في مربع سرعة الضوء.
وحدة الطاقة في نظام متر كيلوجرام ثانية هي الجول، وكتلة 2 كيلوغرام (شيء يزن 4.4 رطل على الأرض) تتحرك بسرعة متر واحد في الثانية (أكثر بقليل من ميلين في الساعة) لها طاقة حركية تساوي جول واحد، وفي نظام السنتيمتر-جرام-الثانية، وحدة الطاقة هي er ، 10−7 جول ، أي ما يعادل الطاقة الحركية لبعوضة أثناء الطيران، وتُستخدم وحدات الطاقة الأخرى أيضًا، في سياقات محددة، مثل الوحدة الأصغر وهي الإلكترون فولت، على المقياس الذري ودون الذري.
بالنسبة لجسم دوار، فإن لحظة القصور الذاتي، I، تتوافق مع الكتلة والسرعة الزاوية (أوميغا) ω، تتوافق مع السرعة الخطية أو السرعة الانتقالية. وفقًا لذلك، فإن الطاقة الحركية الدورانية تساوي نصف ناتج لحظة القصور الذاتي ومربع السرعة الزاوية، أو 1/2Iω2. إجمالي الطاقة الحركية لجسم أو نظام يساوي مجموع الطاقات الحركية الناتجة عن كل نوع من أنواع الحركة.
ميزانية الطاقة:
الغلاف الجوي للأرض يحده من الأسفل الماء والأرض – أي سطح الأرض، ويتم تسخين هذا السطح من خلال ثلاث عمليات فيزيائية – الإشعاع والتوصيل والحمل الحراري – وتكون درجة الحرارة عند السطح البيني للغلاف الجوي والسطح نتيجة لهذا التسخين.
تعتمد المساهمات النسبية لكل عملية على بنية الرياح ودرجة الحرارة والرطوبة في الغلاف الجوي فوق السطح مباشرةً وشدة التشمس الشمسي والخصائص الفيزيائية للسطح وتعتبر درجة الحرارة التي تحدث في هذه الواجهة ذات أهمية حاسمة في تحديد مدى ملائمة الموقع لأشكال الحياة المختلفة.
الطاقة المشعة:
الطاقة التي يتم نقلها عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل الضوء والأشعة السينية وأشعة جاما والاشعاع الحراري، والتي يمكن وصفها من حيث حزم الطاقة المنفصلة، والتي تسمى الفوتونات، أو الموجات الكهرومغناطيسية المستمرة، ويتطلب قانون حفظ الطاقة أن يتم تضمين الطاقة المشعة التي يمتصها النظام أو ينبعث منها في إجمالي الطاقة.
تتأثر درجة حرارة الغلاف الجوي والسطح بالإشعاع الكهرومغناطيسي، وينقسم هذا الإشعاع تقليديًا إلى نوعين: التشمس من الشمس والانبعاث من السطح والجو، وكثيرا ما يشار إلى التشمس باسم إشعاع الموجة القصيرة يقع بشكل أساسي في الأجزاء المرئية والأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ويتكون في الغالب من أطوال موجية من 0.39 إلى 0.76 ميكرومتر (0.00002 إلى 0.00003 بوصة).
يسمى الإشعاع المنبعث من الأرض إشعاع الموجة الطويلة؛ حيث يقع ضمن جزء الأشعة تحت الحمراء من الطيف ولها أطوال موجية نموذجية من 4 إلى 30 ميكرومتر (0.0002 إلى 0.001 بوصة)، وتعتمد الأطوال الموجية للإشعاع المنبعثة من الجسم على درجة حرارة الجسم، كما هو محدد في قانون إشعاع بلانك، تنبعث الشمس، مع درجة حرارة سطحها التي تبلغ حوالي 6000 درجة كلفن (كلفن ؛ حوالي 5،725 درجة مئوية ، أو 10337 درجة فهرنهايت)، بطول موجي أقصر بكثير من الأرض، التي تقل درجات حرارة سطحها وغلافها الجوي حوالي 250 إلى 300 كلفن (−23 إلى 27 درجة مئوية أو من -9.4 إلى 80.6 درجة فهرنهايت).
تمتص غازات الغلاف الجوي، بما في ذلك بخار الماء، جزءًا من إشعاع الموجة القصيرة القادم، وتسخن الهواء مباشرةً، ولكن في حالة عدم وجود السحب، تصل معظم هذه الطاقة إلى السطح، إن تشتت جزء من إشعاع الموجات القصيرة – خاصةً أقصر الأطوال الموجية بواسطة جزيئات الهواء في عملية تسمى تشتت رايلي – ينتج سماء زرقاء للأرض.
التوصيل الحراري:
وهو نقل الطاقة (الحرارة) الناتج عن اختلافات درجة الحرارة بين الأجزاء المجاورة من الجسم، تُعزى الموصلية الحرارية إلى تبادل الطاقة بين الجزيئات والإلكترونات المجاورة في الوسط الموصّل، و يتناسب معدل التدفق الحراري في قضيب من المواد مع مساحة المقطع العرضي للقضيب وفرق درجة الحرارة بين الأطراف ويتناسب عكسياً مع الطول؛ وهذا هو المعدل H يساوي نسبة المقطع العرضي A للقضيب إلى طوله l ، مضروبًا في فرق درجة الحرارة (T2 – T1) والموصلية الحرارية للمادة ، المعينة بواسطة الثابت k.
يتم التعبير عن هذه العلاقة التجريبية على النحو التالي: H = −k (A / l) (T2 – T1). تظهر علامة الطرح لأن الحرارة تتدفق دائمًا من درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة منخفضة، والمادة ذات الموصلية الحرارية الكبيرة k هي موصل جيد للحرارة، في حين أن المادة ذات الموصلية الحرارية الصغيرة هي موصل حراري ضعيف أو عازل حراري جيد، والقيم النموذجية هي 0.093 كيلو كالوري / ثانية متر- درجة مئوية للنحاس (موصل حراري جيد) و0.00003 كيلو كالوري / ثانية متر درجة مئوية للخشب (موصل حراري ضعيف).
الحمل الحراري:
عملية يتم من خلالها نقل الحرارة عن طريق حركة مائع ساخن مثل الهواء أو الماء، وينتج الحمل الحراري الطبيعي من ميل معظم السوائل إلى التمدد عند التسخين – أي لتصبح أقل كثافة والارتفاع نتيجة لزيادة الطفو، ويفسر الدوران الناتج عن هذا التأثير التسخين المنتظم للمياه في غلاية أو هواء في غرفة ساخنة: توسع الجزيئات الساخنة المساحة التي تتحرك فيها من خلال زيادة السرعة ضد بعضها البعض، ثم ترتفع، ثم تبرد وتقترب مرة أخرى، مع زيادة الكثافة والغرق الناتج.
يتضمن الحمل القسري نقل السوائل بطرق أخرى غير تلك الناتجة عن تغير الكثافة مع درجة الحرارة، وتعتبر حركة الهواء بواسطة مروحة أو الماء بواسطة مضخة أمثلة على الحمل الحراري القسري، ويمكن إنشاء تيارات الحمل في الغلاف الجوي من خلال تأثيرات التسخين المحلية مثل الإشعاع الشمسي (التسخين والارتفاع) أو ملامسة كتل السطح الباردة (التبريد والغرق)، كما وتتحرك تيارات الحمل هذه بشكل عمودي وتسبب العديد من الظواهر الجوية، مثل السحب والعواصف الرعدية.
