عندما تكون الطاقة سلبية: لماذا وكيف ومتى وأين


سنشرح في هذه المقالة متى يمكن أن تكون الطاقة سلبية وحقائق مفصلة تتعلق بها.

إذا تم النظر في الذرة ، فيمكن القول إن تكوين الذرة وانكسارها يمكن أن يحدد الطاقة السلبية. كمية الطاقة التي يتم امتصاصها أثناء تكسر الذرة هي نفس كمية الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء تكوين تلك الذرة. تعتبر الطاقة الموردة لكسر الذرة طاقة سلبية.

بقدر ما تصبح الطاقة صفرا ، تصبح الذرة حرة. يمكننا أن نأخذ الإلكترون الحر كمثال على الطاقة السالبة. الإلكترون الحر هو الإلكترون الذي لا يوجد في أي مدار من الذرة. عندما يتم إحضار هذا الإلكترون الحر من اللانهاية إلى أي نقطة أخرى قريبة من النواة ، يتعين على النواة القيام ببعض الأعمال.

لا يمكن أبدًا أن تكون الطاقة الحركية للإلكترون صفراً لأنها نتاج كتلة ومربع سرعة الإلكترون. نسبة الجهد إلى الطاقة الحركية للإلكترون هي -2. من هذا يمكن القول أن الطاقة الإجمالية للإلكترون يمكن أن تكون صفرًا.

هذا العمل المنجز أو الطاقة الكامنة هي طاقة كامنة سلبية لأننا نعلم جميعًا مفهوم أنه عند إنجاز العمل أو توفير الطاقة لجسم ما ، فإن الطاقة تسمى الطاقة السلبية.

عندما تكون الطاقة سلبية
الطاقة السلبية من ويكيبيديا

هل يمكن أن تكون الطاقة سلبية؟                            

يمكن أن يكون للطاقة الكامنة قيمة موجبة وكذلك سلبية. يمكن تحديد ما إذا كانت الطاقة لها قيمة إيجابية أو سلبية من تعريف الطاقة. مصدر شائع جدًا للطاقة الكامنة السلبية هو قوة الجذب. عندما يتم أخذ الإلكترون والبوزيترون معًا ، يحدث تغيير في الطاقة. من هذا يمكننا تفسير متى يمكن أن تكون الطاقة سالبة.

تنخفض قيمة الطاقة الإجمالية مع اقتراب زوج الإلكترون والبوزيترون من بعضهما البعض وتصبح الطاقة الكامنة لـ Coulomb أكثر سلبية.

مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لنظام منضم لها قيمة أقل من الصفر. لكن الطاقة الإجمالية التي تشمل الجماهير تكتسب قيمة إيجابية بشكل فردي. يجب أن يكون للنظام المعزول قيمة إيجابية لإجمالي طاقته. وإلا فإن هذا النظام يمكن أن يتحرك بشكل عفوي ولا يوجد يقين في موقعه. في حقيقة الفراغ أيضا لن تكون مستقرة.

يمكننا استخدام مثال نقل الطاقة بين المصدر والمغسلة في محرك ديناميكي حراري أو ثلاجة. هنا يشير العمل السلبي المنجز إلى أن العمل يتم بواسطة نظام. ومن ثم تنخفض الطاقة الإجمالية للنظام في هذه الحالة.

متى يمكن أن تكون الطاقة سلبية؟

دعونا نأخذ النظام الهيدروستاتيكي. إنه مفيد في وصف متى يمكن أن تكون الطاقة سلبية. يتم احتواء هذا النظام داخل أسطوانة مغلقة ويتم تركيب مكبس متحرك عديم الاحتكاك في الجزء العلوي من الأسطوانة. مساحة المقطع العرضي لتلك الأسطوانة هي A والضغط المؤثر على المكبس هو P الذي يمارسه عليه النظام. لذلك فإن القوة الداخلية المؤثرة على النظام هي ،

هنا لا ينبغي أن تؤخذ القوة الخارجية في الاعتبار. من الممكن إهمال القوة الخارجية فقط عندما يكون هناك فرق ضئيل بين قوة السلطة الفلسطينية للنظام والقوة الخارجية. إذا تم تحريك مسافة لامتناهية في الصغر من dx بواسطة المكبس أثناء التمدد (+ dV) ، فسيتم تنفيذ كمية متناهية الصغر من العمل السلبي (-dW) بواسطة النظام. لذلك،

                                                                   

                                                                   

يدل وجود علامة سالبة في المعادلة أعلاه على توسع أي موجب dV. ينتج عن هذا التوسع عمل سلبي يقوم به النظام. هذا يعني أن الطاقة الإجمالية للنظام تتناقص. ومن ثم يمكن أن تكون الطاقة سلبية في هذه الحالة.

ما أنواع الطاقة التي يمكن أن تكون سلبية؟

هناك عدد من الأمثلة التي يمكن استخدامها لتوضيح متى يمكن أن تكون الطاقة سالبة. هم انهم-

طاقة الجاذبية الكامنة

الطاقة الكامنة للجاذبية هي أهم مثال لوصف متى يمكن أن تكون الطاقة سلبية. دعونا نأخذ جسدين ثقيلتين على سطح الأرض. الآن ستؤدي قوة الجذب الإيجابية بينهما إلى طاقة وضع جاذبية موجبة بينما ستؤدي قوة الجذب السلبية إلى نفس المقدار من طاقة وضع الجاذبية السلبية.

إذا وصلت المسافة بينهما إلى مسافة غير محدودة ، فإن قوة الجذب الإيجابية وقوة الجاذبية السلبية تميل إلى أن تصبح صفراً من خطي الأعداد الموجبة والسالبة على التوالي. عندما تقترب الجثث من بعضها البعض يحصلون على حركة متسارعة بسبب الجاذبية.

هذا يعطي الطاقة الحركية الموجبة وكذلك نفس المقدار من الطاقة الكامنة للجاذبية السلبية بحيث يتم الحفاظ على الطاقة الكلية وفقًا لقانون حفظ الطاقة.

الطاقة المرتبطة بالجسيمات الافتراضية

تعتبر الجسيمات الافتراضية مثالًا بارزًا آخر على متى يمكن أن تكون الطاقة سالبة. يتم استخدام الجسيمات الافتراضية وأزواج الجسيمات المضادة لملء الفراغ وفقًا لمبدأ عدم اليقين. توجد هذه الأزواج لفترة زمنية قصيرة جدًا. بعد ذلك يوقفون. تتكون هذه الجسيمات الافتراضية من طاقة سالبة.

تأثير كازيمير

لتقييد الأطوال الموجية للكميات الموجودة بين لوحين ، تقترب الصفيحتان من بعضهما البعض. يميل هذا التأثير إلى تقليل عدد الجسيمات الافتراضية وكثافتها بين الألواح. يسبب كثافة طاقة سلبية. هذا التأثير الذي يعتمد على نظرية الكم هو مثال حاسم للغاية عندما تكون الطاقة سالبة.

تأثير كازيمير من ويكيبيديا

ضوء مضغوط

تقلبات الطاقة عشوائية في نظرية الكم كما اقترحها مبدأ عدم اليقين. في حالة الحالات الكمية المضغوطة ، يتم تقليل هذا المستوى من عدم اليقين. يمكن أن يكون لهذه الحالات المضغوطة طاقة سالبة. في بعض الأحيان يتم ترتيب عدد من حزم الليزر بطريقة يتم فيها كبت تقلبات الطاقة عن طريق التداخل الكمي المدمر.

عندما تكون الطاقة يمكن تفسير هذا السلبية.

حالات تقلص الضوء من ويكيبيديا

بحر ديراك

قدم بول ديراك نظرية ديراك في عام 1930. ووفقًا لهذه النظرية ، فإن الطاقة السالبة تملأ فراغ الفضاء تمامًا.

البحر ديراك من ويكيبيديا

إشعاع هوكينج

زوج الجسيمات الافتراضي قصير العمر عند دخوله في الثقب الأسود تتحول طاقته إلى طاقة سلبية ويصبح صافي الطاقة صفرًا. هذا مفيد جدًا في شرح متى يمكن أن تكون الطاقة سالبة.

الثقب

تعتمد آلية الثقب الدودي على معادلات أينشتاين. يتم استخدام الثقب الدودي لربط موقعين يختلفان حسب المكان والزمان. عندما يظل ثقب دودي مفتوحًا ، تظهر طاقة سالبة فيه.

الثقب من ويكيبيديا

محرك الاعوجاج

تشارك الطاقة السالبة أيضًا في محرك الالتواء الذي يكون أسرع من الضوء. عندما تكون الطاقة سالبة ، يمكن تفسير ذلك من مفهوم محرك الاعوجاج.

محرك الاعوجاج من ويكيبيديا

تفاعل ماص للحرارة

نكتب دائمًا -Q عند امتصاص الحرارة في معادلة كيميائية. كل شيء عن اصطلاح التوقيع. لا توجد طاقة سلبية.

كيف يمكن أن تكون الطاقة سلبية؟

يمكن أن تمتلك الطاقة الكامنة دائمًا قيمة سلبية. لتوضيح متى يمكن أن تكون الطاقة سالبة ، دعونا نأخذ مثالين على كوكب يخضع لجاذبية الشمس ومثالين الإلكترون المرتبط بالذرة. نعلم أن النظام المقيد يحمل معه طاقة سلبية دائمًا.

عندما يكون كوكب ما تحت جاذبية الشمس فإنه يكون في حالة ملزمة. لذلك فهي بحاجة إلى طاقة موجبة لتكون خالية من مجال الجاذبية للشمس. وبالمثل ، يحتاج الإلكترون المرتبط بذرة إلى طاقة ليخرج من الذرة ويصبح حراً. لذا فإن طاقة الإلكترون المرتبط هي أيضًا طاقة سالبة.

الطاقة الكلية لنظام منضم تكون سالبة في بعض الأحيان. نحن نعلم أن الطاقة الكلية لنظام مرتبط هي مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية. الآن الطاقة الحركية هي حاصل ضرب الكتلة ومربع السرعة للنظام بحيث لا يمكن أن تكون سالبة أبدًا.

ولكننا تعرف أن الطاقة الكامنة سلبية لنظام منضم. لذلك إذا كانت هذه القيمة السالبة للطاقة الكامنة أكبر من القيمة الإيجابية للطاقة الحركية ، فإن الطاقة الكلية تصبح سالبة.

أين يمكن أن تكون الطاقة سلبية؟

إذا تم أخذ نظرية الثقب الدودي كمثال على متى يمكن أن تكون الطاقة سالبة ، فيمكنها وصف المكان الذي يمكن أن يكون للطاقة فيه قيمة سالبة. يمكن ربط مكانين بعيدين عن بعضهما البعض جغرافيًا ويختلف المكان والزمان أيضًا عن بعضهما البعض من خلال مساعدة الثقوب الدودية.

يمكن أيضًا السفر في هذين المكانين على الفور بمساعدة الثقوب الدودية. عندما يتم فتح ثقب دودي يكتسب طاقة سلبية.

هل يمكن أن يكون الحفاظ على الطاقة سلبيا؟

لا يمكن أن يكون لحفظ الطاقة قيمة سلبية لأنه ينتهك تمامًا قانون الحفاظ على الطاقة. الطاقة السالبة ليس لها دليل مادي معين ومن ثم يمكن القول أنه إذا كانت الطاقة السالبة موجودة ، فسيتم موازنة كل الطاقات داخل الكون ببعضها البعض مما يؤدي إلى اختفاء إجمالي الطاقة.

هذا المفهوم ينتهك تمامًا قانون الحفاظ على الطاقة.

عنكيتا بيسواس

مرحباً ... أنا أنكيتا بيسواس. لقد حصلت على درجة البكالوريوس في الفيزياء بمرتبة الشرف وماجستير في الإلكترونيات. أعمل حاليًا مدرسًا للفيزياء في مدرسة ثانوية عليا. أنا متحمس جدًا لمجال فيزياء الطاقة العالية. أحب أن أكتب مفاهيم فيزيائية معقدة بكلمات مفهومة وبسيطة. دعنا نتواصل عبر LinkedIn:

آخر المقالات