انرژی

انرژي را مي توان به عنوان توانايي انجام دادن كار تعريف كرد. ماده و انرژي، اساس هر چيزي را در زندگي تشكيل مي دهند. ماده در قياس با انرژي، حضور عيني تر و ملموس تري دارد. انرژي از طريق حرارت دادن، حركت دادن، و يا برقدار كردن، اثر مي كند.

انرژي همواره با تغيير همراه است. هنگامي كه انرژي از شكلي به شكل ديگر تبديل مي شود، تغييرات فيزيكي، شيميايي يا زيست شناختي رخ مي دهد، مثل زماني كه انرژي شيميايي مواد سوختني به انرژي گرمايي تبديل مي شود. در خلال اين تغييرات، مقدار كل انرژي موجود، ثابت مي ماند. انرژي را نمي توان ايجاد كرد يا از بين برد.

شكلهاي انرژي
مقدار كل انرژي، به شكلهاي متفاوت و با تنوعي وسيع در جهان، پراكنده شده است. مفاهيم آشنايي نظير انرژي گرمايي، انرژي نوري، انرژي الكتريكي و انرژي صوتي از جمله شكلهاي انري هستند.

پتانسيل، يك واژه عام است كه به منظور توصيف هر نوع انرژي ذخيره شده به كار مي رود. شليك كردن يك منجنيق ساده مي تواند فرصت مناسبي براي مطالعه انرژي پتانسيل يك نوار كشسان كشيده شده باشد. انرژي پتانسيل يك بمب اتمي قادر است در سطح وسيعي خرابي ايجاد كند، در حالي كه يك نيروگاه هسته اي مي تواند همان انرژي پتانسيل را براي استفاده بشر مهيا سازد. انرژي پتانسيل را مي توان در انرژي پتانسيل شيميايي باتري يك ماشين حسابگر يا در انرژي پتانسيل گرانشي آب جمع شده در پشت يك سد نيروي هيدرو الكتريك پيدا كرد.

انرژي جنبشي عبارت است از آن انرژي است كه يك شيء، به دليل آنكه در حال حركت است، داراست. اشياي متحرك، از الكترون نامرئي كه حول هسته اتم در گردش است گرفته تا يك ستاره بزرگ در مسير خويش در پهنه گيتي، همگي به نسبت جرم و سرعتشان داراي انرژي جنبشي هستند.

تمام شكلهاي انرژي را مي توان تقريبا به دو نوع تقسيم كرد : انرژي درجه بالا و انرژي درجه پايين. انرژي الكتريكي به لحاظ آنكه مي تواند به راحتي به شكلهاي مفيد ديگري تبديل يابد، از نوع انرژي درجه بالا محسوب مي شود. تبديل گرما در دماي پايين به هر نوع ديگري از انرژي، به دشواري انجام مي گيرد. به همين دليل، انرژي گرمايي را معمولا از نوع درجه پايين توصيف مي كنند.

قسمت اعظم انرژي ما به نحوي از خورشيد تأمين مي شود. انرژي خورشيد، اين امكان را به گياهان مي دهد تا غذاي مورد نياز انسان و حيوانات را توليد كنند. انرژي خورشيد در زغال سنگ، چوب و نفت ذخيره شده است. انسان اين مواد را مي سوزاند تا انرژي حاصل از آنها برايش كار انجام دهد. رشد و تكامل انسان، رابطه نزديكي با كشف منابع جديد انرژي از سوي وي دارد.

 

سوختها
سوخت منبعي از انرژي پتانسيل است كه به آساني مي تواندبه گرما تبديل شود. يك سوخت مطلوب همچنين بايد ايمن و ارزان باشد و آلودگي ايجاد نكند. از گاز توليد شده در باتلاق گرفته تا پشكل شتر، انسان همواره در زمينه انتخاب سوخت مورد نيازش برخوردي مبتكرانه داشته است. اما هيچ يك از سوختهايي كه تا كنون شناخته شده است واجد شرايط بالا نبوده است. امروزه زغال سنگ، نفت و گاز طبيعي از منابع مهم انرژي محسوب مي شوند، اما هنوز تا سوختهاي مطلوب فاصله زيادي دارند. نكته قابل توجه در مورد اين سوختهاي طبيعي، صرف نظر از اينكه به صورت جامد، مايع و گاز باشند، اين است كه قابليت بازيافت ندارند، يعني پس از آنكه مصرف شدند امكان بازيافت و جانشين كردن موجودي آنها وجود ندارد.
انرژي هسته اي، جديدترين و بالقوه خطرناك ترين سوختي است كه انسان به وجود آن پي برده است. اين انرژي، حاصل نيروهاي نگهدارنده اجرام متراكم در هسته اتم است كه انسان در صدد كنترل و استفاده از آن است.

نوع ديگري از سوخت به وسيله گلوگز كه از خانواده كربو هيدراتهاست به دست مي آيد. اين ماده به عنوان يك منبع انرژي براي سلولهاي بدن عمل مي كند و شايد تنها سوختي است كه بدون آن، انسان قادر نيست مدت زيادي زنده بماند.

پيلهاي خورشيدي
باتريهاي متشكل از پيلهاي خورشيدي مي توانند هر يك از دو نور مستقيم يا پخش شده خورشيد را به انرژي الكتريكي تبديل كنند. اين فرايند(تبديل نور- ولتي يا تبديل فتو ولتائيك)آنچنان كه آزمايشهاي انجام شده اخير با پيلهاي خورشيدي در قطب جنوب نشان داده است به گرما بستگي ندارد.

از نيمه هاديها مي توان براي تبديل مستقيم انرژي نوري به انرژي الكتريكي استفاده كرد. سولفيد كادميوم (Cds) و سياسيوم (Si) رايج ترين نيمه هاديها هستند. سلولهاي سولفيد كادميوم پايداري كمتري دارند اما توليد آن ارزانتر است. در حال حاضر استفاده از باتريهاي خورشيدي براي نيروگاههاي بزرگ، بسيار گران تمام مي شود. از باتريهاي با انباره شيميايي غالبا به عنوان يك عامل تضميني در كنار سيستمهاي خورشيدي استفاده مي شود. انرژي اضافي كه در روزهاي آفتابي به دست مي ايد براي روزهاي ابري كه نور مستقيم خورشيد كم است ذخيره مي گردد .

 

نيروي آب
يكي از مؤثرترين اقداماتي كه در مهندسي نوين امروزي انجام گرفته است، احداث سدهاي عظيم هيدرو الكتريك است. اگر زماني آسابهاي آبي با استفاده از چرخها و دندانه ها انرژي جنبشي آب جاري ريزنده به پايين را به انرژي مكانيكي تبديل مي كردند، اكنون نيروگاههاي هيدرو الكتريك، توربينها را به كار مي گيرند تا همان انرژي جنبشي را به انرژي الكتريكي تبديل كنند.

 

نيروي هيدرو الكتريك
سدهاي هيدرو الكتريك بر اساس لين اصل ساده كار مي كنند كه هر چه فاصله عمودي بين آب ذخيره شده در پشت سد و توربينهاي نصب شده در پايه سد بيشتر باشد نيروي بيشتري مي توان توليد كرد.

گرچه انرژي هيدرو الكتريك، هم قابل بازيافت است و هم باعث آلودگي هوا نمي شود، ليكن استفاده از سدها براي جمع آوري آب، ممكن است باعث سيلابي شدن مناطق وسيعي از زمينهاي مفيد گردد. اكثر كشورهاي صنعتي، نيروگاههاي هيدرو الكتريك خود را در نقاط نسبتا مساعدتري بر پا داشته اند. به عنوان مثال، كانادا نزديك به ۷۵ درصد از انرژي الكتريكي خود را با نيروي هيدرو الكتريك تأمين مي كند. متأسفانه نقاط مساعد براي تأسيس اين گونه نيروگاهها غالبا در نواحي سخت و غير قابل دسترس قرار دارند و همين امر، مشكل بالا بودن هزينه هاي سرمايه اي را براي ساخت چنين سدهايي تشديد مي كند.

يكي از جنبه هاي مهم اين نيروگاهها با سدهاي مرتفعي كه دارند، ظرفيت آنها براي ذخيره سازي انرژي است. در اوقاتي كه مصرف، كمتر از حداكثر است مي توان از برق توليد شده اضافي براي تلمبه كردن آب از سطوح پائين تر به سمت توربينها و بالاي مخزن آب استفاده كرد. به اين ترتيب، انرژي پتانسيل به دست آمده توسط آب مي تواند بعدا به هنگام بالا رفتن تقاضا، به انرژي الكتريكي تبديل شود. اين شيوه را ذخيره ساري تلمبه شده مي خوانند.

 

انرژي جزر و مدي
در قرن دوازدهم ميلادي آسيابهاي آبي در استان بريتانيايي فرانسه به وسيله جريانهاي آبهاي جزر و مدي كار مي كردند و امروز كشور فرانسه هنوز در زمينه استفاده از انرژي جزر و مدي نقشي پيشرو در جهان دارد. طرح رانس ريور در نزديكي سنت مالو با ظرفيت توليدي ۲۴۰۰۰۰

كيلو وات به كمك ۲۴ توربين، بزرگ ترين نيروگاه جزر و مدي در جهان به شمار مي رود. مولدهاي اين نيروگاه به وسيله آبهاي جزر و مدي كه روزي دو بار به مدخل نيروگاه رانس وارد و از آن خارج مي شود كار مي كنند. ارتفاع سطح آب در مدخل به ميزان ۱۰متر تغيير مي كند. مولدها همچنين طي مدتي كه جزر و مد در خفيف ترين حالت خود قرار دارد براي افزايش جريان جزر و مدي به داخل آبگير سد، به عنوان تلمبه عمل مي كنند. چنانچه با اين روش، مخزن آب بيش از اندازه پر شود، مي توان آب اضافي را ذخيره كرد تا بعدا به هنگام حداكثر تقاضا آزاد و براي توليد برق به كار گرفته شود.

در حال حاضر، چند كشور ديگر نيز مشغول مطالعه پيرامون امكان تأسيس چنين نيروگاههايي هستند. هزينه هاي سرمايه اي براي ساخت اين گونه نيروكاهها بسيار زياد و تعداد جاهاي مناسب براي چنين كاري محدود است.

كمبود منابع سوختي، ممكن است روي گرايش جديدي در انسان براي استفاده تجاري از كشتيهاي دريانورد ايجاد كند. اما اهميت واقعي نيروي باد در گرو توسعه دستگاههاي ساكني است كه مي توان از آنها براي تبديل انرژي باد به برق استفاده كرد. در دوران گذشته، تمامي ابزار مكانيكي براي بهره برداري از انرژي باد، در آسيابهاي بادي خلاصه مي شد، اما امروز اين امر تا به آنجا پيش رفته است كه استفاده از واژه مولد هوايي(آئر وژنراتور) امري متداول شده است.

استفاده از انرژي زمين گرمايي
بهره گيري از انرژي زمين گرمايي به منظور گرمايش، حداقل به دوران حمامهاي رم باستان بر مي گردد. تعدادي از اين حمامها هنوز محفوظ و پا بر جا نگاه داشته شده اند و قادر به كار كردن هستند. با اين حال، براي بهره برداري گسترده از اين پديده بايد در انتظار تكامل تكنولوژي قرن بيستم باشيم.
ايسلند در بهره برداري از آتشفشانها، آبفشانها و چشمه هاي آب گرم خود حركت وسيعي داشته است. طرحهاي گرمايش ناحيه اي به روش زمين گرمايي تقريبا تمامي گرماي مورد نياز ريك ياويك پايتخت اين كشور را تأمين مي كند. جلوگيري ازتلفات گرمايي در لوله هاي آب گرم كه انرژي را از نيروگاه حمل مي كنند، هم دشوار و هم پر هزينه است. به همين دليل، گرمايش ناحيه اي به روش زمين گرمايي در مناطقي كه دور از منابع زمين گرمايي هستند امكان پذير نيست.

انرژي و انسان
مقدار انرژي كه از مقدار معيني غذا بدست مي آيد برحسب كيلو ژول (KJ) اندازه گيري مي شود. بسياري از كساني كه برنامه غذايي خاصي براي لاغر شدن دارند هنوز از واحد ديگري كه اكنون منسوخ گرديده است يعني كالري استفاده مي كنند. يك كالري، معادل ۲/۴ كيلو ژول (۴۲۰۰۰ ژول ) است.
يك مرد كه مقدار فعاليت او در حد متعادلي است به طور متوسط روزانه به ۱۲۰۰۰ تا ۱۲۵۰۰ كيلو ژول انرژي نياز دارد. مقدار نياز روزانه يك زن به انرژي به مراتب كمتر از اين مقدار، يعني ۹۰۰۰ تا ۹۵۰۰ كيلو ژول است. همچنين يك پير نوجوان (بين ۱۳ تا ۱۹ سال) به ۱۱۵۰۰ تا ۱۲۰۰۰ كيلو ژول و يك دختر نوجوان به ۹۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ كيلو ژول انرژي در روز نياز دارد.

اكثر غذاهايي كه ما مي خوريم تركيبهاي پيچيده اي از كربو هيدراتها، چبيها، پروتئينها، ويتامينها، مواد معدني و البته آب هستند.
كربو هيدراتها نظير قند يا نشاسته منابع اصلي انرژي بدن هستند. شكلات، ميوه هاي شيرين و تافي (آب نبات) از غذاهاي قند دار به شمار مي روند. حال آنكه نان، سيب زميني و ماكاروني همگي داراي مقادير زيادي نشاسته هستند.

 

معدنكاوي براي دستيابي به سوختها
تنها را مطمئن براي پي بردن به وجود ذخاير سوخت زير زميني با ارزش در يك منطقه اين است كه زمين آنجا را سوراخ يا حفاري كنيم و ببينيم چه رخ مي دهد. در آن روزهاي نخستين كه مسئله نفت در امريكا سرو صدايي به پا كرده بود معدنكاوان، همه چيز خود را بر سر اين چاهها سرمايه گذاري مي كردند و اغلب نا موفق بودند و يا موفقيت نا چيزي به دست مي آوردند. امروزه، قبل از آنكه عمليات حفاري شروع شود مطالعات دقيقي از نظر زمين شناسي انجام مي گيرد.

روشهاي رديابي و كشف
در يك مطالعه زمين شناختي، نقشه مناطق وسيعي با استفاده از عكسبرداري هوايي با سرعت و دقت ترسيم مي شود. زمين شناس، اغلب با استفاده از اين نقشه مي تواند اطلاعات فراواني پيرامون تشكلهاي سنگي زير زمين استنتاج كند. با جمع آوري فسيلها و نمونه سنگها از نقاط برگزيده، زمين شناس مي تواند هم عمر و هم نوع سنگ را روي نقشه نشان دهد.

داستان زغال سنگ با دوره كربونيفر با عصر زغال خيز و در حدود ۳۰۰ ميليون سال قبل از اينكه انسان براي نخستين بار پا روي زمين بگذارد شروع مي شود. در طول اين دوره، زمين از جنگلهاي متراكم، مردابها، رودخانه ها و انبوه گياهان پوشيده شده بود. به تدريج يك پوشش ضخيم از مواد گياهي مرده تشكيل گرديد كه بعدا فاسد و پوسيده شد و در آبهاي اسيدي مردابهاي اطاف غوطه ور شد. يك ذخيره محدود اكسيژن، از تهاجم باكتريها و تجزيه كامل مواد گياهي غوطه ور جلوگيري مي كرد. به تدريج و با گذشت ميليونها سال، مواد گياهي مرده در اثر فشار هزاران هزار تن زمين و سنگهاي آن، فشرده و متراكم شدند و شكل جديئي پيدا كردند.
با افزايش دما و فشار، مواد گياهي مرده به شكل تورب(زغال سنگ نارس) در آمد. تورب به لينيت (زغال سنگ قهوه اي) تبديل شد و لينيت نيز به زغال سنگ قير دار و اين نيز در نهايت به آنتراسيت (زغال سنگ خشك و خالص) تبديل گرديد. به طور كلي، هرچه دما و فشار بيشتر باشد در صد كربن خالص موجود در زغال سنگ بالاتر خواهد بود. به طور تقريب، ۶۰ درصد تورب را كربن تشكيل مي دهد و ارزش انرژي آن در هر كيلو گرم ۱۴ مگا ژول است، حال آنكه آنتراسيت، ۹۴ درصد كربن و بيش از ۳۰ مگا ژول ارزش انرژي در هر كيلو گرم دارد.

استخراج زغال سنگ
معدن زغال سنگ به دو نوع روباز و چاهي وجود دارد. استخراج روباز براي لايه هاي سطحي زغال سنگ مناسب است. در اين حالت ، خاك و سنگ به سادگي به صورت يك باريكه بر روي سطح بالايي زمين قرار گرفته اند و دسترسي به زغال سنگ به راحتي صورت مي گيرد. اگر لايه هاي زغال سنگ در عمق بيشتري از زمين قرار داشته باشد از استخراج چاهي استفاده مي شود. اكنون مجموعه گسترده و عظيمي گسترده و عظيمي از ماشين آلات در اختيار معدنچيان است كه آنان را در انجام دادن وظايف دشوارشان ياري مي دهد. دستگاههاي حفاري غول آسا، رخ زغال سنگ را مي شكافند و توده هاي عظيم زغال سنگ را در تسمه انتقال كه در پشت آنها قار دارد مي ريزند. با پيشروي دستگاه برش، نگهدارنده هاي هيدروليكي فرو رفته در زمين، از ريزش سقف جلوگيري مي كنند. قدرت اين نگهدارنده ها متناسب با باري است كه بايد تحمل كنند، به طور خودكار تنظيم مي شود.

قبلا معدنهاي روباز، منظره هاي زشت و زننده اي روي سطح زمين ايجاد مي كردند. اما اكنون كه برش لايه هاي زغال سنگ به وسيله تجهيزات حفاري مكانيكي انجام مي گيرد اين امكان به وجود آمده است كه بيلهاي مكانيكي بسيار عظيم خاكهاي ريخته شده بر سطح زمين را دوباره به محل اوليه شان برگردانند و منطقه را به حالت طبيعي در آورند.

فرآورده هاي زغال سنگ
در طول چند دهه گذشته، زغال سنگ سهم خود را در بازار جهاني انرژي به تدريج و به نفع صنعت نفت و گاز از دست داده است. بسياري از فرآورده هاي قبلي زغال سنگ قير دار اكنون در حقيقت از نفت مشتق مي شوند. احتمالا تا سال ۲۰۰۰ اين گرايش، روندي معكوس پيدا خواهد كرد و مقادير بيشتر از زغال سنگ را به سوختهاي مايع تبديل مي كند تا جانشين گاز طبيعي شود، با يكديگر همكاري دارند. افريقاي جنوبي از سال ۱۹۵۵ مشغول تبديل زغال سنگ به بنزين بئده است و در حال حاضر ۳۰ درصد از بنزين مورد نياز خود را با اين روش به دست مي آورد.

در حدود نيمي از كل انرژي كه امروزه در دنيا مورد استفاده قرار مي گيرد از نفت تأمين مي شود. اين ذخيره انرژي در سال قبل، از بقاياي موجودات ريز دريايي به نام پلانكتون به وجود آمده است . پس از آنكه اين موجودات ريز به حالت مرده در آمدند، آرام آرام به پوشش ضخيمي از مواد آلي بر روي بستر دريا تبديل شدند. باكتريهايي كه روي اين بقايا تغذيه مي كردند، به تدريج به نفت و گاز تبديل گرديدند. گرما و فشار ناشي از سنگهايي كه در لايه هاي بالايي قرار داشتند اين فرايند را در طول ميليونها سال كامل كرد.

حفاري براي نفت

پس از انجام يافتن بر رسيهاي لازم، يك چاه آزمايشي با استفاده از يك استوانه دوار كه يك مته حفاري در انتهاي آن تعبيه شده است حفر مي شود. اين دستگاه به سكوي حفاري روي زمين متصل است. همچنان كه استوانه دوار به عمق بيشتري مي رود، جداره چاه با لوله هاي فولادي پوشانده مي شود. سنگريزه ها با آب و خاك رس شستشو داده مي شود. اين گل شيميايي كه درون لوله هاي حفاري به پايين تلمبه مي شود، فشار نفت را كنترل مي كند. هنگامي كه مته حفاري به مخزن نفت مي رسد، به دليل آنكه ماده سيال مخزن، تحت فشار قرار دارد، ممكن است نفت به صورت فواره به بيرون بريزد. براي كنترل جريان نفت و جلوگيري از اين فوران، مجموعه اي از شيرها كه به درخت كريسمس معروف است بر بالاي چاه نصب مي شود. اگر مقدار نفت موجود در مخزن از نظر تجاري مقرون به صرفه باشد، سكو و تجهيزات توليد دائمي، جانشين وسايل حفاري مي شود.

پالايش نفت
پالايشگاه، يك مجموعه پيچيده و عظيم صنعتي است كه نفت خام را تفكيك، تجزيه و تركيب مجدد مي كند و به شش نوع سوخت اصلي تبديل مي سازد. فرآيند پالايش، با عمل تقطير يا جدا سازي نفت خام سنگين در يك برج عظيم كه برج تقطير نام دارد آغاز مي شود. گازهاي نفت، از قبيل بوتان و پرويان، و مايعات پايين جوش(با نقطه جوش پايين) به بالاي برج مي آيند، حال آنكه نفتهاي بالا جوش و قيرها در قسمت پايين تر باقي مي مانند. به اين ترتيب، كسرها يا برشهاي مختلف بر حسب نقطه جوش در ارتفاعات متفاوت برج از يكديگر جدا مي شوند.

نفتهاي سبك تري كه از اين فرايند حاصل مي شود، از نظر مقدار كافي نيست. به همين دليل نفتهاي سنگين تر را دوباره اما اين بار تحت فشار حرارت مي دهند تا باز هم مقاديري نفتهاي سبك تر به دست آيد. اين فرايند را كراكينك يا شكستن (شكستن هيدروكربورهاي سبك تر) مي نامند. پس از آن، آميزه هايي از نفت براي توليد سوختهاي گوناگون با درجات اكتاني مختلف به دست مي آورند.

فراورده هاي نفتي
فراورده هاي اصلي پالايشگاهي عبارتند از قير طبيعي، موم، روغنهاي صيقل دهنده، سوخت ديزل، پارافين(نفت سفيد)، سوخت هوانوردي، بنزين و گاز سيلندر.
گاز طبيعي
گاز طبيعي، تركيبات گوناگون و متعددي از گارهاي سوختني است كه در تله هاي موجود در سنگهاي زير زمين يافت مي شود. تاريخ اين پديده، طولاني و جالب است. در قرن سوم ميلادي، چينيها از ني هاي ميان تهي خيزران براي لوله كشي گاز طبيعي از مخازن زير زميني به عنوان بخشي از صنايع نمكشان استفاده مي كردندو از اين بابت شهرت داشتند. امروزه سكوهاي عظيم توليد ، مجهز به مته هاي الماس، شب و روز براي دستيابس به مخازن گاز طبيعيمحبوس دز عمق ۳۰۰۰ متري زير زمين فعاليت مي كنند.

گاز طبيعي عمدتا از متان تشكيل شده است و تميز مي سوزد و سمي نيست. كشورهايي مثل الجزاير كه مقادير عظيمي گاز طبيعي صادر مي كنند كارخانه هايي ساخته اند تا گاز طبيعي مايع با استفاده از تانكرهاي خنك شده در سراسر جهان توزيع مي شود.
ايران، شوروي و امريكاي شمالي بزرگ ترين ذخاير تأييد شده گاز را در اختيار دارند. كشف مقادير عظيم گاز طبيعي در شلوخترن هلند در سال ۱۹۵۹ باعث شد كه حفاريهاي اكتشافي گسترده اي در درياي شمال به عمل آيد.

 

جنبه هاي اقتصادي هيدروژن
در پنجاه سال آينده ذخاير محدود نفت و گاز طبيعي به شكل فزاينده اي رو به كميابي خواهد رفت. حتي اگر با استفاده از زغال سنگ، نيروي هسته اي و ديگر منابع، انرژي كافي براي به كار انداختن تيروگاههاي عظيم در اختيار ما باشد اين انرژي به شكلي نيست كه براي استفاده در اتوموبيلها، اتوبوسها و هواپيماها مناسب باشد.
يكي از راه حلهاي اين مشكل، توليد هيدروژن است. اگرچه هيدروژن، سوختي نيست كه به صورت طبيعي وجود داشته باشد، اما هيدروژن مصنوع به راحتي مي تواند امكان ذخيره كردن انرژي حاصل از نيروگاهها را براي استفاده هاي عملي فراهم سازد.