انرژي
انرژي توانايي انجام دادن كار است. هواپيما براي پرواز كردن، آب براي جوشيدن، لامپ براي روشن شدن و شناگر براي شنا كردن به انرژي نياز دارد. اگر انرژي نباشد، كاري انجام نمي گيرد.
انرژي يكي از اساسي ترين مفاهيم در علم است. ماده يكي ديگر از اين مفاهيم اساسي است. هر آنچه در جهان يافت مي شود يا ماده است. يا انرژي. تا نخستين سالهاي قرن بيستم ميلادي دانشمندان انرژي و ماده را دو چيز كاملاً متفاوت مي دانستند. اما در اين زمان آلبرت اينشتين دريافت كه انرژي و ماده به يكديگر بستگي دارند، به طوري كه ماده مي تواند به انرژي و انرژي مي تواند به ماده تبديل شود. او رابطه ميان انرژي و ماده انرژي و ماده را به صورت فرمول مشهور E=mC2 بيان كرد، كه در آن E مقدار انرژي و m مقدار ماده يا جرم، و cسرعت نور است(108*3 متر بر ثانيه). چون مقدار مجذور سرعت نور بسيار بزرگ است. طبق اين فرمول مقدار كمي ماده مي تواند به مقدار بسيار زيادي انرژي تبديل شود، و بر عكس براي آنكه از انرژي بتوان ماده يا جرم قابل مشاهده اي به دست آورد، به مقدار بسيار زيادي انرژي نياز است. در واكنش هاي هسته اي و شيميايي تغييري در انرژي و تغييري در جرم ماده به وجود مي آيد. در هر دو نوع واكنش ممكن است مجموع جرم محصولات واكنش كمتر از مجموع جرم عامل هاي واكنش باشد. اين جرم كاهش يافته به انرژي تبديل مي شود كه معمولاً به صورت انرژي گرمايي آزاد مي شود.
با توجه به تعريف علمي كار، به روش هاي گوناگون مي توان كار انجام داد. در انجام دادن هر كاري انرژي مصرف مي شود. براي مثال، با ضربه زدن با چكش بر روي ميخ، مي توان بر مقاومت يك قطعه چوب غلبه كرد و ميخ را در چوب كوبيد. در اين كار حركت وزنه چكش است كه كار انجام مي دهد . اگر چكش به آرامي روي سر ميخ گذاشته شود نمي تواند آن را در چوب فرو ببرد و كاري انجام نمي گيرد. پس مي توان گفت كه جرم متحرك چكش داراي انرژي است. اين نوع انرژي را انرژي جنبشي- K=1/2.m.v2 - (انرژي اجسام متحركي كه صرفاً به علت حركتشان دارند) يا انرژي سنتيك مي نامند. اگر جسمي را از سطح بالا ببريم، براي اين جابجايي كار انجام مي دهيم. اين كار انجام شده در جسم به صورت نوعي انرژي ذخيره مي شود كه آن را انرژي پتانسيل گرانشي (انرژي اجسامي كه صرفاً به علت فاصله شان تا زمين دارند. البته تعريف دقيقتر:مقدار انرژي كه بايد صرف كنيم تا با سرعت ثابت يك جسم را از سطح زمين تا ارتفاعي مشخص ببريم) گويند. هر اندازه وزن جسم بيشتر و فاصله آن از سطح زمين بالاتر باشد انرژي پتانسيل گرانشي - U=mgh - آن نسبت به سطح زمين بيشتر است.
اگر سنگي كه در فاصله كافي بالاي ميخي نگه داشته شده است رها شود و آزادانه فرو افتد، مي توان كار انجام دهد و مثلاً ميخي تا حدي در چوب فرو كند، بنابراين، اين سنگ داراي انرژي پتانسيل است. هر چه سنگ پايين تر مي آيد سرعت حركتش بيشتر مي شود . بنابراين، مي توان گفت كه در ضمن فرو افتادن سنگ، انرژي پتانسيل آن كاهش مي يابد و انرژي جنبشي آن پيوسته زيادتر مي شود. اگر مقاومت هوا ناچيز باشد، اندازه كاهش انرژي پتانسيل برابر افزايش انرژي جنبشي جسم است. مجموع انرژي پتانسيل و انرژي جنبشي جسم را انرژي مكانيكي آن جسم مي نامند E=K+U و ΔU=ΔK
يك فنر فشرده يا باز شده مي تواند كار انجام دهد. بنابراين، داراي انرژي پتانسيل است. انرژي پتانسيل موجود در اين فنر را انرژي پتانسيل كشساني(انرژي ذخيره شده در هر فنر جمع شده يا كشيد شده) مي نامند. انرژي پتانسيل مي تواند به انرژي جنبشي تبديل شود و ضمن اين عمل كار انجام دهد. مثلاً وقتي كه كش لاستيكي تير كمان كشيده شود، در آن انرژي پتانسيل ذخيره مي شود و اگر كش رها شود، انرژي پتانسيل آن بصورت انرژي جنبشي به تير يا سنگي كه در تير كمان قرار دارد داده مي شود و آن را به فاصله دور پرتاب مي كند.
صورت هاي انرژي: انرژي به صورت هاي گوناگون موجود است اين صورتها عبارتند از: انرژي هاي گرمايي، الكتريكي، شيميايي، هسته اي و تابشي
1- انرژي گرمايي يكي از صورت هاي بسيار آشناي انرژي است كه در واقع از انرژي جنبشي و پتانسيل ذرات ماده ناشي مي شود. هر چه حركت ذرات سريع تر باشد، انرژي گرمايي و دماي ماده بيشتر است . انرژي گرمايي نيز مانند همه صورتهاي ديگر انرژي مي تواند كار انجام دهد.
وقتي كه به مايعي مانند آب گرما داده مي شود، پس از مدتي مايع مي جوشد و به بخار تبديل مي شود . به سبب حركت و جابجايي بيشتر مولكول هاي بخار بر اثر گرفتن انرژي گرمايي، بخار نسبت به مايع اوليه حجم بيشتري را اشغال مي كند. بنابراين، اگر بخار در ظرف يا محفظه بسته اي توليد شود، فشار زيادي به ديواره محفظه وارد مي كند. اين فشار مي تواند كار انجام دهد. تركيدن آبگرمكن يا ديگ زودپزي كه دريچه اطمينان آن خراب است، به سبب افزايش فشار بخار آب استفاده مي كنند و با آن ماشين هايي به نام توربين بخار را به كار مي اندازند. اين ماشين ها نيز ماشين هاي ديگري به نام ژنراتور يا مولد را مي چرخانند كه توليد الكتريسيته مي كنند. نيروگاه هايي را كه در آنها، با گرم كردن آب، بخار آب توليد مي كنند و از فشار اين بخار براي توليد الكتريسيته استفاده مي كنند، نيروگاه هاي گرمايي يا حرارتي مي نامند.
2- انرژي الكتريكي يكي ديگر از مهمترين صورت هاي انرژي در دنياي امروزي است. جريان الكتريسيته مي تواند موتورها و ماشين هاي الكتريكي را به كار اندازد. ماشين هايي مانند جاروبرقي، مته برقي، تلمبه برقي و ماشين لباسشويي وسايلي هستند كه با مصرف كردن انرژي الكتريكي كار انجام مي دهند و كار انسان را آسان مي كنند.
انرژي الكتريكي به ساختار اساسي اتم مربوط است. هر اتم مركز خود هسته اي سنگين با بار الكتريكي مثبت دارد كه ممكن است داراي يك يا چند پروتون و نوترون باشد . در پيرامون هسته اتم يك يا چند الكترون گردش مي كنند كه با الكتريكي منفي دارند. هسته و الكترونها چون داراي بارهاي ناهمنام هستند، يكديگر را جذب مي كنند. اما در بعضي از مواد، مانند فلزها، هسته هاي اتم ها نمي توانند همه الكترون هاي پيرامون خود را در كنار خود نگه دارند. در اين گونه مواد، بعضي از الكترون ها مي توانند در ميان اتم ها حركت كنند. همين حركت الكترون هاي آزاد است كه جريان الكتريسيته و انرژي الكتريكي را تامين مي كند. كار ژنراتور و باتري ايجاد همين حركت الكترون ها و توليد انرژي الكتريكي است. انرژي الكتريكي آثار گوناگوني دارد كه يكي از آنها اثر مغناطيسي است. اگر جريان الكتريكي از سيمي كه به دور ميله اي آهني پيچيده شده است عبور كند، در آن ميله خاصيت مغناطيسي يا آهنربايي پديد مي آيد. آهنربا مي تواند اجسام آهني را بلند كند و كار انجام دهد، پس داراي صورتي از انرژي است. اين صورت انرژي را انرژي مغناطيسي مي نامند.
3- انرژي شيميايي صورت ديگر از انرژي است كه در مواد شيميايي كه مي توانند كار انجام دهند وجود دارد. براي مثال، باروت و يا ديناميت كه مخلوطي از چند ماده شيميايي هستند، بر اثر انفجار مي تواند چيزها را خرد و پرتاب كنند، پس داراي انرژي شيميايي هستند. بنزين نيز انرژي شيميايي دارد و مي تواند موتور اتومبيل را به كار اندازد. انرژي شيميايي مواد مختلف متفاوت است. مثلاً ماده شيميايي تي ان تي (تري نيترو تولوئن) داراي انرژي بسيار زياد است. معمولاً از انرژي شيميايي نمي توان به طور مستقيم براي انجام دادن كار استفاده كرد، و بايد نخست آن را به انرژي ديگري تبديل كرد. براي مثال، در نيروگاه گرمايي با سوزاندن زغال سنگ يا مواد نفتي، انرژي شيميايي نهفته در اين سوختها را به انرژي گرمايي تبديل مي كنند و از اين گرما براي توليد بخار و به كار انداختن ژنراتورها استفاده مي كنند. انرژي شيميايي به ساختار اتم ها، مولكول ها، و واكنش هاي شيميايي مربوط است. مولكول ها از تركيب اتم هاي گوناگون در ضمن واكنش هاي شيميايي تشكيل مي شوند. در هنگام تشكيل بعضي از مولكول ها مقداري انرژي آزاد مي شود، كه ممكن است خيلي زياد يا خيلي كم باشد. آزاد شدن انرژي در واكنش هاي شيميايي گوناگون، ناشي از گسسته شدن بعضي از پيوندهاي شيميايي پر انرژي و تشكيل پيوندهاي جديدي است كه انرژي كمتري دارند اين تفاوت در انرژي پيوند، مثلاً در ماده منفجره نيتروگليسيرين مايع، به آساني و به سرعت تبديل به آب، دي اكسيد كربن، نيتروژن (ازت) و اكسيژن مي شود. اين واكنش بسيار سريع انجام مي گيرد و گازهايي كه بطور ناگهاني در آن توليد مي شوند فضايي را اشغال مي كنند كه بسيار بيشتر از حجم مايع نيتروگليسيرين نخستين است .به همين سبب اين واكنش به صورت انفجار ظاهر مي شود. مواد غذايي نيز انرژي شيميايي دارند. اين انرژي به هنگام سوخت و ساز در بدن به آرامي آزاد مي شود. انرژي شيميايي موجود در موارد غذايي ادامه فعاليتهاي زيستي بدن انسانها و حيوانها را امكانپذير مي كند. با مصرف كردن انرژي شيميايي غذاست كه انسانها و حيوانها مي توانند كار كنند .
4- انرژي هسته اي صورت ديگري از انرژي است كه در هسته اتم ها نهفته است. هر اتم در مركز خود هسته اي دارد كه از ذرات ريزي به نام پروتون و نوترون تشكيل شده است. (هسته هيدروژن فقط يك پروتون دارد). همان گونه كه جاذبه ميان اتمها پديد آورنده انرژي شيميايي است، جاذبه بين ذرات درون هسته نيز پديد آورنده انرژي شيميايي است، جاذبه بين ذرات درون هسته نيز پديدآورنده انرژي هسته اي است، اما جاذبه بين ذرات درون هسته بسيار قويتر از جاذبه بين اتمهاست. بنابراين، انرژي نهفته در هسته اتم بسيار زيادتر از انرژي شيميايي موجود در پيوندهاي بين اتمهاست. به همين سبب است كه بمب هسته اي بسيار پر قدرت از ديناميت و يا بمبهاي معمولي است. بعضي از اتمها به طور خود به خودي انرژي هسته اي آزاد مي كنند. اين پديده را راديواكتيويته مي ناميد. براي مثال، هسته اتم راديوم مي تواند خود به خود دو نوترون و دو پروتون و نيز اشعه گاما آزاد كند. اين ذرات و اشعه، انرژي را از هسته خارج مي كنند و در نتيجه، هسته سبكتر و پايدارتر مي شود. انرژي هسته اي را به طور مصنوعي نيز مي توان از هسته اتم آزاد كرد. براي اين كار دو روش وجود دارد:
-
در روش اول، هسته بعضي از اتمهاي سنگين، مانند اورانيم را، مي شكافند و به هسته هاي سبكتري تبديل مي كنند. اين روش را روش شكافت هسته اي مي گويند. براي شكافتن هسته اتم آن را با نوترونهاي بسيار سريع بمباران مي كنند. از آنجا كه براي باقي ماندن اين هسته كوچكتر در كنار يكديگر به انرژي كمتري نياز است، بر اثر اين تبديل هسته اي مقدار زيادي انرژي آزاد مي شود. در واكنش شكافتن هسته، تعدادي نوترون نيز آزاد مي شود. اين نوترونها با هسته هاي ديگري برخورد مي كنند و آنها را مي شكافند در نتيجه، مقدار زيادي انرژي و تعداد زيادي نوترون آزاد مي شود. اين واكنش را واكنش زنجيري مي نامند، كه مي تواند با سرعت بسيار زيادي انجام گيرد و تا شكافته شده همه هسته هاي سنگين ادامه يابد .
در بمب اتمي يا هسته اي همين اتفاق مي افتد و مقدار زيادي انرژي آزاد مي شود كه آثار ويران كننده و نابود كننده اي دارد. اما در راكتورهاي هسته اي، با وارد كردن ميله هايي از فلز كادميم در ميان ماده اي كه هسته هاي آن شكافته مي شوند، تعدادي از نوترونها را جذب و واكنش زنجيري را كندتر مي كنند، بنابراين انرژي هسته اي كنترل مي شود. در نيروگاه هاي هسته اي، از اين انرژي براي تبديل آب به بخار و توليد الكتريسيته استفاده مي كنند.
-
روش دوم توليد مصنوعي انرژي هسته اي پيوند دادن بعضي از هسته هاي بسيار سبك و به وجود آوردن هسته اي سنگين است . اين روش را روش جوش هسته اي مي نامند. اين واكنش به گونه اي است كه محصولات، يعني مواد توليد شده آن، به انرژي كمتري نياز دارند و بنابراين مقدار زيادي انرژي آزاد مي شود. در خورشيد جوش هسته اي ميان اتم هاي هيدروژن انجام مي گيرد. بر اثر اين عمل چهار هسته هيدروژن به يك هسته هليم تبديل مي شود و مقدار بسيار زيادي انرژي آزاد مي شود. سرچشمه تمام انرژي خورشيد همين جوش هسته اي است. انرژي توليد شده در اين واكنش بسيار بيشتر از انرژي ناشي از شكافت هسته اي است. اما چون ايجاد و كنترل اين واكنش بسيار دشوارتر از واكنش شكافت هسته اي است . هنوز توليد گسترده انرژي هسته اي به اين روش امكانپذير نشده است. امروز از اين واكنش فقط در ساختن بمب هيدروژني استفاده شده است كه قدرت آن بسيار بيشتر از بمب اتمي است.
5- انرژي تابشي صورت ديگري از انرژي است كه مي تواند علاوه بر بعضي از مواد، در فضاي تهي يا خلاء نيز انتشار يابد. اين انرژي ناشي از تغيير مكان بارهاي الكتريكي يا تغيير ميدانهاي مغناطيسي يا الكتريكي است. حركت اين بارها و تغيير ميدان ها سبب ايجاد امواجي مي شوند كه آنها را امواج الكترو مغناطيسي مي نامند.
نور بخش از امواج الكترومغناطيسي است. موجهاي راديويي، اشعه فرو سرخ فرابنفش، اشعه ايكس و اشعه گاما بخش هاي ديگري از امواج الكترو مغناطيسي هستند. همه بخشهاي امواج الكترو مغناطيسي داراي انرژي هستند و مي توانند كار انجام دهند. براي مثال، نور در باتري خورشيدي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود و وسايل الكتريكي را به كار مي اندازد، و امواج راديويي به جريان هاي الكتريكي تبديل مي شوند.
تبـديـل صـورتـهاي انـرژي بـه يكـديـگر: در كارهاي روزانه و در اطراف خود مي توانيم تبديل صورت هاي انرژي به يكديگر را مشاهده كنيم. شخصي كه دري را باز مي كند از انرژي شيميايي ذخيره شده در بافت هاي ماهيچه هايش استفاده مي كند، و آن را به انرژي مكانيكي تبديل مي كند. اگر اين در به ديوار برخورد كند، بخشي از انرژي آن به انرژي صوتي تبديل مي شود. در بيشتر جاهايي كه با مصرف انرژي كاري انجام مي گيرد، معمولاً بخشي از انرژي به صورت انرژي گرمايي در مي آيد و به هدر مي رود. براي مثال، مي توان گرماي موتور اتومبيل، گرماي لنت ترمز به هنگام ترمز كردن، گرماي لامپ برق، گرماي گلوله تفنگ به هنگام برخورد با هدف را نام برد. در آونگ نيز مي توان تبديل انرژي را مشاهده كرد. هنگامي كه وزنه آونگ در حركت رفت و برگشتي به بالاترين ارتفاع خود مي رسد، همه انرژي آن از نوع انرژي پتانسيل است. وقتي كه وزنه آونگ به پايين حركت مي كند، انرژي پتانسيل آن به انرژي جنبشي تبديل مي شود. در ادامه حركت وزنه به بالا دوباره انرژي جنبشي كاهش و انرژي پتانسيل آن افزايش مي يابد اگر اصطكاك در محور آونگ و مقاومت هوا وجود نداشتند، آونگ تا بي نهايت به رفت و برگشت ادامه مي داد. اما دامنه رفت و برگشت هاي آونگ به تدريج كمتر مي شود تا آنكه از حركت مي ايستد. در تمام مدت حركت آونگ، پيوسته انرژي جنبشي و پتانسيل به يكديگر تبديل مي شوند و در اين ميان همواره بخشي از انرژي بر اثر اصطكاك و مقاومت هوا از آونگ گرفته مي شود. اما اين انرژي از بين نمي رود، بلكه به صورت گرما وارد هوا مي شود. مي توان گفت كه در حركت آونگ مجموع انرژيهاي پتانسيل و جنبشي و گرمايي همواره ثابت است، اگر چه مقدار هر كدام تغيير مي كند. اين مطلب را اصل بقاي انرژي مي نامند. براساس اين اصل مقدار كل انرژي در جهان هستي هميشه ثابت است و انرژي را نمي توان به وجود آورد يا نابود كرد، اگر چه مي توان آن را از صورتي به صورت ديگر تبديل كرد. پس از شناختن رابطه ماده و انرژي در اوايل قرن بيستم و دريافتن اين حقيقت كه انرژي مي تواند به ماده تبديل شود و ماده را نيز مي توان به انرژي تبديل كرد، اصل بقاي انرژي به اصل بقاي ماده و انرژي تغيير يافت. براساس اين اصل، مقدار كل ماده و انرژي در جهان هميشه ثابت است و اگر مقدار يكي تغيير كند حتماً به ديگري تبديل شده است. ماده و انرژي را مي توان به يكديگر تبديل كرد، ولي نمي توان به وجود آورد و يا نابود كرد.
منابع انرژي: انسان از منابع گوناگون انرژي براي انجام دادن كارها استفاده مي كند. انسانهاي نخستين فقط از انرژي بدني خود، كه از غذا به دست مي آمد، استفاده مي كردند. پس از كشف آتش، انسان سوزاندن چوب و تبديل انرژي شيميايي آن به گرما و نور را آموخت. انسان از آتش براي ايجاد روشنايي در شب، گرم كردن خود، پختن غذا، ذوب كردن سنگهاي معدني و تهيه بعضي از فلزها استفاده مي كرد.
انرژي شيميايي چوب ناشي از انرژي خورشيد است، زيرا چوب در گياهان در نتيجه واكنش فتوسنتز ساخته مي شود. انرژي زغال سنگ، نفت و گاز طبيعي نيز، كه سوختهاي فسيلي ناميده مي شوند، ناشي از انرژي خورشيد است. سوختهاي فسيلي طي ميليونها سال، از بقاياي گياهان، يا جانوران دريايي ريزي كه از گياهان تغذيه مي كرده اند، به وجود آمده اند.
آدميان براي انجام دادن كارهاي خود از جانوران اهلي نيز بهره گرفتند، و چگونگي استفاده از جريان باد و آب را براي حركت دادن كشتيها و گرداندن آسيابهاي بادي و آبي آموختند. انرژي جريانهاي باد و آب، خود ناشي از انرژي خورشيد است. وقتي كه خورشيد مي تابد، هوا گرم مي شود و بالا مي رود و فشار هوا در آن نقطه كاهش مي يابد و هواي سرد اطراف به سوي اين نقطه كم فشار حركت مي كند. اين هواي متحرك را باد گويند. خورشيد آب درياها را نيز گرم و تبخير مي كند. اين بخار آب بالا مي رود و در شرايط مناسب به صورت برف و باران فرو مي ريزد و آبشارها و رودخانه ها را به وجود مي آورد.
در نخستين سالهاي قرن هجدهم ميلادي، با اختراع موتور بخار مرحله جديدي در استفاده از انرژي و پيشرفت صنعت فرا رسيد. كار اين نوع موتورها بر اين اساس است كه با سوزاندن سوختهايي مانند چوب يا زغال سنگ آب را گرم مي كنند و به شكل بخار در مي آورند. بخار آب در اتاقكي جمع مي شود. به تدريج كه بخار بيشتري در اين اتاقك جمع مي شود، فشار زيادي به وجود مي آيد كه مي توان كار انجام دهد. به اين ترتيب، از انرژي شيميايي سوختها مي توان براي به حركت در آوردن ماشينها، لوكوموتيوها و كشتيها استفاده كرد. اين نوع موتورها را موتورهاي حرارتي گويند.
در نخستين سالهاي قرن نوزدهم ميلادي موتورهاي اختراع شدند كه در آنها سوخت مايع مانند بنزين، مصرف مي شده. در اين نوع موتورها سوخت مايع مخلوط با هوا در استوانه اي وارد و متراكم مي شود. در اين حالت اين سوخت كه به حالت اين سوخت كه به حالت بخار متراكم در آمده است به كمك جرقه الكتريكي منفجر مي شود و گازهاي پر فشاري به وجود مي آورد كه نيروي آنها كار انجام مي دهد. اين نوع موتورها را موتورهاي انفجاري مي نامند. از موتور انفجاري در اتومبيل و هواپيما و بسياري از وسيله هاي ديگر براي انجام دادن كار استفاده مي شود.
اختراع مولدهاي الكتريسيته راه مهم ديگري را براي استفاده از انرژي باز كرد. امروزه، الكتريسيته اي كه توسط مولدها در نيروگاههاي حرارتي و آبي و هسته اي توليد مي شود، از مهمترين منبع هاي انرژي براي انسان است.
در نيمه قرن بيستم ميلادي، با ابداع روشهايي براي توليد انرژي هسته اي، عصر جديدي در كاربرد انرژي آغاز شد. از آنجا كه مهمترين منابع انرژي زندگي امروزي انسان، يعني سوخت هاي فسيلي، ذخاير محدودي دارند و نيازهاي انسان به انرژي نيز پيوسته رو به افزايش است، ممكن است روزي انسان دچار كمبود انرژي شود. از اين رو دانشمندان در جستجوي منابع جديد انرژي، به جاي منابع رو به پايان سوختهاي فسيلي هستند. شايد انرژي هسته اي در آينده بتواند پاسخگوي نيازهاي روزافزون انسان به انرژي باشد. امروزه گذشته از سوختهاي فسيلي، بخشي از انرژي مورد نياز انسان از نيروي آب، انرژي هسته اي، باد خورشيد جزر و مد، و گرماي زمين به دست مي آيد. منابع ديگري از انرژي كه در مرحله آزمايشي هستند عبارتند از هيدروژن، زباله هاي جامد، پيلهاي سوختي و مولدهاي مگنتوهيدروديناميكي . سوختهاي فسيلي به ترتيب مقدار مصرف در دنيا شامل نفت، زغال سنگ و گاز طبيعي هستند. نفت در حدود 40 درصد انرژي مورد مصرف انسان را تامين مي كند. استخراج آن آسانتر از استخراج زغال سنگ است و مي توان آن را با لوله انتقال داد. نفت داراي ناخالصي هايي است كه سبب آلودگي هوا مي شود. در پالايشگاهها بسياري از اين مواد آلوده كننده را از نفت خام جدا مي كنند. نفت خام در عمليات پالايش به صورت فرآوردهايي مانند بنزين، نفت سفيد، گازوئيل و نفت كوره در مي آيد. اين فرآورده ها هر يك محل مصرف معيني دارند. زغال سنگ در حدود 35 درصد انرژي مصرفي دنيا را تامين مي كند. مهمترين مصرف كنندگان اين ماده، صنايع فولادسازي و نيروگاههاي برق هستند. در بسياري از كشورها از زغال سنگ براي گرم كردن خانه ها استفاده مي كنند. استخراج، حمل و نقل و سوزاندن زغال سنگ دشواريها و مسائل زيادي به همراه دارد . شيمي دانان روشهاي گوناگون براي تبديل زغال سنگ به سوخت مايع يا گاز ابداع كرده اند . زغال سنگ مايع شده را مي توان براي توليد بنزين مصنوعي بكار برد . زغال سنگ گازي شده مي تواند جايگزين گاز طبيعي شود. اين دو فرآورده زغال سنگي را مي توان با لوله منتقل كرد. تبديل زغال سنگ به سوخت مايع يا گاز بسيار پرهزينه است . گاز طبيعي در حدود20% انرژي مصرفي دنيا را تامين مي كند از گاز طبيعي بعنوان سوخت براي گرم كردن آب و هوا ، پختن غذا، و در نيروگاه ها براي توليد الكتريسيته استفاده مي شود. گاز طبيعي تميزترين سوخت فسيلي است تقريباً هيچ گونه آلودگي در هوا توليد نمي كند و از طريق لوله به آساني مي توان آن را به هرجا منتقل كرد. چوب زماني سوخت اصلي انسان بوده است. امروزه درصد كمي از انرژي مصرفي دنيا از چوب فراهم مي شود . اهميت چوب به عنوان منبع انرژي به تدريج كم شده است و احتمالاً كمتر نيز خواهد شد .
نيروي آب درصد ناچيزي از انرژي مورد نياز انسان را تامين مي كند. استفاده از انرژي آب آلودگي ايجاد نمي كند. در نيروگاههاي آبي، از انرژي آب براي گرداندن چرخها يا توربينهاي آبي استفاده مي كنند. توربينها نيز ژنراتورها را مي گردانند. نيروگاههاي آبي به سد نياز دارند، اين سدها در محلهاي مناسب و با هزينه زياد ساخته مي شوند. اما محلهاي مناسب براي ساختن سد در جهان فراوان نيست.
انرژي هسته اي نيز درصد ناچيزي از انرژي مورد نياز انسان را تامين مي كند. امروزه اين انرژي از شكافتن هسته اتم بعضي از عنصرها مانند اورانيم در رئاكتورهاي هسته اي به دست مي آيد. در واكنش شكافت هسته اي مقدار بسيار زيادي گرما توليد مي شود كه در نيروگاههاي هسته اي از آن براي توليد بخار و در نهايت توليد الكتريسيته به وسيله توربينهاي بخار و مولدها استفاده مي كنند.
توليد انرژي هسته اي با مسائل علمي و فني بسياري رو به روست. هزينه ساختن نيروگاه هسته اي بسيار زياد است. نگراني زياد درباره احتمال آسيب ديدن نيروگاه و پخش شدن تابشهاي راديواكتيو وجود دارد . هنوز روشي مطمئن و ايمن براي دفن زباله هاي راديواكتيو نيروگاه اتمي پيدا نشده است. گذشته از اينها، ذخيره طبيعي اورانيم نيز مانند سوختهاي فسيلي محدود است. شايد در آينده توليد انرژي هسته اي به روش جوش هسته اي بتواند مشكل انرژي دنيا را حل كند. در اين روش از يكي از ايزوتوپهاي هيدروژن به نام دوتريم استفاده مي شود كه در اقيانوسها فراوان است گذشته از اين، جوش هسته اي از لحاظ انفجار و تابشهاي راديواكتيو كم خطرتر است. از آنجا كه بيشتر محصولات واكنش جوش هسته اي راديواكتيو نيستند، زباله هاي نيروگاه مشكلي ايجاد نمي كند. از انرژي خورشيد در سراسر كره زمين براي انجام دادن كارهاي كوچك گوناگون استفاده مي شود. آبگرمكن هاي خورشيدي كه براي گرم كردن آب و محيط داخل ساختمانها به كار مي روند و با باتريهاي خورشيدي كه نور خورشيد را به الكتريسيته تبديل مي كنند نمونه هايي از وسايلي هستند كه از انرژي خورشيد استفاده مي كنند. انرژي خورشيد رايگان و فراوان است و مصرف آن محيط را آلوده نمي كند. اما استفاده از آن در مقياس زياد به محل و تاسيسات بزرگ احتياج دارد. گذشته از اين، تاريكي شب و وجود اين مانع بهره گيري پيوسته از اين منبع انرژي مي شوند.
نيروي باد آسيابهاي بادي را مي گرداند و قايقهاي بادباني را پيش مي راند. باد رايگان است و استفاده از آن سبب آلودگي نمي شود. از جريان باد براي كار اندازي مولدهاي الكتريكي نيز استفاده مي كنند. استفاده از نيروي باد فقط در جاهاي امكانپذير است كه باد به طور پيوسته و با شدت مي وزد.
يكي ديگر از منابع انرژي جزر و مد درياهاست. آب هنگام مد بالا مي آيد و مي توان آن را در پشت سد ذخيره كرد. هنگام جزر كه آب دريا پايين مي رود از انرژي آب ذخيره شده در پشت سد مي توان استفاده كرد و توربين آبي و مولد الكتريكي را گرداند.
انرژي جزر و مد را در جاهايي مي توان مهار كرد و به كار برد كه اختلاف سطح آب در دو حالت جزر و مد زياد باشد، و آب بالا آمده در هنگام مد را بتوان در پشت سد انباشت. نخستين نيروگاه جزر و مدي در سال 1966 م در فرانسه به كار افتاد. نيروگاه جزر و مدي فقط در زمانهاي معيني و به مدتي كوتاه مي تواند الكتريسيته توليد كند. گذشته از اين، محلهاي مناسب براي ساختن چنين نيروگاههاي بسيار اندك است.
انرژي گرمايي زمين، يا انرژي زمين گرمايي در جاهايي از زمين بدست مي آيد كه آب در تماس با سنگ هاي داغ زمين قرار گرفته و تبديل به بخار شده باشد. اين بخار را استخراج مي كنند و از آن براي گرم كردن خانه ها يا براي توليد الكتريسيته در نيروگاههاي بخاري استفاده مي كنند. در جاهايي كه بخار آب طبيعي در اعماق زمين وجود ندارد، آب را به داخل سنگهاي داغ زمين تزريق مي كنند و سپس بخار آب توليد شده را از زمين پس مي گيرد. به كارگيري انرژي زمين گرمايي، سبب آلودگي هوا و آب نمي شود. الكتريسيته كه با استفاده از انرژي زمين گرمايي در نيروگاههاي بخاري توليد مي شود، ارزانتر از الكتريسيته اي است كه از نيروگاههاي ديگر به دست مي آيد. امروزه در چندين كشور جهان از جمله ايتاليا، ژاپن، ايسلند، انگلستان، فليپين، زلندنو و ايالات متحد امريكا از انرژي زمين گرمايي استفاده مي شود. اين كشورها داراي ذخاير طبيعي بخار و آب گرم هستند.
هيدروژن مي تواند با اكسيژن تركيب شود و آب و مقدار زيادي گرما توليد كند، و به همين سبب شايد روزي عيدروژن به عنوان سوخت جايگزين نفت و گاز بشود. امروزه از عيدروژن مايع به عنوان سوخت در فضا پيماها استفاده مي كنند، و نمونه هايي از هواپيما و اتومبيل هاي هيدروژن سوز نيز ساخته اند. هيدروژن را مي توان از آب درياها به روش الكتروليز(انجام واكنش شيميايي توسط انرژي برق) تهيه كرد .اما اين روش به مقدار زيادي انرژي الكتريكي نياز دارد.
زباله را نيز مي توان به عنوان منبع انرژي به كار برد. زباله را مي توان سوزاند و از گرماي به دست آمده براي توليد بخار مورد نياز نيروگاه مولد الكتريسيته يا براي گرم كردن ساختمانها استفاده كرد. در بعضي از كشورها، به روشهاي شيميايي از زباله، سوختهايي مانند نفت، گاز و الكل متيليك تهيه مي كنند. در شهرهاي بزرگي كه زباله زيادي توليد مي كنند، بهتر مي توان از انرژي زباله بهره گرفت.
پيل سوختي وسيله اي باتري مانند است كه در آن سوختهاي مايع يا گاز به طور شيميايي با اكسيژن يا هوا تركيب مي شوند و انرژي شيميايي آنها مستقيماً به الكتريسيته تبديل مي شود. در فضا پيماي آپولو از نوعي پيل سوختي استفاده شده بود كه بر اثر واكنش هيدروژن و اكسيژن الكتريسيته توليد مي كرد. در صورت استفاده از مقدار مساوي سوخت، الكتريسيته اي كه در پيلهاي سوختي توليد مي شود، بسيار بيشتر از الكتريسيته اي كه در مولدهاي معمولي توليد مي شود. در پيلهاي سوختي از الكل متيليك، منوكسيد كربن و هيدرازين نيز به عنوان سوخت استفاده مي شود. آلودگي ناشي از اين پيلها بسيار كم است.
مولدهاي مگنتو هيدرو ديناميكي انرژي سوخت را مستقيماً به الكتريسيته تبديل مي كنند در اين مولدها، زغال سنگ يا سوخت فسيلي ديگري در دماهاي بسيار زياد سوزانده مي شود، تا گازي بدست آيد كه رساناي الكتريسيته است. در دماها و فشارهاي معمولي، گازها از مولكولها و اتم هايي تشكيل مي شوند كه از لحاظ الكتريكي خنثي هستند. به همين سبب، اين گازها رساناي الكتريسيته نيستند. اما در دماهاي بسيار زياد، مثلاً چند هزار درجه سلسيوس، تحرك ذرات گازي آن قدر شديد مي شود كه بعضي از الكترونهاي مدار خارجي اتم مي توانند از اتم خارج شوند و اتم را به ذره اي با بار الكتريكي مثبت تبديل كنند. اين ذره هاي باردار را يون و گاز به دست آمده را گاز پوينده يا پلاسما مي نامند. در مولد مگنتوهيدروديناميكي عبور گاز يونيده از درون مجرايي كه ميدان مغناطيسي در آن وجود دارد، سبب ايجاد اختلاف پتانسيل الكتريكي در دو طرف متقابل مجرا مي شود. از گازي كه از مجرا خارج مي شود مي توان براي گرداندن توربين و مولد الكتريسيته استفاده كرد و به اين ترتيب، باز هم الكتريسيته توليد كرد. هنوز همه مسائل فني مولدهاي مگنتوهيدروديناميكي حل نشده اند و اين مولدها كاربرد گسترده اي نيافته اند.
اينكه در آينده كدام يك از منابع انرژي بيشترين كاربرد را خواهد يافت، معلوم نيست. احتمالاً در آينده نيز انسان به منابع گوناگون انرژي وابسته خواهد بود. در جايي ممكن است باد مهمترين منبع انرژي باشد و در جايي ديگر ممكن است نفت و گاز و يا انرژي خورشيد بيشترين مصرف را داشته باشد. شايد در آينده، ساكنان نواحي ساحلي بيشتر از انرژي جزر و مدي استفاده كنند. اما چيزي كه مهم است استفاده درست از منابع انرژي موجود و يافتن منابع جديد انرژي است كه بدون آلوده كردن محيط انجام دادن كارها را آسان كنند.
مديريت وبلاگ علم و فناوري
منبع : ايرانيكا