طاقة ميكانيكية

تختلف خصائص الدوائر الكهربائية في أنظمة الآلات حسب نوع الآلة وتطبيقاتها ولكن من بعض الخصائص العامة لهذه الدوائر ما يلي:

1- تستخدم دوائر كهربائية في أنظمة الآلات لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.

2- تحتوي هذه الدوائر على مجموعة من العناصر الكهربائية مثل المحركات والمولدات والمفاتيح والمؤقتات والمقاومات والمكثفات.

3- يمكن للدوائر الكهربائية في أنظمة الآلات تحويل الطاقة في اثنين من الاتجاهات، إما من الكهرباء إلى الحركة في حالة المحركات أو من الحركة إلى الكهرباء في حالة المولدات.

4- تتطلب الدوائر الكهربائية في أنظمة الآلات تغذية كهربائية ثابتة ونظام تحكم يمكنه التحكم في تشغيل وإيقاف الآلات بأمان.

5- يجب أن تكون هذه الدوائر مصممة بطريقة تسمح بعملية الصيانة والإصلاح بسهولة عند الحاجة.

الدوائر الكهربائية في أنظمة الآلات هي نظم كهربائية تستخدم لتحكم في عمل الآلات وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. تتكون الدوائر الكهربائية في العادة من مصادر طاقة كهربائية مثل البطاريات أو مصادر الطاقة المترددة، والمفاتيح الكهربائية والاقطاب والأسلاك والمحركات والمؤشرات والأسلاك والترانزستورات والمكثفات والمقاومات وغيرها من المكونات الكهربائية. وتوجد دوائر كهربائية مختلفة في أنظمة الآلات، مثل الدوائر النشطة والدوائر اللاشخصية والدوائر الرقمية والدوائر التناظرية والدوائر الاستشعارية وما إلى ذلك.

الكفاءة الحرارية هي قدرة النظام على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية بأفضل أداء ممكن. وتحسب الكفاءة الحرارية بنسبة الطاقة الناتجة المفيدة إلى الطاقة الحرارية المستهلكة لتحقيقها. وتستخدم الكفاءة الحرارية في تصميم أنظمة الطاقة المختلفة، مثل محركات الاحتراق الداخلي والآلات الحرارية والمراجل.

توجد قوانين أساسية للحرارة في الكيمياء الحرارية، وهي:

1. قانون الحفظ الأول للطاقة (القانون الأول للديناميكا الحرارية): ينص على أن الطاقة لا تستطيع أن تخلق أو تدمر، بل يمكن فقط تحويلها من شكل إلى آخر. في سياق الحرارة، يمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية أو كيميائية والعكس صحيح.

2. قانون بلانك (قانون الإشعاع): ينص على أن كمية الإشعاع المنبعثة من جسم ما تتناسب تناسباً طردياً مع درجة حرارته المطلقة. هذا القانون يمكن استخدامه لحساب كمية الإشعاع المنبعثة من جسم مشع ما.

3. قانون ستيفان-بولتزمان: ينص على أن كمية الطاقة المنبعثة من جسم مشع تتناسب تناسباً مع الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة في وحدة المساحة والوقت. يمكن استخدام هذا القانون لحساب كمية الطاقة المنبعثة من جسم مشع ما.

4. قانون هيومبولتز: ينص على أن الحرارة تنتقل من جسم ذو درجة حرارة أعلى إلى جسم ذو درجة حرارة أقل حتى يتحقق التوازن الحراري بينهما.

هذه القوانين الأساسية توضح علاقة الحرارة بين الأجسام وكيفية تحويل الطاقة الحرارية والإشعاعية.

المحركات الحرارية هي أجهزة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، وتعتبر الآلات الحرارية والمكائن البخارية والتوربينات والمحركات الاحتراقية (مثل المحركات البنزينية والديزل) من أمثلة المحركات الحرارية في الفيزياء الكلاسيكية. وتعتمد عملية الحركة في هذه المحركات على تمدد الغاز أو السائل الحار بشكل مفرط، مما يؤدي إلى تدفق السائل أو الغاز وتحريك أجزاء معينة في الآلة.

يدرس الفيزيائيون الكلاسيكيون علاقة الطاقة بالحرارة من خلال الحرارة الحركية، حيث أنهم يعتبرون الحرارة مجموعة من الذرات والجزيئات التي تتحرك بسرعات عشوائية. ويمكن تحديد درجة الحرارة من خلال كمية الحركة الحرارية للذرات والجزيئات.

بناءً عليه، يمكن أن يتم تحويل الحرارة إلى طاقة والعكس صحيح؛ حيث يمكن أن يتم تحويل الطاقة إلى حرارة. وعندما يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، فإن ذلك يؤدي إلى زيادة في درجة حرارة المادة.

وحتى في العالم الكمومي، فإنَّ تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة أو العكس صحيح. ومن خلال الانتقال بين الحالات الحرجة نحو الحالات غير الحرجة يمكن تحويل طاقة الحركة الحرارية إلى طاقة كهرومغناطيسية أو طاقة ميكانيكية.

تتصل العديد من العلوم بالفيزياء الحرارية، ومنها:

1- الكيمياء الحرارية: حيث تدرس العلاقة بين الحرارة والتفاعلات الكيميائية.

2- الهندسة الحرارية: حيث تدرس تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية والعكس.

3- الطاقة المتجددة: حيث تدرس استخدام الطاقة الحرارية من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية.

4- العلوم الجيوفيزيائية: حيث تدرس درجات الحرارة في الأرض وتأثيرها على الظواهر الجيوفيزيائية مثل البراكين والزلازل.

5- العلوم الجوية: حيث تدرس الحرارة المتولدة في الغلاف الجوي وتأثيرها على الظواهر الجوية مثل تشكل السحب والعواصف.

تحول الحرارة يؤدي إلى تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة أخرى مثل الطاقة الميكانيكية أو الكهربائية أو الضوئية أو الكيميائية. ويعاني العمل الفيزيائي من تحول الحرارة الناتج عن الاحتكاك، إذ تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية خلال العمل الفيزيائي، وبالتالي تؤثر في سهولة الحركة والاحتكاك وتقليل كفاءة العملية الفيزيائية. ويمكن لهذا التأثير أن يؤثر على الأجهزة الفيزيائية الصناعية ويرفع من تكاليفها بسبب ازدياد استخدام الطاقة.

مبدأ التحولات الحرارية في الفيزياء هو مبدأ ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تخلق، بل تتحول من شكل إلى آخر. في حالة التحولات الحرارية، تتحول الطاقة الحرارية إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية أو الطاقة الضوئية.

هناك العديد من الأمثلة على التحولات الحرارية في الحياة اليومية. على سبيل المثال، عندما نقوم بتسخين الطعام، تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية لجزيئات الطعام، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة. عندما نقوم بتشغيل السيارة، تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية تدفع السيارة. عندما نقوم بتشغيل المصباح الكهربائي، تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية تنتج الضوء.

تلعب التحولات الحرارية دورًا مهمًا في العديد من العمليات الصناعية والتكنولوجية. على سبيل المثال، تستخدم التحولات الحرارية في توليد الكهرباء وفي صناعة السيارات وفي صناعة الأجهزة الإلكترونية.

تتضمن الأجهزة الدقيقة المستخدمة في نظم التحكم الصناعي العديد من العناصر، بما في ذلك:

1. المتحكمات البرمجية: وهي أجهزة تستخدم لبرمجة وتنفيذ الأوامر والتحكم في عمليات الإنتاج. تشمل هذه الأجهزة الحواسيب الصناعية والمتحكمات المنطقية المبرمجة (PLC) والمتحكمات المنطقية المبرمجة المتقدمة (APLC).

2. الحساسات: وهي أجهزة تستخدم لرصد وقياس المتغيرات الفيزيائية والكيميائية في عملية التحكم. تشمل هذه الأجهزة الحساسات الحرارية والضغط والتدفق والموقع والأشعة تحت الحمراء والمغناطيسية والميكانيكية والكهربائية.

3. المحركات والمشغلات: وتستخدم لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية لتشغيل المعدات والآلات الصناعية. تشمل هذه الأجهزة المحركات الكهربائية والمحركات الهيدروليكية والمحركات الهوائية والمشغلات الكهربائية والهيدروليكية والهوائية.

4. الصمامات والمفاتيح: وتستخدم للتحكم في تدفق واتجاه السوائل والغازات والكهرباء. تشمل هذه الأجهزة الصمامات الهيدروليكية والهوائية والكهربائية والمفاتيح الكهربائية والميكانيكية.

5. الوحدات العرض والتحكم: وتستخدم لعرض البيانات والمعلومات حول حالة العملية وللتحكم في النظام. تشمل هذه الأجهزة الشاشات اللمسية وشاشات الكريستال السائل والعارضات الضوئية ولوحات المفاتيح والفأرة والأجهزة الصوتية.

6. الأجهزة الشبكية: وتستخدم للاتصال والتواصل بين مكونات النظام وتبادل البيانات والمعلومات. تشمل هذه الأجهزة الشبكات السلكية واللاسلكية والمودمات والروتر والمفاتيح الشبكية.

تعتمد الأجهزة الدقيقة في نظم التحكم الصناعي على التكنولوجيا والاحتياجات الخاصة بالعملية الصناعية، وتستخدم لتحقيق أهداف التحكم وزيادة الإنتاجية وتحسين جودة المنتجات وتوفير الطاقة والموارد.