انرژی
انرژی را می توان به عنوان توانایی انجام دادن کار تعریف کرد. ماده و انرژی، اساس هر چیزی را در زندگی تشکیل می دهند. ماده در قیاس با انرژی، حضور عینی تر و ملموس تری دارد. انرژی از طریق حرارت دادن، حرکت دادن، و یا برقدار کردن، اثر می کند.
انرژی همواره با تغییر همراه است. هنگامی که انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود، تغییرات فیزیکی، شیمیایی یا زیست شناختی رخ می دهد، مثل زمانی که انرژی شیمیایی مواد سوختنی به انرژی گرمایی تبدیل می شود. در خلال این تغییرات، مقدار کل انرژی موجود، ثابت می ماند. انرژی را نمی توان ایجاد کرد یا از بین برد.
شکلهای انرژی
مقدار کل انرژی، به شکلهای متفاوت و با تنوعی وسیع در جهان، پراکنده شده است. مفاهیم آشنایی نظیر انرژی گرمایی، انرژی نوری، انرژی الکتریکی و انرژی صوتی از جمله شکلهای انری هستند.
پتانسیل، یک واژه عام است که به منظور توصیف هر نوع انرژی ذخیره شده به کار می رود. شلیک کردن یک منجنیق ساده می تواند فرصت مناسبی برای مطالعه انرژی پتانسیل یک نوار کشسان کشیده شده باشد. انرژی پتانسیل یک بمب اتمی قادر است در سطح وسیعی خرابی ایجاد کند، در حالی که یک نیروگاه هسته ای می تواند همان انرژی پتانسیل را برای استفاده بشر مهیا سازد. انرژی پتانسیل را می توان در انرژی پتانسیل شیمیایی باتری یک ماشین حسابگر یا در انرژی پتانسیل گرانشی آب جمع شده در پشت یک سد نیروی هیدرو الکتریک پیدا کرد.
انرژی جنبشی عبارت است از آن انرژی است که یک شیء، به دلیل آنکه در حال حرکت است، داراست. اشیای متحرک، از الکترون نامرئی که حول هسته اتم در گردش است گرفته تا یک ستاره بزرگ در مسیر خویش در پهنه گیتی، همگی به نسبت جرم و سرعتشان دارای انرژی جنبشی هستند.
تمام شکلهای انرژی را می توان تقریبا به دو نوع تقسیم کرد : انرژی درجه بالا و انرژی درجه پایین. انرژی الکتریکی به لحاظ آنکه می تواند به راحتی به شکلهای مفید دیگری تبدیل یابد، از نوع انرژی درجه بالا محسوب می شود. تبدیل گرما در دمای پایین به هر نوع دیگری از انرژی، به دشواری انجام می گیرد. به همین دلیل، انرژی گرمایی را معمولا از نوع درجه پایین توصیف می کنند.
قسمت اعظم انرژی ما به نحوی از خورشید تأمین می شود. انرژی خورشید، این امکان را به گیاهان می دهد تا غذای مورد نیاز انسان و حیوانات را تولید کنند. انرژی خورشید در زغال سنگ، چوب و نفت ذخیره شده است. انسان این مواد را می سوزاند تا انرژی حاصل از آنها برایش کار انجام دهد. رشد و تکامل انسان، رابطه نزدیکی با کشف منابع جدید انرژی از سوی وی دارد.
سوختها
سوخت منبعی از انرژی پتانسیل است که به آسانی می تواندبه گرما تبدیل شود. یک سوخت مطلوب همچنین باید ایمن و ارزان باشد و آلودگی ایجاد نکند. از گاز تولید شده در باتلاق گرفته تا پشکل شتر، انسان همواره در زمینه انتخاب سوخت مورد نیازش برخوردی مبتکرانه داشته است. اما هیچ یک از سوختهایی که تا کنون شناخته شده است واجد شرایط بالا نبوده است. امروزه زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی از منابع مهم انرژی محسوب می شوند، اما هنوز تا سوختهای مطلوب فاصله زیادی دارند. نکته قابل توجه در مورد این سوختهای طبیعی، صرف نظر از اینکه به صورت جامد، مایع و گاز باشند، این است که قابلیت بازیافت ندارند، یعنی پس از آنکه مصرف شدند امکان بازیافت و جانشین کردن موجودی آنها وجود ندارد.
انرژی هسته ای، جدیدترین و بالقوه خطرناک ترین سوختی است که انسان به وجود آن پی برده است. این انرژی، حاصل نیروهای نگهدارنده اجرام متراکم در هسته اتم است که انسان در صدد کنترل و استفاده از آن است.
نوع دیگری از سوخت به وسیله گلوگز که از خانواده کربو هیدراتهاست به دست می آید. این ماده به عنوان یک منبع انرژی برای سلولهای بدن عمل می کند و شاید تنها سوختی است که بدون آن، انسان قادر نیست مدت زیادی زنده بماند.
پیلهای خورشیدی
باتریهای متشکل از پیلهای خورشیدی می توانند هر یک از دو نور مستقیم یا پخش شده خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این فرایند(تبدیل نور- ولتی یا تبدیل فتو ولتائیک)آنچنان که آزمایشهای انجام شده اخیر با پیلهای خورشیدی در قطب جنوب نشان داده است به گرما بستگی ندارد.
از نیمه هادیها می توان برای تبدیل مستقیم انرژی نوری به انرژی الکتریکی استفاده کرد. سولفید کادمیوم (Cds) و سیاسیوم (Si) رایج ترین نیمه هادیها هستند. سلولهای سولفید کادمیوم پایداری کمتری دارند اما تولید آن ارزانتر است. در حال حاضر استفاده از باتریهای خورشیدی برای نیروگاههای بزرگ، بسیار گران تمام می شود. از باتریهای با انباره شیمیایی غالبا به عنوان یک عامل تضمینی در کنار سیستمهای خورشیدی استفاده می شود. انرژی اضافی که در روزهای آفتابی به دست می اید برای روزهای ابری که نور مستقیم خورشید کم است ذخیره می گردد .
نیروی آب
یکی از مؤثرترین اقداماتی که در مهندسی نوین امروزی انجام گرفته است، احداث سدهای عظیم هیدرو الکتریک است. اگر زمانی آسابهای آبی با استفاده از چرخها و دندانه ها انرژی جنبشی آب جاری ریزنده به پایین را به انرژی مکانیکی تبدیل می کردند، اکنون نیروگاههای هیدرو الکتریک، توربینها را به کار می گیرند تا همان انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.
نیروی هیدرو الکتریک
سدهای هیدرو الکتریک بر اساس لین اصل ساده کار می کنند که هر چه فاصله عمودی بین آب ذخیره شده در پشت سد و توربینهای نصب شده در پایه سد بیشتر باشد نیروی بیشتری می توان تولید کرد.
گرچه انرژی هیدرو الکتریک، هم قابل بازیافت است و هم باعث آلودگی هوا نمی شود، لیکن استفاده از سدها برای جمع آوری آب، ممکن است باعث سیلابی شدن مناطق وسیعی از زمینهای مفید گردد. اکثر کشورهای صنعتی، نیروگاههای هیدرو الکتریک خود را در نقاط نسبتا مساعدتری بر پا داشته اند. به عنوان مثال، کانادا نزدیک به 75 درصد از انرژی الکتریکی خود را با نیروی هیدرو الکتریک تأمین می کند. متأسفانه نقاط مساعد برای تأسیس این گونه نیروگاهها غالبا در نواحی سخت و غیر قابل دسترس قرار دارند و همین امر، مشکل بالا بودن هزینه های سرمایه ای را برای ساخت چنین سدهایی تشدید می کند.
یکی از جنبه های مهم این نیروگاهها با سدهای مرتفعی که دارند، ظرفیت آنها برای ذخیره سازی انرژی است. در اوقاتی که مصرف، کمتر از حداکثر است می توان از برق تولید شده اضافی برای تلمبه کردن آب از سطوح پائین تر به سمت توربینها و بالای مخزن آب استفاده کرد. به این ترتیب، انرژی پتانسیل به دست آمده توسط آب می تواند بعدا به هنگام بالا رفتن تقاضا، به انرژی الکتریکی تبدیل شود. این شیوه را ذخیره ساری تلمبه شده می خوانند.
انرژی جزر و مدی
در قرن دوازدهم میلادی آسیابهای آبی در استان بریتانیایی فرانسه به وسیله جریانهای آبهای جزر و مدی کار می کردند و امروز کشور فرانسه هنوز در زمینه استفاده از انرژی جزر و مدی نقشی پیشرو در جهان دارد. طرح رانس ریور در نزدیکی سنت مالو با ظرفیت تولیدی 240000
کیلو وات به کمک 24 توربین، بزرگ ترین نیروگاه جزر و مدی در جهان به شمار می رود. مولدهای این نیروگاه به وسیله آبهای جزر و مدی که روزی دو بار به مدخل نیروگاه رانس وارد و از آن خارج می شود کار می کنند. ارتفاع سطح آب در مدخل به میزان 10متر تغییر می کند. مولدها همچنین طی مدتی که جزر و مد در خفیف ترین حالت خود قرار دارد برای افزایش جریان جزر و مدی به داخل آبگیر سد، به عنوان تلمبه عمل می کنند. چنانچه با این روش، مخزن آب بیش از اندازه پر شود، می توان آب اضافی را ذخیره کرد تا بعدا به هنگام حداکثر تقاضا آزاد و برای تولید برق به کار گرفته شود.
در حال حاضر، چند کشور دیگر نیز مشغول مطالعه پیرامون امکان تأسیس چنین نیروگاههایی هستند. هزینه های سرمایه ای برای ساخت این گونه نیروکاهها بسیار زیاد و تعداد جاهای مناسب برای چنین کاری محدود است.
کمبود منابع سوختی، ممکن است روی گرایش جدیدی در انسان برای استفاده تجاری از کشتیهای دریانورد ایجاد کند. اما اهمیت واقعی نیروی باد در گرو توسعه دستگاههای ساکنی است که می توان از آنها برای تبدیل انرژی باد به برق استفاده کرد. در دوران گذشته، تمامی ابزار مکانیکی برای بهره برداری از انرژی باد، در آسیابهای بادی خلاصه می شد، اما امروز این امر تا به آنجا پیش رفته است که استفاده از واژه مولد هوایی(آئر وژنراتور) امری متداول شده است.
استفاده از انرژی زمین گرمایی
بهره گیری از انرژی زمین گرمایی به منظور گرمایش، حداقل به دوران حمامهای رم باستان بر می گردد. تعدادی از این حمامها هنوز محفوظ و پا بر جا نگاه داشته شده اند و قادر به کار کردن هستند. با این حال، برای بهره برداری گسترده از این پدیده باید در انتظار تکامل تکنولوژی قرن بیستم باشیم.
ایسلند در بهره برداری از آتشفشانها، آبفشانها و چشمه های آب گرم خود حرکت وسیعی داشته است. طرحهای گرمایش ناحیه ای به روش زمین گرمایی تقریبا تمامی گرمای مورد نیاز ریک یاویک پایتخت این کشور را تأمین می کند. جلوگیری ازتلفات گرمایی در لوله های آب گرم که انرژی را از نیروگاه حمل می کنند، هم دشوار و هم پر هزینه است. به همین دلیل، گرمایش ناحیه ای به روش زمین گرمایی در مناطقی که دور از منابع زمین گرمایی هستند امکان پذیر نیست.
انرژی و انسان
مقدار انرژی که از مقدار معینی غذا بدست می آید برحسب کیلو ژول (KJ) اندازه گیری می شود. بسیاری از کسانی که برنامه غذایی خاصی برای لاغر شدن دارند هنوز از واحد دیگری که اکنون منسوخ گردیده است یعنی کالری استفاده می کنند. یک کالری، معادل 2/4 کیلو ژول (42000 ژول ) است.
یک مرد که مقدار فعالیت او در حد متعادلی است به طور متوسط روزانه به 12000 تا 12500 کیلو ژول انرژی نیاز دارد. مقدار نیاز روزانه یک زن به انرژی به مراتب کمتر از این مقدار، یعنی 9000 تا 9500 کیلو ژول است. همچنین یک پیر نوجوان (بین 13 تا 19 سال) به 11500 تا 12000 کیلو ژول و یک دختر نوجوان به 95000 تا 10000 کیلو ژول انرژی در روز نیاز دارد.
اکثر غذاهایی که ما می خوریم ترکیبهای پیچیده ای از کربو هیدراتها، چبیها، پروتئینها، ویتامینها، مواد معدنی و البته آب هستند.
کربو هیدراتها نظیر قند یا نشاسته منابع اصلی انرژی بدن هستند. شکلات، میوه های شیرین و تافی (آب نبات) از غذاهای قند دار به شمار می روند. حال آنکه نان، سیب زمینی و ماکارونی همگی دارای مقادیر زیادی نشاسته هستند.
معدنکاوی برای دستیابی به سوختها
تنها را مطمئن برای پی بردن به وجود ذخایر سوخت زیر زمینی با ارزش در یک منطقه این است که زمین آنجا را سوراخ یا حفاری کنیم و ببینیم چه رخ می دهد. در آن روزهای نخستین که مسئله نفت در امریکا سرو صدایی به پا کرده بود معدنکاوان، همه چیز خود را بر سر این چاهها سرمایه گذاری می کردند و اغلب نا موفق بودند و یا موفقیت نا چیزی به دست می آوردند. امروزه، قبل از آنکه عملیات حفاری شروع شود مطالعات دقیقی از نظر زمین شناسی انجام می گیرد.
روشهای ردیابی و کشف
در یک مطالعه زمین شناختی، نقشه مناطق وسیعی با استفاده از عکسبرداری هوایی با سرعت و دقت ترسیم می شود. زمین شناس، اغلب با استفاده از این نقشه می تواند اطلاعات فراوانی پیرامون تشکلهای سنگی زیر زمین استنتاج کند. با جمع آوری فسیلها و نمونه سنگها از نقاط برگزیده، زمین شناس می تواند هم عمر و هم نوع سنگ را روی نقشه نشان دهد.
داستان زغال سنگ با دوره کربونیفر با عصر زغال خیز و در حدود 300 میلیون سال قبل از اینکه انسان برای نخستین بار پا روی زمین بگذارد شروع می شود. در طول این دوره، زمین از جنگلهای متراکم، مردابها، رودخانه ها و انبوه گیاهان پوشیده شده بود. به تدریج یک پوشش ضخیم از مواد گیاهی مرده تشکیل گردید که بعدا فاسد و پوسیده شد و در آبهای اسیدی مردابهای اطاف غوطه ور شد. یک ذخیره محدود اکسیژن، از تهاجم باکتریها و تجزیه کامل مواد گیاهی غوطه ور جلوگیری می کرد. به تدریج و با گذشت میلیونها سال، مواد گیاهی مرده در اثر فشار هزاران هزار تن زمین و سنگهای آن، فشرده و متراکم شدند و شکل جدیئی پیدا کردند.
با افزایش دما و فشار، مواد گیاهی مرده به شکل تورب(زغال سنگ نارس) در آمد. تورب به لینیت (زغال سنگ قهوه ای) تبدیل شد و لینیت نیز به زغال سنگ قیر دار و این نیز در نهایت به آنتراسیت (زغال سنگ خشک و خالص) تبدیل گردید. به طور کلی، هرچه دما و فشار بیشتر باشد در صد کربن خالص موجود در زغال سنگ بالاتر خواهد بود. به طور تقریب، 60 درصد تورب را کربن تشکیل می دهد و ارزش انرژی آن در هر کیلو گرم 14 مگا ژول است، حال آنکه آنتراسیت، 94 درصد کربن و بیش از 30 مگا ژول ارزش انرژی در هر کیلو گرم دارد.
استخراج زغال سنگ
معدن زغال سنگ به دو نوع روباز و چاهی وجود دارد. استخراج روباز برای لایه های سطحی زغال سنگ مناسب است. در این حالت ، خاک و سنگ به سادگی به صورت یک باریکه بر روی سطح بالایی زمین قرار گرفته اند و دسترسی به زغال سنگ به راحتی صورت می گیرد. اگر لایه های زغال سنگ در عمق بیشتری از زمین قرار داشته باشد از استخراج چاهی استفاده می شود. اکنون مجموعه گسترده و عظیمی گسترده و عظیمی از ماشین آلات در اختیار معدنچیان است که آنان را در انجام دادن وظایف دشوارشان یاری می دهد. دستگاههای حفاری غول آسا، رخ زغال سنگ را می شکافند و توده های عظیم زغال سنگ را در تسمه انتقال که در پشت آنها قار دارد می ریزند. با پیشروی دستگاه برش، نگهدارنده های هیدرولیکی فرو رفته در زمین، از ریزش سقف جلوگیری می کنند. قدرت این نگهدارنده ها متناسب با باری است که باید تحمل کنند، به طور خودکار تنظیم می شود.