8.6: مصادر الطاقة
- Page ID
- 200056
- وصف تحويلات الطاقة والتحويلات بعبارات عامة
- اشرح ما يعنيه أن يكون مصدر الطاقة متجددًا أو غير قابل للتجديد
في هذا القسم، درسنا الطاقة. لقد تعلمنا أن الطاقة يمكن أن تتخذ أشكالًا مختلفة ويمكن نقلها من شكل إلى آخر. ستجد أن الطاقة تتم مناقشتها في العديد من السياقات اليومية، وكذلك العلمية، لأنها تشارك في جميع العمليات الفيزيائية. سيصبح من الواضح أيضًا أن العديد من المواقف يتم فهمها بشكل أفضل، أو تصورها بسهولة، من خلال النظر في الطاقة. حتى الآن، لم تتناقض أي نتائج تجريبية مع الحفاظ على الطاقة. في الواقع، عندما يبدو أن القياسات تتعارض مع الحفاظ على الطاقة، تم اكتشاف أشكال جديدة من الطاقة أو التعرف عليها وفقًا لهذا المبدأ.
ما هي بعض أشكال الطاقة الأخرى؟ تمت تغطية العديد من هذه الأمور في فصول لاحقة (انظر أيضًا الشكل\(\PageIndex{1}\))، ولكن دعنا نفصل بعضها هنا:
- تكون الذرات والجزيئات داخل جميع الكائنات في حركة عشوائية. تسمى الطاقة الحركية الداخلية من هذه الحركات العشوائية الطاقة الحرارية، لأنها مرتبطة بدرجة حرارة الجسم. لاحظ أنه يمكن أيضًا نقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر، وليس تحويلها أو تحويلها، من خلال العمليات المألوفة للتوصيل والحمل الحراري والإشعاع. في هذه الحالة، تُعرف الطاقة بالطاقة الحرارية.
- الطاقة الكهربائية هي شكل شائع يتم تحويله إلى العديد من الأشكال الأخرى ويعمل في مجموعة واسعة من المواقف العملية.
- يحتوي الوقود، مثل البنزين والغذاء، على طاقة كيميائية، وهي طاقة محتملة تنشأ عن تركيبتها الجزيئية. يمكن تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية من خلال تفاعلات مثل الأكسدة. يمكن أن تنتج التفاعلات الكيميائية أيضًا طاقة كهربائية، كما هو الحال في البطاريات. يمكن للطاقة الكهربائية بدورها إنتاج الطاقة الحرارية والضوء، كما هو الحال في السخان الكهربائي أو المصباح الكهربائي.
- الضوء هو مجرد نوع واحد من الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو الطاقة المشعة، والتي تشمل أيضًا الراديو والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما. يمكن لجميع الأجسام ذات الطاقة الحرارية أن تشع الطاقة في الموجات الكهرومغناطيسية.
- تأتي الطاقة النووية من التفاعلات والعمليات التي تحول كميات قابلة للقياس من الكتلة إلى طاقة. يتم تحويل الطاقة النووية إلى طاقة مشعة في الشمس، إلى طاقة حرارية في غلايات محطات الطاقة النووية، ثم إلى طاقة كهربائية في مولدات محطات الطاقة. يمكن تحويل هذه الأشكال وجميع أشكال الطاقة الأخرى إلى بعضها البعض، وإلى درجة معينة، يمكن تحويلها إلى أعمال ميكانيكية.
يحدث تحويل الطاقة من شكل إلى آخر طوال الوقت. يتم تحويل الطاقة الكيميائية في الغذاء إلى طاقة حرارية من خلال التمثيل الغذائي؛ يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية من خلال التمثيل الضوئي. مثال آخر لتحويل الطاقة يحدث في الخلايا الشمسية. ينتج ضوء الشمس الذي يؤثر على الخلايا الشمسية الكهرباء، والتي يمكن استخدامها لتشغيل المحركات الكهربائية أو تسخين المياه. في مثال يشمل العديد من الخطوات، يتم تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الفحم إلى طاقة حرارية أثناء حرقها في الفرن، لتحويل الماء إلى بخار، في غلاية. يتم بعد ذلك تحويل بعض الطاقة الحرارية في البخار إلى طاقة ميكانيكية أثناء توسع التوربين وتدويره، والذي يتم توصيله بمولد لإنتاج الطاقة الكهربائية. في هذه الأمثلة، لا يتم تحويل كل الطاقة الأولية إلى الأشكال المذكورة، لأن بعض الطاقة يتم نقلها دائمًا إلى البيئة.
الطاقة عنصر مهم على جميع مستويات المجتمع. نحن نعيش في عالم مترابط للغاية، والحصول على موارد الطاقة الكافية والموثوقة أمر بالغ الأهمية للنمو الاقتصادي وللحفاظ على نوعية حياتنا. موارد الطاقة الرئيسية المستخدمة في العالم موضحة في الشكل\(\PageIndex{2}\). يميز الشكل بين نوعين رئيسيين من مصادر الطاقة: المتجددة وغير المتجددة، ويقسم كل نوع إلى بضعة أنواع أكثر تحديدًا. المصادر المتجددة هي مصادر الطاقة التي يتم تجديدها من خلال العمليات المستمرة التي تحدث بشكل طبيعي، على نطاق زمني أقصر بكثير من العمر المتوقع للحضارة باستخدام المصدر. يتم استنفاد المصادر غير المتجددة بمجرد استخراج بعض الطاقة التي تحتويها وتحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة. عادةً ما تتم العمليات الطبيعية التي تتكون من خلالها المصادر غير المتجددة على مقاييس زمنية جيولوجية.
إن أهم مصادر الطاقة غير المتجددة لدينا هي الوقود الأحفوري، مثل الفحم والبترول والغاز الطبيعي. تمثل هذه حوالي 81٪ من استهلاك الطاقة في العالم، كما هو موضح في الشكل. ينتج عن حرق الوقود الأحفوري تفاعلات كيميائية تحول الطاقة الكامنة، في الهياكل الجزيئية للمواد المتفاعلة، إلى طاقة ومنتجات حرارية. يمكن استخدام هذه الطاقة الحرارية لتدفئة المباني أو لتشغيل الآلات التي تعمل بالبخار. تعمل محركات الاحتراق الداخلي والمحركات النفاثة على تحويل بعض طاقة الغازات سريعة التوسع، المنبعثة من حرق البنزين، إلى أعمال ميكانيكية. يُستمد توليد الطاقة الكهربائية في الغالب من نقل الطاقة في البخار المتوسع، عبر التوربينات، إلى الأعمال الميكانيكية، التي تقوم بتدوير لفائف الأسلاك في المجالات المغناطيسية لتوليد الكهرباء. الطاقة النووية هي المصدر الآخر غير المتجدد الموضح في الشكل\(\PageIndex{2}\) وتوفر حوالي 3٪ من الاستهلاك العالمي. تطلق التفاعلات النووية الطاقة عن طريق تحويل الطاقة الكامنة، في بنية النواة، إلى طاقة حرارية، مماثلة لإطلاق الطاقة في التفاعلات الكيميائية. يمكن نقل الطاقة الحرارية التي يتم الحصول عليها من التفاعلات النووية وتحويلها إلى أشكال أخرى بنفس الطرق التي تستخدم بها الطاقة من الوقود الأحفوري.
من النتائج الثانوية المؤسفة للاعتماد على الطاقة المنتجة من احتراق الوقود الأحفوري إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ومساهمته في ظاهرة الاحتباس الحراري. وتطرح الطاقة النووية مشاكل بيئية أيضا، بما في ذلك سلامة النفايات النووية والتخلص منها. إلى جانب هذه العواقب الهامة، فإن احتياطيات مصادر الطاقة غير المتجددة محدودة، وبالنظر إلى معدل النمو السريع لاستهلاك الطاقة العالمي، قد لا تستمر لأكثر من بضع مئات من السنين. تُبذل جهود كبيرة لتطوير وتوسيع استخدام مصادر الطاقة المتجددة، بإشراك نسبة كبيرة من علماء الفيزياء والمهندسين في العالم.
تتضمن أربعة من مصادر الطاقة المتجددة المدرجة في الشكل\(\PageIndex{2}\) - تلك التي تستخدم مواد من النباتات كوقود (حرارة الكتلة الحيوية والإيثانول والديزل الحيوي وكهرباء الكتلة الحيوية) - نفس أنواع تحويلات الطاقة والتحويلات كما تمت مناقشته للتو للوقود الأحفوري والنووي. الأنواع الرئيسية الأخرى من مصادر الطاقة المتجددة هي الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية.
يتم إنتاج الطاقة الكهرومائية عن طريق تحويل طاقة الجاذبية الكامنة للمياه المتساقطة أو المتدفقة إلى طاقة حركية ثم إلى العمل لتشغيل المولدات الكهربائية أو الآلات. يجري تطوير تحويل الطاقة الميكانيكية في موجات سطح المحيط والمد والجزر. تعمل طاقة الرياح أيضًا على تحويل الطاقة الحركية إلى عمل، والذي يمكن استخدامه مباشرة لتوليد الكهرباء وتشغيل المطاحن ودفع المراكب الشراعية.
يحتوي الجزء الداخلي من الأرض على قدر كبير من الطاقة الحرارية، التي يتبقى جزء منها من تكوينها الأصلي (طاقة الجاذبية الكامنة المحولة إلى طاقة حرارية) ويتم إطلاق جزء منها من المعادن المشعة (شكل من أشكال الطاقة النووية الطبيعية). سوف يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى تتسرب هذه الطاقة الحرارية الأرضية إلى الفضاء، لذلك يعتبرها الناس عمومًا مصدرًا متجددًا، في حين أنها في الواقع لا تنضب على المقاييس الزمنية البشرية.
مصدر الطاقة الشمسية هو الطاقة التي تحملها الموجات الكهرومغناطيسية التي تشعها الشمس. يتم نقل معظم هذه الطاقة عن طريق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء (الحرارة). عندما تمتص المواد المناسبة الموجات الكهرومغناطيسية، يتم تحويل الطاقة المشعة إلى طاقة حرارية، والتي يمكن استخدامها لتسخين المياه، أو عند تركيزها، لصنع البخار وتوليد الكهرباء (الشكل\(\PageIndex{3}\)). ومع ذلك، في عملية فيزيائية مهمة أخرى، تُعرف باسم التأثير الكهروضوئي، يتم تحويل الإشعاع النشط الذي يؤثر على مواد معينة مباشرة إلى كهرباء. المواد التي تقوم بذلك تسمى الخلايا الكهروضوئية (PV في الشكل\(\PageIndex{2}\)). تستخدم بعض أنظمة الطاقة الشمسية العدسات أو المرايا لتركيز أشعة الشمس، قبل تحويل طاقتها من خلال الخلايا الكهروضوئية، وهي مؤهلة كـ CSP في الشكل\(\PageIndex{2}\).
عند الانتهاء من هذا الفصل عن الطاقة والعمل، من المناسب رسم بعض الفروق بين مصطلحين يساء فهمهما أحيانًا في مجال استخدام الطاقة. كما ذكرنا سابقًا، فإن «قانون الحفاظ على الطاقة» هو مبدأ مفيد جدًا في تحليل العمليات الفيزيائية. لا يمكن إثباته من المبادئ الأساسية ولكنه جهاز جيد جدًا لمسك الدفاتر، ولم يتم العثور على أي استثناءات على الإطلاق. تنص على أن الكمية الإجمالية للطاقة في النظام المعزول تظل دائمًا ثابتة. ترتبط بهذا المبدأ، ولكنها تختلف عنه بشكل ملحوظ، الفلسفة المهمة للحفاظ على الطاقة. يتعلق هذا المفهوم بالسعي إلى تقليل كمية الطاقة المستخدمة من قبل فرد أو مجموعة من خلال تقليل الأنشطة (على سبيل المثال، خفض الحرارة، والغوص لمسافة أقل من الكيلومترات) و/أو زيادة كفاءة التحويل في أداء مهمة معينة، مثل تطوير واستخدام المزيد من الكفاءة سخانات الغرف، والسيارات التي تتمتع بمعدلات أميال أكبر لكل جالون، ومصابيح الفلورسنت المدمجة الموفرة للطاقة، وما إلى ذلك.
نظرًا لأن الطاقة في نظام معزول لا يتم تدميرها أو إنشاؤها أو توليدها، فقد تتساءل لماذا نحتاج إلى القلق بشأن موارد الطاقة لدينا، لأن الطاقة هي كمية محفوظة. تكمن المشكلة في أن النتيجة النهائية لمعظم تحويلات الطاقة هي الحرارة المهدرة، أي العمل الذي «تدهور» في تحويل الطاقة. سنناقش هذه الفكرة بمزيد من التفصيل في الفصول الخاصة بالديناميكا الحرارية.