الطاقة النوعية

الطاقة النوعية أو الطاقة الكتلية هي الطاقة لكل وحدة كتلة . تُعرف أيضًا بكثافة الطاقة الوزنية ، ويجب عدم الخلط بينها وبين كثافة الطاقة ، التي تُعرَّف بأنها الطاقة لكل وحدة حجم. تُستخدم الطاقة النوعية لتحديد كميات، على سبيل المثال، الحرارة المخزنة وغيرها من الخصائص الديناميكية الحرارية للمواد، مثل الطاقة الداخلية النوعية ، والمحتوى الحراري النوعي ، وطاقة جيبس ​​الحرة النوعية ، وطاقة هيلمهولتز الحرة النوعية . كما يمكن استخدامها للطاقة الحركية أو طاقة الوضع للجسم. الطاقة النوعية خاصية مكثفة ، بينما الطاقة والكتلة خاصيتان شاملتان .

وحدة الطاقة النوعية في النظام الدولي للوحدات هي الجول لكل كيلوغرام (J/kg). ومن الوحدات الأخرى التي لا تزال مستخدمة عالميًا في بعض السياقات: الكيلو كالوري لكل غرام (Cal/g أو kcal/g)، وخاصة في المواضيع المتعلقة بالغذاء، والواط ساعة لكل كيلوغرام (W⋅h/kg) في مجال البطاريات. وفي بعض البلدان، تُستخدم وحدة BTU لكل رطل (Btu/lb) في بعض المجالات الهندسية والتقنية التطبيقية. ^{[ 1 ]}

تتشابه وحدات الطاقة النوعية مع وحدات القوة النوعية ، والتي ترتبط بأقصى طاقة دوران نوعية يمكن أن يمتلكها جسم ما دون أن يتفكك بفعل قوة الطرد المركزي . يرتبط مفهوم الطاقة النوعية بمفهوم الطاقة المولية في الكيمياء ، أي الطاقة لكل مول من المادة، ولكنه يختلف عنه، حيث تُستخدم وحدات مثل الجول لكل مول، أو السعرات الحرارية لكل مول، وهي وحدة أقدم ولكنها لا تزال شائعة الاستخدام. ^{[ 2 ]}

يوضح الجدول التالي عوامل التحويل إلى جول/كيلوجرام لبعض الوحدات غير التابعة للنظام الدولي للوحدات :

للاطلاع على جدول يوضح الطاقة النوعية للعديد من أنواع الوقود المختلفة بالإضافة إلى البطاريات، انظر مقالة كثافة الطاقة .

بالنسبة للإشعاع المؤين ، تُعدّ وحدة "غراي" في النظام الدولي للوحدات (SI) هي وحدة الطاقة النوعية التي تمتصها المادة، والمعروفة بالجرعة الممتصة . ومنها تُحسب وحدة " سيفرت" في النظام الدولي للوحدات (SI) للتأثير الصحي العشوائي على الأنسجة، والمعروفة بمكافئ الجرعة . وتنص اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس على ما يلي: "لتجنب أي لبس بين الجرعة الممتصة (D) ومكافئ الجرعة ( H ) ، يجب استخدام الأسماء الخاصة لكل وحدة، أي استخدام مصطلح "غراي" بدلاً من "جول لكل كيلوغرام" لوحدة الجرعة الممتصة (D) ، ومصطلح "سيفرت" بدلاً من "جول لكل كيلوغرام" لوحدة مكافئ الجرعة ( H) ." ^{[ 6 ]}

الكثافة الطاقية هي كمية الطاقة لكل وحدة كتلة أو حجم من الطعام. يمكن تحديد الكثافة الطاقية للطعام من الملصق الغذائي بقسمة الطاقة لكل حصة (عادةً بالكيلوجول أو السعرات الحرارية الغذائية ) على حجم الحصة (عادةً بالجرام أو المليلتر أو الأونصة السائلة). وحدة الطاقة الشائعة الاستخدام في السياقات الغذائية في الدول غير المترية (مثل الولايات المتحدة) هي "السعرة الحرارية الغذائية" أو "السعرة الحرارية الغذائية" أو "كالوري" (بحرف كبير "C")، ويُختصر عادةً إلى "كال". تعادل السعرة الحرارية الغذائية ألف سعرة حرارية كيميائية أو ديناميكية حرارية (يُختصر إلى "كال" بحرف صغير "c") أو كيلوكالوري واحد (kcal). ولأن الطاقة الغذائية تُقاس عادةً بالسعرات الحرارية، تُسمى الكثافة الطاقية للطعام عادةً "الكثافة الحرارية". ^{[ 7 ]} في النظام المتري، وحدة الطاقة الشائعة الاستخدام على ملصقات الطعام هي الكيلوجول (kJ) أو الميجاجول (MJ). وبالتالي، يتم التعبير عن كثافة الطاقة بشكل شائع بوحدات مترية مثل كالوري/غرام، كيلو كالوري/غرام، جول/غرام، كيلو جول/غرام، ميغا جول/كيلوغرام، كالوري/مل، كيلو كالوري/مل، جول/مل، أو كيلو جول/مل.

تقيس كثافة الطاقة الطاقة المنطلقة عند استقلاب الطعام بواسطة كائن حي سليم عند تناوله (انظر طاقة الطعام للحساب). في البيئات الهوائية، يتطلب هذا عادةً الأكسجين كمدخل وينتج عنه فضلات مثل ثاني أكسيد الكربون والماء. باستثناء الكحول ، فإن المصادر الوحيدة لطاقة الطعام هي الكربوهيدرات والدهون والبروتينات ، والتي تشكل 90% من الوزن الجاف للطعام. ^{[ 8 ]} لذلك، يُعد محتوى الماء العامل الأهم في حساب كثافة الطاقة. بشكل عام، تتميز البروتينات بكثافة طاقة أقل (≈16 كيلوجول /غرام) من الكربوهيدرات (≈17 كيلوجول/غرام)، بينما توفر الدهون كثافة طاقة أعلى بكثير (≈38 كيلوجول/غرام)، ^{[ 8 ]} أي ما يعادل 2.25 ضعف طاقة الكربوهيدرات. تحتوي الدهون على روابط كربون-كربون وكربون-هيدروجين أكثر من الكربوهيدرات أو البروتينات، مما ينتج عنه كثافة طاقة أعلى. ^{[ ٩ ]} تتميز الأطعمة التي تستمد معظم طاقتها من الدهون بكثافة طاقة أعلى بكثير من تلك التي تستمد معظم طاقتها من الكربوهيدرات أو البروتينات، حتى لو كان محتواها من الماء متساوياً. كما أن العناصر الغذائية الأقل امتصاصاً، مثل الألياف أو الكحوليات السكرية ، تُقلل من كثافة الطاقة في الأطعمة. تتراوح كثافة الطاقة المعتدلة بين ١٫٦ و٣ سعرات حرارية لكل غرام (٧-١٣ كيلوجول/غرام) ؛ ويندرج سمك السلمون واللحوم الخالية من الدهون والخبز ضمن هذه الفئة. أما الأطعمة ذات كثافة الطاقة العالية، فتحتوي على أكثر من ٣ سعرات حرارية لكل غرام (١٣ كيلوجول/غرام)، وتشمل البسكويت والجبن والشوكولاتة والمكسرات، ^{[ ١٠ ]} والأطعمة المقلية مثل رقائق البطاطس أو رقائق التورتيلا.      

تُعدّ كثافة الطاقة أحيانًا أكثر فائدة من الطاقة النوعية عند مقارنة أنواع الوقود. فعلى سبيل المثال، يتمتع وقود الهيدروجين السائل بطاقة نوعية (الطاقة لكل وحدة كتلة) أعلى من البنزين ، لكن كثافة طاقته الحجمية أقل بكثير.

غالباً ما يتم استخدام الطاقة الميكانيكية النوعية ، بدلاً من الطاقة فقط، في الديناميكا الفلكية ، لأن الجاذبية تغير الطاقات الحركية والكامنة النوعية للمركبة بطرق مستقلة عن كتلة المركبة، بما يتوافق مع حفظ الطاقة في نظام الجاذبية النيوتوني .

تبلغ الطاقة النوعية لجسم مثل نيزك يسقط على الأرض من خارج مجال جاذبيتها نصف مربع سرعة الإفلات على الأقل ، والتي تبلغ 11.2  كم/ث. وهذا يعادل 63 ميغا جول/كغ (15 كيلو كالوري/غ، أو ما يعادل 15 طنًا من مادة تي إن تي لكل طن). أما المذنبات ، فتمتلك طاقة أكبر، إذ تتحرك عادةً بالنسبة للشمس، وعندما تكون في جوارنا، بسرعة تقارب الجذر التربيعي لضعف سرعة الأرض. وهذا يعادل 42  كم/ث، أو طاقة نوعية تبلغ 882  ميغا جول/كغ. وقد تزيد أو تنقص السرعة بالنسبة للأرض تبعًا للاتجاه. وبما أن سرعة دوران الأرض حول الشمس تبلغ حوالي 30  كم/ث، فإن سرعة المذنب بالنسبة للأرض تتراوح بين 12 و72  كم/ث، وتُعادل الأخيرة 2592  ميغا جول/كغ. إذا سقط مذنب بهذه السرعة على الأرض، فإنه سيكتسب طاقة إضافية قدرها 63  ميغا جول/كيلوغرام، ليصل إجمالي طاقته إلى 2655  ميغا جول/كيلوغرام بسرعة 72.9  كيلومتر/ثانية. وبما أن خط الاستواء يتحرك بسرعة 0.5  كيلومتر/ثانية تقريبًا، فإن سرعة الاصطدام لها حد أقصى يبلغ 73.4  كيلومتر/ثانية، مما يعطي حدًا أقصى للطاقة النوعية لمذنب يصطدم بالأرض يبلغ حوالي 2690  ميغا جول/كيلوغرام.

لو اصطدم مذنب هيل-بوب (قطره 50  كم) بالأرض، لكان قد تبخر المحيطات وعقم سطح الأرض. ^{[ 11 ]}

• الطاقة الحركية لكل وحدة كتلة: ½ v² ، حيث v هي السرعة (وتُعطى بالجول/كجم عندما ^تكون v بوحدة م /ث). انظر أيضًا الطاقة الحركية لكل وحدة كتلة من المقذوفات .
• الطاقة الكامنة بالنسبة للجاذبية، بالقرب من الأرض، لكل وحدة كتلة: gh ، حيث g هو التسارع الناتج عن الجاذبية ( موحد على أنه ≈9.8 م/ث² ⁾ و h هو الارتفاع فوق المستوى المرجعي (مما يعطي J/kg عندما تكون g بوحدة م/ث² ^و h بوحدة م). 
• الحرارة : الطاقة لكل وحدة كتلة تساوي السعة الحرارية النوعية مضروبة في فرق درجة الحرارة ، وحرارة الانصهار النوعية ، وحرارة التبخر النوعية

• كثافة الطاقة ، والتي تتضمن جداول الطاقات النوعية للأجهزة والمواد
• نسبة القوة إلى الوزن
• حرارة الاحتراق
• الطاقة المدارية النوعية
• مراتب من حيث الحجم (الطاقة)

• تشينجل، يونس أ.؛ تيرنر، روبرت هـ. (2005). أساسيات علوم الموائع الحرارية . ماكجرو هيل. ISBN 0-07-297675-6.