16.1: مصادر أشعة الشمس - الطاقة الحرارية والجذبية
- Page ID
- 197070
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- تحديد أشكال مختلفة من الطاقة
- فهم قانون الحفاظ على الطاقة
- شرح الطرق التي يمكن بها تحويل الطاقة
تعد الطاقة مفهومًا صعبًا لفهمه لأنه موجود في العديد من الأشكال المختلفة التي تتحدى أي تفسير بسيط. في العديد من النواحي، فإن فهم الطاقة يشبه فهم الثروة: هناك أشكال مختلفة جدًا من الثروة وتتبع قواعد مختلفة، اعتمادًا على ما إذا كانت سوق الأوراق المالية، أو العقارات، أو مجموعة من الكتب المصورة القديمة، أو أكوام كبيرة من النقود، أو إحدى الطرق العديدة الأخرى لكسب المال وخسارته. من الأسهل مناقشة شكل أو اثنين من أشكال الثروة - أو الطاقة - بدلاً من مناقشة هذا المفهوم بشكل عام.
عند السعي لفهم كيف يمكن للشمس أن تطفئ الكثير من الطاقة لفترة طويلة، نظر العلماء في العديد من أنواع الطاقة المختلفة. عرف علماء القرن التاسع عشر مصدرين محتملين لطاقة الشمس: الطاقة الكيميائية وطاقة الجاذبية. كان مصدر الطاقة الكيميائية الأكثر شيوعًا بالنسبة لهم هو حرق (المصطلح الكيميائي هو الأكسدة) للخشب أو الفحم أو البنزين أو أي وقود آخر. نحن نعلم بالضبط مقدار الطاقة التي يمكن أن ينتجها حرق هذه المواد. وهكذا يمكننا حساب أنه حتى لو كانت الكتلة الهائلة للشمس تتكون من مادة قابلة للاحتراق مثل الفحم أو الخشب، فإن نجمنا لم يتمكن من إنتاج الطاقة بمعدلها الحالي لأكثر من بضعة آلاف من السنين. ومع ذلك، نعلم من الأدلة الجيولوجية أن الماء كان موجودًا على سطح الأرض منذ ما يقرب من 4 مليارات سنة، لذلك لا بد أن الشمس كانت مشرقة بشكل ساطع (وتجعل الأرض دافئة) على الأقل طالما كان ذلك. اليوم، نعلم أيضًا أنه في درجات الحرارة الموجودة في الشمس، لا يمكن لأي شيء مثل الخشب الصلب أو الفحم أن يعيش.
ما هو واط؟
مجرد كلمة عن الوحدات التي نستخدمها. الواط (W) هو وحدة الطاقة، وهي الطاقة المستخدمة أو المنبعثة لكل وحدة زمنية. يتم قياسه بالجول في الثانية (J/s). أنت تعلم من تجربتك اليومية أن الأمر لا يتعلق فقط بكمية الطاقة التي تنفقها، ولكن المدة التي تستغرقها للقيام بذلك. (يتطلب حرق 10 سعرات حرارية في 10 دقائق نوعًا مختلفًا تمامًا من التمارين عن حرق تلك السعرات الحرارية العشرة في الساعة.) يخبرك الواط بمعدل استخدام الطاقة؛ على سبيل المثال، تستخدم لمبة 100 واط 100 جول (J) من الطاقة كل ثانية.
وما هو حجم الجول؟ تبلغ طاقة حركة مدرب علم الفلك الذي يبلغ وزنه 73 كيلوغرامًا (160 رطلاً) والذي يعمل بسرعة حوالي 4.4 متر في الثانية (10 أميال في الساعة) بسبب تأخره عن الفصل الدراسي حوالي 700 جول.
الحفاظ على الطاقة
استخدمت محاولات القرن التاسع عشر الأخرى لتحديد ما يجعل الشمس تشرق قانون الحفاظ على الطاقة. ببساطة، ينص هذا القانون على أنه لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها، ولكن يمكن تحويلها من نوع إلى آخر، مثل الحرارة إلى الطاقة الميكانيكية. يقدم المحرك البخاري، الذي كان مفتاح الثورة الصناعية، مثالاً جيدًا. في هذا النوع من المحركات، يحرك البخار الساخن من الغلاية حركة المكبس، ويحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركة.
على العكس من ذلك، يمكن تحويل الحركة إلى حرارة. إذا صفقت بيديك بقوة في نهاية محاضرة جيدة في علم الفلك، ستصبح راحة يدك أكثر سخونة. إذا قمت بفرك الثلج على سطح الطاولة، فإن الحرارة الناتجة عن الاحتكاك تعمل على إذابة الثلج. تستخدم الفرامل في السيارات الاحتكاك لتقليل السرعة، وفي هذه العملية، تحويل طاقة الحركة إلى طاقة حرارية. هذا هو السبب في أن الفرامل يمكن أن تكون ساخنة جدًا بعد إيقاف السيارة؛ وهذا يفسر أيضًا سبب ارتفاع درجة حرارة الفرامل عند استخدامها بلا مبالاة أثناء النزول على الطرق الجبلية الطويلة.
في القرن التاسع عشر، اعتقد العلماء أن مصدر حرارة الشمس قد يكون الحركة الميكانيكية للنيازك التي تسقط فيها. ومع ذلك، أظهرت حساباتهم أنه من أجل إنتاج الكمية الإجمالية من الطاقة المنبعثة من الشمس، فإن الكتلة في النيازك التي يجب أن تسقط في الشمس كل 100 عام ستساوي كتلة الأرض. ستؤدي الزيادة الناتجة في كتلة الشمس، وفقًا لقانون كيبلر الثالث، إلى تغيير فترة مدار الأرض بمقدار ثانيتين في السنة. ومن شأن هذا التغيير أن يكون قابلاً للقياس بسهولة ولم يحدث في الواقع. يمكن للعلماء بعد ذلك دحض هذا كمصدر لطاقة الشمس.
تقلص الجاذبية كمصدر للطاقة
اقترح الفيزيائي البريطاني لورد كيلفن والعالم الألماني هيرمان فون هيلمهولتز (الشكل\(\PageIndex{1}\)) تفسيرًا بديلًا، في منتصف القرن التاسع عشر تقريبًا، أن الشمس قد تنتج الطاقة عن طريق تحويل طاقة الجاذبية إلى حرارة. وأشاروا إلى أن الطبقات الخارجية للشمس قد «تسقط» إلى الداخل بسبب قوة الجاذبية. بعبارة أخرى، اقترحوا أن الشمس يمكن أن تتقلص في الحجم، وتبقى ساخنة ومشرقة نتيجة لذلك.
لتخيل ما سيحدث إذا كانت هذه الفرضية صحيحة، تخيل الطبقة الخارجية للشمس وهي تبدأ في السقوط إلى الداخل. هذه الطبقة الخارجية عبارة عن غاز يتكون من ذرات فردية، تتحرك جميعها في اتجاهات عشوائية. إذا سقطت طبقة إلى الداخل، تكتسب الذرات سرعة إضافية بسبب حركة السقوط. عندما تسقط الطبقة الخارجية إلى الداخل، فإنها تتقلص أيضًا، مما يؤدي إلى تقريب الذرات من بعضها البعض. تزداد احتمالية حدوث التصادمات، وينقل بعضها السرعة الإضافية المرتبطة بحركة السقوط إلى ذرات أخرى. وهذا بدوره يزيد من سرعات تلك الذرات. درجة حرارة الغاز هي مقياس للطاقة الحركية (الحركة) للذرات الموجودة بداخله؛ وبالتالي، تزداد درجة حرارة هذه الطبقة من الشمس. تؤدي التصادمات أيضًا إلى إثارة الإلكترونات داخل الذرات إلى مدارات ذات طاقة أعلى. عندما تعود هذه الإلكترونات إلى مداراتها الطبيعية، فإنها تصدر فوتونات يمكنها بعد ذلك الهروب من الشمس (انظر الإشعاع والأطياف).
حسب كلفن وهيلمهولتز أن تقلص الشمس بمعدل حوالي 40 مترًا فقط في السنة سيكون كافيًا لإنتاج كمية الطاقة التي تشعها الآن. على مدى التاريخ البشري، لن يكون الانخفاض في حجم الشمس بسبب هذا الانكماش البطيء قابلاً للاكتشاف.
إذا افترضنا أن الشمس بدأت حياتها كسحابة كبيرة ومنتشرة من الغاز، فيمكننا حساب مقدار الطاقة التي أشعتها الشمس طوال حياتها حيث تقلصت من قطر كبير جدًا إلى حجمها الحالي. كمية الطاقة في حدود 10 42 جول. نظرًا لأن اللمعان الشمسي هو 4 × 10 26 واط (جول/ثانية) أو حوالي 10 34 جول في السنة، فإن الانكماش يمكن أن يحافظ على سطوع الشمس بمعدلها الحالي لما يقرب من 100 مليون سنة.
في القرن التاسع عشر، بدت 100 مليون سنة في البداية طويلة بما يكفي، حيث كان يُعتقد آنذاك على نطاق واسع أن الأرض أصغر من ذلك بكثير. ولكن في نهاية ذلك القرن وحتى القرن العشرين، أظهر الجيولوجيون والفيزيائيون أن الأرض (وبالتالي الشمس) هي في الواقع أقدم بكثير. لذلك لا يمكن أن يكون الانكماش هو المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية (على الرغم من أنه، كما سنرى في ولادة النجوم واكتشاف الكواكب خارج النظام الشمسي، يعد الانكماش مصدرًا مهمًا للطاقة لفترة من الوقت في النجوم التي ولدت للتو). وهكذا واجه العلماء أحجية ذات أبعاد هائلة. إما أن نوعًا غير معروف من الطاقة كان مسؤولاً عن أهم مصدر للطاقة معروف للبشرية، أو كان لابد من تعديل تقديرات عمر النظام الشمسي (والحياة على الأرض) بشكل جدي. تشارلز داروين، الذي تطلبت نظرية التطور الخاصة به فترة زمنية أطول مما تسمح به نظريات الشمس، لم تشعر بالإحباط بسبب هذه النتائج واستمر في القلق بشأنها حتى وفاته في عام 1882.
لم يتم تحديد المصدر الحقيقي لطاقة الشمس إلا في القرن العشرين. كان الجزءان الرئيسيان من المعلومات المطلوبة لحل اللغز هما بنية نواة الذرة وحقيقة أن الكتلة يمكن تحويلها إلى طاقة.
المفاهيم الأساسية والملخص
تنتج الشمس كمية هائلة من الطاقة كل ثانية. نظرًا لأن عمر الأرض والنظام الشمسي يبلغ حوالي 4.5 مليار سنة، فهذا يعني أن الشمس تنتج كميات هائلة من الطاقة لفترة طويلة جدًا. لا يمكن للحرق الكيميائي أو تقلص الجاذبية حساب الكمية الإجمالية للطاقة التي تشعها الشمس طوال هذا الوقت.