8.6: Vyanzo vya Nishati

Last updated
Save as PDF

Page ID: 176990

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Eleza mabadiliko ya nishati na mabadiliko kwa ujumla
Eleza maana gani kwa chanzo cha nishati kuwa mbadala au kisichoweza kubadilishwa.

Katika sehemu hii, tumejifunza nishati. Tulijifunza kwamba nishati inaweza kuchukua aina tofauti na inaweza kuhamishwa kutoka fomu moja hadi nyingine. Utapata kwamba nishati inajadiliwa katika kila siku nyingi, pamoja na kisayansi, mazingira, kwa sababu inashiriki katika michakato yote ya kimwili. Pia itakuwa dhahiri kwamba hali nyingi zinaeleweka vizuri, au kwa urahisi zaidi, kwa kuzingatia nishati. Hadi sasa, hakuna matokeo ya majaribio yamepingana na uhifadhi wa nishati. Kwa kweli, wakati wowote vipimo vimeonekana kupingana na uhifadhi wa nishati, aina mpya za nishati zimegunduliwa au kutambuliwa kwa mujibu wa kanuni hii.

Aina nyingine za nishati ni nini? Wengi wa haya hufunikwa katika sura za baadaye (pia angalia Kielelezo\(\PageIndex{1}\)), lakini hebu tufafanue wachache hapa:

Atomi na molekuli ndani ya vitu vyote ni katika mwendo random. Nishati ya ndani ya kinetic kutoka kwa mwendo huu wa random inaitwa nishati ya joto, kwa sababu inahusiana na joto la kitu. Kumbuka kuwa nishati ya joto pia inaweza kuhamishwa kutoka sehemu moja hadi nyingine, sio kubadilishwa au kubadilishwa, na michakato ya kawaida ya uendeshaji, convection, na mionzi. Katika kesi hiyo, nishati inajulikana kama nishati ya joto.
Nishati ya umeme ni fomu ya kawaida ambayo inabadilishwa kwa aina nyingine nyingi na inafanya kazi katika hali mbalimbali za vitendo.
Mafuta, kama vile petroli na chakula, yana nishati ya kemikali, ambayo ni nishati inayoweza kutokea kutokana na muundo wao wa Masi. Nishati ya kemikali inaweza kubadilishwa kuwa nishati ya joto kwa athari kama oxidation. Athari za kemikali zinaweza pia kuzalisha nishati ya umeme, kama vile betri. Nishati ya umeme inaweza, kwa upande wake, kuzalisha nishati ya joto na mwanga, kama vile kwenye joto la umeme au bomba la mwanga.
Mwanga ni aina moja tu ya mionzi ya umeme, au nishati ya radiant, ambayo pia inajumuisha redio, infrared, ultraviolet, X-rays, na mionzi ya gamma. Miili yote yenye nishati ya joto inaweza kuangaza nishati katika mawimbi ya umeme.
Nishati ya nyuklia inatokana na athari na taratibu zinazobadilisha kiasi cha kupimika cha molekuli kuwa nishati. Nishati ya nyuklia inabadilishwa kuwa nishati ya jua katika jua, ndani ya nishati ya joto katika boilers ya mimea ya nyuklia, na kisha kuwa nishati ya umeme katika jenereta za mimea ya nguvu. Hizi na aina nyingine zote za nishati zinaweza kubadilishwa kwa kila mmoja na, kwa kiwango fulani, zinaweza kubadilishwa kuwa kazi ya mitambo.

Mifano ya matumizi ya aina mbalimbali za nishati huonyeshwa kupitia picha na mabadiliko kutoka kwa fomu moja hadi nyingine kupitia mishale. Picha ya jua inaonyesha nishati ya nyuklia. Fusion ya nyuklia inazalisha nishati katika jua, ambayo ni chanzo cha mwisho cha nishati zote duniani (angalia sura 43.) nishati ya nyuklia ya jua inaweza kubadilishwa kuwa nishati ya joto, radiant, umeme, au kemikali. Nishati ya joto inaonyeshwa na picha ya viwanda vya upepo. Upepo unatoka kutokana na mwendo wa hewa kama angahewa inajaribu kusawazisha joto duniani (angalia sura ya 18.) Nishati ya radiant inaonyeshwa na picha ya paneli za jua. Vifaa vingi vinachukua nishati ya radiant kama joto au umeme (tazama sura 18, 33, na 39.) Nishati ya umeme inaonyeshwa na picha ya kompyuta ya kompyuta ndogo. Nishati ya mitambo inazalisha umeme kwa kusonga kondakta kupitia shamba la magnetic (tazama sura ya 29.) Nishati ya kemikali inaonyeshwa na picha ya moto wa gesi. Kuungua ni oxidation ya misombo ya kaboni, kama katika inji (angalia sura ya 21.) Nishati ya joto na nishati ya umeme inaweza kubadilishwa kuwa nishati ya radiant au kemikali. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Nishati tunayotumia katika jamii inachukua aina nyingi, ambazo zinabadilishwa kutoka kwa moja hadi nyingine kulingana na mchakato unaohusika. Tutajifunza aina nyingi za nishati hizi katika sura za baadaye katika maandishi haya. (mikopo “jua”: EIT SOHO Consortium, ESA, NASA; mikopo “paneli za jua”: “kjkolb” /Wikimedia Commons; mikopo “gesi burner”: Steven Depolo)

Mabadiliko ya nishati kutoka kwa fomu moja hadi nyingine hutokea wakati wote. Nishati ya kemikali katika chakula hubadilishwa kuwa nishati ya joto kwa njia ya kimetaboliki; nishati ya mwanga hubadilishwa kuwa nishati ya kemikali kupitia usanisinuru. Mfano mwingine wa uongofu wa nishati hutokea katika kiini cha jua. Jua linaloathiri kiini cha jua hutoa umeme, ambayo inaweza kutumika kuendesha motors umeme au maji ya joto. Katika mfano unaozunguka hatua nyingi, nishati ya kemikali iliyo na makaa ya mawe inabadilishwa kuwa nishati ya joto kama inawaka katika tanuru, kubadilisha maji ndani ya mvuke, kwenye boiler. Baadhi ya nishati ya joto katika mvuke hubadilishwa kuwa nishati ya mitambo kama inapanua na kuzunguka turbine, ambayo inaunganishwa na jenereta ili kuzalisha nishati ya umeme. Katika mifano hii, sio nishati yote ya awali inabadilishwa kuwa fomu zilizotajwa, kwa sababu nishati fulani huhamishiwa kwenye mazingira.

Nishati ni kipengele muhimu katika ngazi zote za jamii. Tunaishi katika ulimwengu unaojitegemea sana, na upatikanaji wa rasilimali za kutosha na za kuaminika za nishati ni muhimu kwa ukuaji wa uchumi na kudumisha ubora wa maisha yetu. Rasilimali kuu za nishati zinazotumiwa ulimwenguni zinaonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Takwimu hufafanua kati ya aina mbili kuu za vyanzo vya nishati: mbadala na zisizo mbadala, na hugawanya zaidi kila aina katika aina chache zaidi maalum. Vyanzo vyenye mbadala ni vyanzo vya nishati ambavyo vinajazwa kwa njia ya kawaida, taratibu zinazoendelea, kwa kiwango cha muda ambacho ni mfupi sana kuliko maisha ya kutarajia ya ustaarabu kwa kutumia chanzo. Vyanzo visivyo na mbadala vimeharibika mara moja baadhi ya nishati wanayo nayo hutolewa na kugeuzwa kuwa aina nyingine za nishati. Michakato ya asili ambayo vyanzo visivyo na mbadala hutengenezwa kawaida hufanyika juu ya mizani ya wakati wa kijiolojia.

Takwimu hii inatoa chati za pie za jumla ya matumizi ya nishati duniani kwa chanzo mwaka 2010. Chati ya pai ya jumla ya matumizi ya nishati inaonyesha kuwa mafuta ya kisukuku huchangia asilimia 80.6, Renewables kwa asilimia 16.7, na nyuklia kwa asilimia 2.7. Chati ya pili ya pie huvunja vyanzo vyenye mbadala. Katika chati hii ya pai, joto la majani lina asilimia 11.44 ya vyanzo vyenye mbadala, maji ya moto ya jua kwa asilimia 0.17, joto la joto kwa asilimia 0.12, umeme wa maji kwa asilimia 3.34, ethanol kwa asilimia 0.50, biodiesel kwa asilimia 0.17, umeme wa majani kwa asilimia 0.28, nguvu ya upepo kwa asilimia 0.51, joto la mvuke umeme kwa asilimia 0.07, nishati ya jua P V kwa asilimia 0.06, nishati ya jua C S P kwa asilimia 0.002, na nguvu ya ocian kwa asilimia 0.001. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Matumizi ya nishati duniani kwa chanzo; asilimia ya renewables inaongezeka, uhasibu kwa 19% mwaka 2012.

Vyanzo vyetu muhimu zaidi vya nishati visivyo na mbadala ni fueli za mafuta, kama makaa ya mawe, mafuta ya petroli, na gesi asilia. Hizi akaunti kwa karibu 81% ya matumizi ya nishati duniani, kama inavyoonekana katika takwimu. Kuungua mafuta ya mafuta hujenga athari za kemikali zinazobadilisha nishati ya uwezo, katika miundo ya Masi ya reactants, kuwa nishati ya joto na bidhaa. Nishati hii ya joto inaweza kutumika kutengeneza majengo au kuendesha mashine inayotokana na mvuke. Mwako wa ndani na inji za ndege hubadilisha baadhi ya nishati ya gesi za kupanua haraka, iliyotolewa kutokana na kuchomwa petroli, katika kazi ya mitambo. Kizazi cha umeme cha umeme kinatokana na kuhamisha nishati katika kupanua mvuke, kupitia mitambo, kwenye kazi ya mitambo, ambayo huzunguka coils za waya katika nyanja za magnetic ili kuzalisha umeme. Nishati ya nyuklia ni nyingine zisizo mbadala chanzo inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\) na vifaa kuhusu 3% ya matumizi ya dunia. Athari za nyuklia hutoa nishati kwa kubadilisha nishati ya uwezo, katika muundo wa nuclei, katika nishati ya joto, sawa na kutolewa kwa nishati katika athari za kemikali. Nishati ya joto inayopatikana kutokana na athari za nyuklia inaweza kuhamishwa na kugeuzwa kuwa aina nyingine kwa njia zileile ambazo nishati kutoka kwa mafuta ya kisukuku hutumiwa.

Byproduct bahati mbaya ya kutegemea nishati zinazozalishwa kutokana na mwako wa mafuta ni kutolewa kwa dioksidi kaboni katika anga na mchango wake kwa ongezeko la joto duniani. Nishati ya nyuklia husababisha matatizo ya mazingira pia, ikiwa ni pamoja na usalama na utupaji wa taka za nyuklia. Mbali na matokeo haya muhimu, hifadhi ya vyanzo visivyo na mbadala vya nishati ni mdogo na, kutokana na kiwango cha kukua kwa kasi cha matumizi ya nishati duniani, haiwezi kudumu kwa zaidi ya miaka mia chache. Jitihada kubwa zinaendelea kuendeleza na kupanua matumizi ya vyanzo vya nishati mbadala, vinavyohusisha asilimia kubwa ya fizikia na wahandisi duniani.

Nne ya vyanzo vya nishati mbadala waliotajwa katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\) - wale kutumia vifaa kutoka kwa mimea kama mafuta (majani joto, ethanol, biodiesel, na biomasi umeme) -kuhusisha aina hiyo ya mabadiliko ya nishati na mabadiliko kama tu kujadiliwa kwa mafuta na nishati ya nyuklia. Aina nyingine kuu za vyanzo vya nishati mbadala ni hydropower, nguvu za upepo, nguvu za mvuke, na nguvu za jua.

Hydropower huzalishwa kwa kugeuza uwezo wa mvuto wa nishati ya kuanguka au inapita maji ndani ya nishati ya kinetic na kisha kuwa kazi ya kuendesha jenereta za umeme au mashine. Kubadili nishati ya mitambo katika mawimbi ya uso wa bahari na mawimbi ni katika maendeleo. Nguvu ya upepo pia hubadilisha nishati ya kinetic kuwa kazi, ambayo inaweza kutumika moja kwa moja kuzalisha umeme, kuendesha viwanda, na sailboats za propel.

Mambo ya Ndani ya Dunia ina mengi ya nishati ya joto, sehemu ambayo imesalia kutoka kwa malezi yake ya awali (nguvu ya nguvu ya nguvu inayobadilishwa kuwa nishati ya joto) na sehemu ambayo hutolewa kutoka madini ya mionzi (aina ya nishati ya asili ya nyuklia). Itachukua muda mrefu sana kwa nishati hii ya mvuke kutoroka angani, hivyo watu kwa ujumla wanaiangalia kama chanzo mbadala, wakati kwa kweli, ni tu inexhaustible kwa mizani ya wakati wa binadamu.

Chanzo cha nguvu za jua ni nishati inayobeba na mawimbi ya sumakuumeme yanayorushwa na Jua. Wengi wa nishati hii hufanywa na mwanga unaoonekana na mionzi ya infrared (joto). Wakati vifaa vya kufaa kunyonya mawimbi ya umeme, nishati ya radiant inabadilishwa kuwa nishati ya joto, ambayo inaweza kutumika kwa joto la maji, au wakati wa kujilimbikizia, kufanya mvuke na kuzalisha umeme (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hata hivyo, katika mchakato mwingine muhimu wa kimwili, unaojulikana kama athari ya photoelectric, mionzi yenye nguvu inayoathiri vifaa fulani inabadilishwa moja kwa moja kuwa umeme. Vifaa vinavyofanya hivyo huitwa photovoltaics (PV katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Baadhi ya mifumo ya nishati ya jua kutumia lenses au vioo kwa makini rays Sun, kabla ya kuwabadili nishati zao kwa njia ya photovoltaics, na hizi ni sifa kama CSP katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\).

Picha ya safu kubwa ya seli za jua. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Solar kiini arrays kupatikana katika eneo jua kuwabadili nishati ya jua katika kuhifadhiwa nishati ya umeme. (mikopo: Sarah Senty)

Tunapomaliza sura hii juu ya nishati na kazi, ni muhimu kuteka tofauti kati ya maneno mawili wakati mwingine yasiyoeleweka katika eneo la matumizi ya nishati. Kama tulivyosema hapo awali, “sheria ya uhifadhi wa nishati” ni kanuni muhimu sana katika kuchambua michakato ya kimwili. Haiwezi kuthibitishwa kutokana na kanuni za msingi lakini ni kifaa kizuri sana cha kuweka vitabu, na hakuna tofauti ambazo zimewahi kupatikana. Inasema kwamba jumla ya nishati katika mfumo wa pekee daima hubakia mara kwa mara. Kuhusiana na kanuni hii, lakini tofauti sana na hiyo, ni falsafa muhimu ya uhifadhi wa nishati. Dhana hii inahusiana na kutafuta kupunguza kiasi cha nishati inayotumiwa na mtu binafsi au kikundi kupitia shughuli za kupunguza (kwa mfano, kugeuza thermostats, kupiga mbizi kilomita chache) na/au kuongeza ufanisi wa uongofu katika utendaji wa kazi fulani, kama vile kuendeleza na kutumia ufanisi zaidi hita za chumba, magari ambayo yana kiwango cha maili zaidi kwa kila lita, taa za umeme za umeme za ufanisi wa nishati, nk.

Kwa kuwa nishati katika mfumo wa pekee hauharibiki, kuundwa, au kuzalishwa, unaweza kujiuliza kwa nini tunahitaji kuwa na wasiwasi kuhusu rasilimali zetu za nishati, kwani nishati ni kiasi kilichohifadhiwa. Tatizo ni kwamba matokeo ya mwisho ya mabadiliko mengi ya nishati ni joto la taka, yaani, kazi ambayo “imeharibiwa” katika mabadiliko ya nishati. Tutazungumzia wazo hili kwa undani zaidi katika sura za thermodynamics.