انرژی چیست ؟

انـرژی باعث وقوع پدیدهـهای مختلـف در اطـراف ما می شود. در خلال روز ، خورشید روشنایـی و انرژی گرمایی تولید می کند . اما در شب لامپها با استفاده از انرژی الکتریکی مسیر خیابانها را برای ما روشن
می سازد. یک ماشین توسط بنزین ، که یک نوع انرژی ذخیره ای است ، حرکت می کند.حتی غذایی که ما می خوریم حاوی انرژی است. از این انرژی برای کار و بازی استفاده می کنیم . بدین ترتیب همانطوریکه در مقدمه گفته شد انرژی را می توان «توانایی انجام کار» تعریف نمود.

انرژی به شکلهای مختلفی وجود دارد که از آن میان می توان به انرژی شیمیایی ، انرژی الکتریکی ، گرما (انرژی حرارتی) ، نور ( انرژی تابشی) ، انرژی مکانیکی و انرژی هسته ای اشاره نمود.

 انرژی ذخیره ای و حرکتی  

انرژی باعث وقوع پدیده های مختلف شده و به دو نوع تقسیم می شود: 

- انرژی ذخیره ای که انرژی پتانسیل نامیده می شود .

- انرژی حرکتی که انرژی جنبشی نامیده می شود.

حال جهت آشنایی بیشتر با این دو انرژی به کمک یک مداد آزمایش ذیل را انجام دهید. مداد را در لبة میز گذاشته و آن را به طرف زمین هل دهید. در این حالت انرژی جنبشی باعث حرکت مداد به طرف پایین می شود.

حال مداد را برداشته و دوباره روی میز بگذارید. با استفاده از انرژی خود مداد را برداشته و حرکت دهید . هرچه فاصله از کف زمین بیشتر شود به انرژی آن افزوده خواهد شد. در این حالت اگر مداد برروی میز قرار گیرد دارای انرژی پتانسیل است. هرچه مداد بالاتر باشد در فاصلة دورتری خواهد افتاد یا به عبارت دیگر مداد انرژی پتانسیل بیشتری خواهد داشت.

انرژي خورشيدي

 روي اين سياره است. بيش ار 5000 سال قبل، مردم خورشيد را پرستش مي‌كردند. اولين پادشاه مصر، خداي خورشيدي، به نام را  (Ra) بود. در بين النهرين، خداي خورشيدي به نام شاماش (Shamash)،‌ خداي اعظم و برابر با عدالت بود. در يونان دو خداي خورشيد به نامهاي آپولو و هليوس وجود داشت. تأثير خورشيد در ساير اديان نيز نمايان است. زرتشتي، مذهب رومي، هندو، بودائي،‌ كاهن (انگليس)، آزتگ (مكزيك) و خيلي از قبايل بومي امريكا خورشيد را پرستش مي‌كردند.

امروزه ما ميدانيم كه خورشيد نزديكترين ستاره به سياره زمين است. بدون خورشيد، امكان ادامه زندگي بر روي اين سياره وجود ندارد. هر روز ما از انرژي خورشيد به طرق مختلف استفاده مي‌كنيم. زمانيكه لباس‌هاي خيس را روي طناب آويزان مي‌كنيم،‌ گرماي خورشيد باعث خشك شدن آنها مي‌شود.

گياهان براي توليد غذا از نور خورشيد استفاده مي‌كنند. سپس حيوانات، گياهان را به عنوان غذا مي‌خورند. و همانطوريكه در فصل 5 گفتيم ، تجزيه گياهان در صدها ميليون سال قبل باعث توليد ذغال سنگ، نفت و گاز طبيعي گرديد كه امروزه ما از آنها استفاده مي‌كنيم . بنابراين، سوخت‌هاي فسيلي در واقع از ميليون‌ها سال قبل نور خورشيد را در خود ذخيره نموده‌اند. خورشيد و ساير ستارگان بطور غير مستقيم نقش مهمي را در توليد كليه انرژي‌ها، بازي مي‌كنند. حتي منشاء توليد انرژي هسته‌اي مربوط به يك ستاره است. زيرا اتم‌هاي اورانيوم در اثر نووا (انفجار يك ستاره) بوجود آمدند.

  آب گرم خورشيدي

در دهه 1890 در سرتاسر امريكا از آب‌گرم‌كن‌هاي خورشيدي براي گرم كردن آب استفاده مي‌شد. آنها مزيت بيشتري نسبت به كوره‌هاي زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعي حاصل از ذغال نيز براي گرم نمودن آب استفاده ميگرديد، اما قيمت آن 10 برابر قيمت گاز طبيعي امروز بود. قيمت برق حتي اگر در شهر شما وجود داشت بسيار گران بود.

در آن زمان بسياري از خانه‌ها از آب‌گرم‌كن‌هاي خورشيدي استفاده مي‌كردند. در سال 1897، حدود 30 درصد از خانه‌هاي شهر پاسادانا ، واقع در شرق لس‌آنجلس ، مجهز به آب گرم‌كن‌هاي خورشيدي بودند. با پيشرفت‌هاي مكانيكي صورت گرفته، سيستم‌هاي خورشيدي در آريزونا، فلوريدا و خيلي ديگر از مناطق آفتابي ايالت متحده نيز مورد استفاده قرار گرفت. در تصوير ، آب گرم‌كن خورشيديي را مي‌بينيد كه در سال 1911 در روي سقف خانه‌اي در دره پومونا (Pomona) ،‌ واقع در كاليفرنيا، نصب گرديد

تا سال 1920، دهها هزار عدد از اين آب گرم كن‌هاي خورشيدي به فروش رسيده بود. اما بعد از اين سال، مخازن بزرگ نفت و گاز طبيعي در غرب ايالت متحده كشف شد. با دسترس قرار گرفتن سوخت‌هاي فسيلي ارزان ، آنها جايگزين سيستم‌هاي خورشيدي شدند.

امروزه، مردم مجدداً شروع به استفاده از آب گرم كن‌هاي خورشيدي كرده‌اند. در حال حاضر تنها در ايالت كاليفرنيا، ‌بيش از نيم ميليون آب گرم كن خورشيدي وجود دارد. اين آب گرم‌كن‌ها در مراكز تجاري و منازل استفاده مي‌شود.

همانطوريكه در تصوير مي‌بينيد ، از اين آب‌گرم‌كن‌ها براي استخرهاي شنا نيز استفاده ميگردد. صفحاتي كه بر روي سقف ساختمان نصب شده‌اند داراي يك سري لوله‌هاي آب هستند. زمانيكه اشعه خورشيد به اين صفحات و لوله‌ها برخورد مي‌كند، آب داخل لوله ها گرم شده و از آن مي‌توان براي پركردن استخر استفاده نمود.

توليد برق از طريق گرماي خورشيد

از انرژي خورشيدي نيز ميتوان جهت توليد برق استفاده نمود. بعضي از نيروگاههاي خورشيدي، مانند نيروگاههايي كه در صحراي مووجاو (Mojava) ، در ايالت كاليفرنيا ، قرار دارد (رجوع به تصوير)، داراي آينه بسيار خميده اي به نام طشتك سهمي شكل (Parabolic Trough) است كه نور خورشيد را بر روي لوله اي ، که به طرف نقطه مركزي در بالاي خميدگي آينه ادامه مي‌يابد، متمركز مي‌كند. آينه، نور خورشيد را به روي لوله متمركز كرده و آنرا آنقدر گرم مي‌كند كه مي‌تواند باعث جوشش آب بصورت بخار گردد. سپس از اين بخار ميتوان براي چرخش توربين و در نتيجه توليد برق استفاده نمود. در نيروگاه خورشيدي صحراي مووجاو، در ايالت كاليفرنيا، از چند رديف آينه خورشيدي استفاده شده است. اين نوع نيروگاهها را نيروگاههاي حرارت خورشيدي مي نامند. نيروگاههاي صحراي مووجاو براي توليد برق 350000 خانه طراحي شده‌اند.

مشكل اصلي در استفاده از اين نوع نيروگاهها اين است كه آنها صرفاً در زمان تابش خورشيد كار ميكنند. بنابراين در روزهاي ابري و شبها، اين نيروگاهها نمي‌توانند انرژي توليد كنند. بعضي از نيروگاهها داراي فن آوري دوگانه هستند،‌ بدين ترتيب كه در روز از انرژي خورشيدي و در شب و روزهاي ابري از گاز طبيعي براي جوشاندن آب و در نتيجه توليد برق استفاده مي كنند.

نوع ديگري از نيروگاههاي خورشيدي براي توليد برق، نيروگاه برج مركزي نام دارد (رجوع به تصوير). در بالاي برج اين نيروگاه، 1800 آينه چرخان نصب شده كه نور خورشيد را منعكس مي‌كنند. اين آينه‌ها را « heliostats » مي‌نامند كه در تمام روز در حال چرخش و حركت بوده تا رو به خورشيد قرار گيرند. نور انعكاس يافته باعث گرم شدن سيالي در مركز آينه مي‌شود. حال ، اين سيال گرم مي تواند باعث جوشش آب و توليد بخار شده ، و در نتيجه توربين ژنراتور را به گردش در آورد. اين نيروگاه آزمايشي ، خورشيدي II نام دارد. شروع كار اين نيروگاه به اوايل دهه 1980 بر ميگردد، اما اكنون با استفاده از فن آوري جديد بازسازي گرديده است.

اين نيروگاه براي تأمين برق 10000 خانه طراحي شده است. طبق گفته كارشناسان با احداث نيروگاههاي برج مركزي بزرگتر مي‌توان برق  100000 تا 200000 خانه را تامین نمود.

سلولهاي خورشيدي يا انرژي فتوولتايي

با استفاده از سلولهاي خورشيدي ، مستقيماً مي‌توان از نور خورشيد برق توليد نمود. سلولهاي خورشيدي را سلولهاي فتوولتايي يا به اختصار PV نيز مي‌نامند. از اين نوع سلولها در ماشين حساب يا حتي فضا پيما استفاده مي‌شود.

اولين بار آنها در دهة‌ 1950 در ماهواره هاي فضايي ايالت متحده مورد استفاده قرار گرفتند. اين سلولها از سيليكون (نوع خاصي از ماسه مذاب) ساخته شده‌اند.

زمانيكه نور خورشيد به سلولها برخورد مي كند، الكترونها آزاد شده و به سمت صفحه جلويي (رنگ آبي تيره)‌ حركت مي‌كنند (به تصوير توجه كنيد) . بدين ترتيب يك الكترون اضافي بين جلو و عقب صفحه توليد ميشود. زمانيكه دو صفحه توسط يك رابط مثل سيم بهم وصل مي‌شوند ، جريان برق بين قطب مثبت و منفي برقرار مي گردد.

مجموعه‌اي از سلولهاي خورشيدي در يك واحد فتوولتايي چيده شده و مجموعه اي از واحدهاي فتوولتايي نيز بصورت آرايه‌اي در كنار هم قرار مي گيرند (به تصوير توجه كنيد) .

بعضي از آرايه ها بر روي وسايل رديابي نصب شده كه بتوانند نور خورشيد را در تمام طول روز دنبال كنند . انرژي الكتريكي بدست آمده از سلولهاي خورشيدي را مستقيماً مي‌توان استفاده نمود. از اين انرژي مي‌توان براي روشنايي منازل و وسايل برقي، و نيز مراكز تجاري استفاده نمود. انرژي خورشيدي را ميتوان در باتريهايي ذخيره نمود و از آن براي روشنايي تابلو علائم كنار جاده ها در شب استفاده كرد. همچنين اين انرژي را مي‌توان در باتري ذخيره كرده و در تلفن هاي سلولي كه در كنار جاده ها نصب مي‌شود، استفاده نمود . بعضي از ماشين‌ها نيز بطور آزمايشي از سلولهاي فتوولتايي استفاده مي كنند. اين نوع ماشين ها نور خورشيد را مستقيماً به انرژي تبديل كرده و موتور الكتريكي را به حركت مي اندازند.

اكثر ما زمانيكه در خصوص انرژي خورشيدي فكر مي‌كنيم، تصويري از ماهواره هاي فضايي در ذهنمان نقش مي بندد. در تصوير،‌ صفحات خورشيديي كه بيرون از ماهواره قرار گرفته اند را مي بينيد.

 انرژی آبی  

زمانیکه در کوهها و تپّه ها باران می بارد ، آب حاصل از آن بصورت نهر و رودخانه جاری شده و به دریا می ریزد. از آب جاری و ریزشی می توان به نحو احسن استفاده نمود. همانطوریکه قبلاً گفته شد ، انرژی عبارت است از «توانایی انجام کار». بنابراین می توان از آب جاری ، که حاوی انرژی جنبشی است ، برای تولید برق استفاده کرد.

 در گذشته برای خرد کردن گندم و ذرت در آسیابها، از آب جاری برای چرخاندن چرخهای چوبی آسیاب استفاده می کردند. این نوع آسیاب را آسیاب آبی یا آسیاب غلات می گفتند.

در سال 1086 ، کتاب چند جلدی Domesday نوشته شد. در این کتاب فهرست کلیه املاک ، خانه ها ، فروشگاهها و سایر موارد در انگلستان ارائه شده است. در این کتاب فهرست 5624 آسیاب آبی واقع در جنوب رودخانه ترنت (Trent) در انگلستان درج شده است. به عبارت دیگر به ازای هر 400 نفر یک آسیاب وجود داشت.

گردش چرخهای آسیاب آبی یا از طریق آبهای ریزشی (ریزش آب از بالا برروی چرخ) و یا آبهای جاری (رودخانه) صورت می گیرد (این نوع آسیابها در تصویر نشان داده شده اند). امروزه از آب جاری نیزمی توان برای تولید برق استفاده نمود. هیدرو به معنی آب است. بدین ترتیب هیدرو – الکتریک یعنی تولید برق از طریق انرژی آب .

استفاده از انرژی جنبشی آب جاری جهت تولید برق را نیروی هیدروالکتریک گویند. با ایجاد سد میتوان جریان رودخانه را متوقف نمود. همانطوریکه در تصویر مربوط به سد شاستا (Shasta) در شمال کالیفرنیا ملاحضه می فرمائید ، با ایجاد سد، مخزنی از آب تشکیل می شود. اما سدهای احداثی برروی رودخانه های بزرگتر باعث تشکیل مخزن نمی شود. جهت تولید برق در یک نیروگاه هیدروالکتریکی ، آب رودخانه به داخل آن هدایت می شود. در تصویر ، سد دالاس را مشاهده می کنید که برروی رودخانه کلمبیا، در طول مرز بین ایالت اورگون و واشنگتن ، احداث شده است.

نیروگاههای آبی بزرگترین تولید کنندگان برق در ایالات متحده هستند. این نیروگاهها 10 درصد از کل برق مصرفی این کشور را تأمین می کنند. ساخت نیروگاههای از این نوع در ایالتهای که دارای کوهستانهای مرتفع و رودخانه های زیادی هستند ، می تواند منجر به افزایش تولید برق شود. به عنوان مثال، در حدود 15 درصد از کل برق تولیدی ایالت کالیفرنیا از نیروگاههای هیدروالکتریک تأمین می شود. اما بیشترین تولید برق آبی مربوط به ایالت واشنگتن است. 3 سد از 6 سد اصلی که برروی رودخانه کلمبیا احداث شده اند عبارتند از گراند کولی (Grand coulee) ، چیف جوزف (Chief joseph) و جان دی (John Day) . حدود 87 درصد از کل برق تولیدی ایالت واشنگتن از نیروگاههای هیدروالکتریک تأمین می شود. مقداری از برق تولیدی این نیروگاهها به ایالتهای دیگر نیز ارسال می شود.

نحوة کار یک سد آبی

آب پشت سد بعداز عبور از یک مدخل وارد لوله ای بنام آبگیر (دریچه مخصوص تنظیم جریان آب) می شود. آب به تیغه های توربین فشار آورده و باعث حرکت آنها می گردد. توربین یک نیروگاه آبی مانند توربین یک نیروگاه معمولی عمل می کند، با فرق اینکه در اینجا از آب بجای بخار برای چرخاندن توربین استفاده می شود. گردش توربین باعث چرخش ژنراتور و درنتیجه تولید برق می گردد. سپس برق تولیدی از طریق خطوط انتقال به خانه ، مدرسه ، کارخانه و مراکز تجاری ارسال می شود.

 امروزه نیروگاههای آبی در نواحی کوهستانی ایالتهای مختلف آمریکا ، که در آنجا دریاچه و
رودخانه های طویل وجود دارد ، ساخته می شوند.

انرژي بادي

از انرژي بادي نيز مي توان براي انجام يك سري از كارها استفاده نمود. انرژي جنبشي باد را مي توان به شكل هاي ديگري از انرژي ، اعم از مكانيكي يا الكتريكي، تبديل كرد.

 يك قايق بادباني با استفاده از انرژي بادي در آب حركت مي كند. اين يكي از انواع كارهايي است كه انرژي بادي مي تواند انجام دهد. كشاورزان سالها است كه از انرژي حاصل از آسياب هاي بادي براي پمپاژ آب از چاهها استفاده مي كنند.

در هلند، قرن ها است كه از آسیابهای بادی جهت پمپاژ آب از نواحی کم عمق استفاده می شود. همانگونه که در آسياب هاي آبي، چرخ آسياب توسط نيروي آب مي چرخد، از انرژي باد نيز مي توان براي چرخش سنگهاي بزرگ آسياب، جهت آسياب نمودن گندم يا ذرت، استفاده كرد. امروزه از انرژي باد جهت توليد برق نيز استفاده مي شود. در يك توربين بادي، وزش باد باعث گردش توربين ها، درست مثل يك فرفره بزرگ اسباب بازي، مي گردد. لازم به ذكر است كه اين وسيله يك آسياب بادي نبوده بلكه يك توربين بادي است . آسياب بادي براي خرد كردن گندم و ذرت و ‌نيز پمپاژ آب استفاده مي شود.

 تيغه هاي توربين متصل به توپي (توپي چرخ) بوده كه در روي يك شافت (ميله) در حال چرخش ، نصب شده است. اين شافت از جعبه انتقال دنده، كه در آن سرعت چرخش افزايش مي يابد، عبور مي كند. افزايش سرعت شافت باعث چرخش ژنراتور و در نتيجه توليد برق ميشود.

اگر وزش باد بسيار زياد باشد ، توربين داراي ترمزي است كه از چرخش سريع تيغه‌ها و در نتيجه آسيب ديدگي آنها جلوگيري مي كند.

 از يك توربين بادي كوچك مي توان جهت تأمين برق يك خانه يا مدرسه استفاده نمود. در تصوير توريبني را مشاهده مي كنيد كه انرژي لازم براي يك خانه را تأمين مي نمايد . اما در تصوير ديگر ، بچه‌هايي را ملاحظه مي كنيد كه در زير يك توربين بادي، كه برق مورد نياز مدرسه را تأمين مي نمايد، ‌بازي مي كنند.

در ايالت كاليفرنيا ، نواحي بادخيز زيادي وجود دارد ، و در بسياري از مناطق زمين باد در حال وزش است. اما مسئله اصلي اين است كه وزش بادهاي شديد، دائمي نيست . در كاليفرنيا ، معمولاً ماههاي تابستان پربادتر است، زيرا در اين زمان باد از نواحي سردتر بداخل كاليفرنيا مي وزد، درست مثل جايگزيني هوا سرد اقيانوس بجاي هواي گرم بالا آمده در صحراها و دره هاي گرم مركزي كاليفرنيا.

براي اينكه يك توربين بادي به نحو احسن كاركند، سرعت باد معمولاً بايد بيش از 12 تا 14 مايل در ساعت باشد. براي چرخش سريع توربين ها و در نتيجه توليد برق ، داشتن چنين سرعتي براي باد ضروري است. معمولاً هر يك از توربين ها ، برقي در حدود 50 تا 300 كيلو وات توليد مي كنند. هر كيلو وات برابر با 1000 وات است. با 1000 وات برق مي توان 10 لامپ 100 واتي را روشن نمود. بنابراين يك توربين بادي 300 كيلو واتي (300000 وات) مي تواند 3000 لامپ 100 واتي را روشن كند.

  تا سال 1999 حدود 11366 توربين بادي در ايالت كاليفرنيا وجود داشت. مجموعه اي از توربين هاي بادي را مزارع باد مي نامند.

در تصوير مزرعه باد پالم اسپرينگ (palm springs) را مشاهده مي كنيد . كل اين توربين ها اكثراً در سه ناحيه، كه باد خيز‌ترين نواحي ايالت كاليفرنيا هستند قرار دارند.

-گذرگاه آلتا مونت(Altamont pass) ،‌ شرق سانفرانسيسكو.

- گذرگاه سان گورگونييو (san gorgonio pass) نزديك پالم اسپرينگ.

- تچاپي (Tehachapi) ، جنوب بيكرفيلد.

اين سه منطقه رويهم برق مورد نياز شهري به اندازه سانفرانسيسكو را تأمين مي نمايند.  در حدود 11 درصد از كل برق بادي جهان در ايالت كاليفرنيا وجود دارد . آلمان و دانمارك نيز جزو كشورهايي هستند كه از انرژي بادي به مقدار زيادي استفاده مي كنند. برق توليدي هر يك از توربين هاي مزرعه باد جمع آوري شده و مجموعاً به ترانسفورماتور فرستاده مي شود. در ترانسفورماتور، ولتاژ برق جهت ارسال به مسافت هاي دور از طريق خطوط فشار قوي ، افزايش مي يابد.

انرژی هسته ای – شکافت و گداخت

انرژی هسته ای، شکل اصلی دیگری از انرژی است که در داخل اتم قرار دارد . یکی از قوانین جهانی این است که انرژی نه تولید پذیر است و نه از بین رفتنی ، اما به شکلهای دیگر قابل تبدیل است.

ماده را می توان به انرژی تبدیل نمود. آلبرت انیشتن ، مشهورترین دانشمند جهان ، فرمول ریاضی خاصی را برای شرح این نظریه ارائه نموده است :

E = MC²

برطبق فرمول فوق انرژی (E) برابر است با جرم (m) ضربدر سرعت نور به توان دو .

لطفاً توجه داشته باشید که بعضی از نرم افزارهای وب قادر به نمایش توان روی شبکه نیستند. معمولاً مجذور C توسط قرار دادن عدد 2 کوچک در بالا و سمت راست C نشان داده می شود. دانشمندان از معادله انیشتن برای آزاد سازی انرژی نهفته در اتم و نیز جهت ساخت بمب اتمی استفاده نمودند.

 یونانیان قدیم براین باور بودند که کوچکترین جزء طبیعت ، اتم است. اما در 2000 سال قبل ، آنها نمی دانستند که ذرات کوچکتر از اتم نیز در طبیعت یافت می شود.

همانطوریکه در فصل 2 گفتیم ، اتمها از ذرات کوچکتری به نام هسته ، که خود متشکل از پروتون و نوترون هستند ، تشکیل شده اند. این اتمها توسط الکترونهایی احاط شده که بدور آنها می چرخند، درست مثل گردش زمین به دور خورشید.

شکاف هسته ای

هسته اتم می تواند شکافته شود. زمانیکه این مسئله رخ میدهد، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این انرژی به دو صورت گرما و نور است. انیشتن معتقد بود که مقدار کوچکی از ماده حاوی مقدار زیادی انرژی است. زمانیکه این انرژی ، آهسته از اتم خارج می شود ، می توان آنرا مهار نمود و تولید برق نمود. اما زمانیکه انرژی موجود در هسته اتم بطور ناگهانی آزاد می شود ، انفجار عظیمی مانند بمب اتم رخ میدهد.