Posted by: smileurntalone " Take ur attention " | December 20, 2010

energy

طاقة

 

Lightning is the electric breakdown of air by strong electric fields and is a flow of energy. The electric potential energy in the atmosphere changes into heat, light and sound which are other forms of energy.

الطاقة Energy هي المقدرة على القيام بعمل ما. وهناك صور عديدة للطاقة، يتمثل أهمها في الحرارة والضوء. الصوت أيضا عبارة عن طاقة. و هناك” الطاقة الميكانيكية” التي تولدها الآلات، و”الطاقة الكيميائية” التي تتحرر عند حدوث تغيرات كيميائية.

يمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى. فعلى سبيل المثال، يمكن تحويل الطاقة الكيميائية المختزنة في بطارية الجيب إلى ضوء .

كمية الطاقة الموجودة في العالم ثابتة على الدوام، فالطاقة لا تفنى ولا تستحدث، وإنما تتحول من شكل إلى آخر. وعندما يبدو أن الطاقة قد استنفذت، فإنها في حقيقة الأمر تكون قد تحولت إلى صورة أخرى لهذا نجد أن الطاقة هي قدرة المادة للقيام بالشغل( الحركة)\ن كنتيجة لحركتها أو وضعها بالنسبة للقوي التي تعمل عليها .فالطاقة التي يصاحبها حركة يطلق عليها طاقة حركية kinetic energy . والطاقة التي لها صلة بالوضع يطلق عليها طاقة كامنة (جهدية أو مخزنة ) potential energy . فالبندول المتأرجح به طاقة جهدية في نقاطه النهائية . وفي كل أوضاعه النهائية له طاقة حركية وطاقة جهدية في أوضاعه المختلفة .

والطاقة توجد في عدة أشكال كالطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية والطاقة الديناميكية الحرارية والطاقة الكيميائية والطاقة الكهروبائية والطاقة الإشعاعية والطاقة الذرية . وكل أشكال هذه الطاقات قابلة للتحويل الداخلي بواسطة طرق مناسبة . والطعام الذي نتاوله ،به طاقة كيماوية يخزنها الجسم ويطلقها عندما نعمل أو نبذل مجهودا.

وتستغل مصادر هذه الطاقات لتوليد الكهرباء التي نحتاجها في بيوتنا ومدارسنا ومكاتبنا ومصانعنا وكمبيوتراتنا سواء للإنارة أم لتشغيل الماكينات والأجهزة الكهروبائية .والبترول نحرقه ليدير سياراتنا وغيرها من الأنشطة الخلاقة التي نمارسها ونتمتع بها في حياتنا. فهي ضرورة حياتية للعيش فوق كوكبنا.ومن خلالها صعدت المركبات للفضاء وجاب الإنسان العالم ليتعرف عليه ويستنزف ثرواته .

النوع تكوين الطاقة الداخلية (U)
الطاقة المحسوسة the portion of the internal energy of a system associated with kinetic energies (molecular translation, rotation, and vibration; electron translation and spin; and nuclear spin) of the molecules.
الطاقة الكامنة the internal energy associated with the phase of a system.
طاقة كيميائية the internal energy associated with the different kinds of aggregation of atoms in matter.
طاقة نووية the tremendous amount of energy associated with the strong bonds within the nucleus of the atom itself.
تفاعلات الطاقة those types of energies not stored in the system (e.g. انتقال حراري, mass transfer, and work), but which are recognized at the system boundary as they cross it, which represent gains or losses by a system during a process.
طاقة حرارية the sum of sensible and latent forms of internal energy.

الطاقة إحدى المفاهيم الأساسية في الفيزياء، وكذلك الكتلة. وتوجد الطاقة في عِدّة أشكال. وكل شكل من أشكال الطاقة يمكن أن يتحوّل إلى آخر، في عملية تُسمّى تحوُّل الطاقة. فمثلاً الطاقة الحرارية التي نشعر بها قادمة من النار تصلنا في صورة إشعاع. والأجسام القريبة من النار تسخَنُ بوساطة الأشعة تحت الحمراء، وهي إحدى أشكال الأشعة الكهرومغنطيسية. وهذه الأجسام تكتسب الطاقة في شكل حرارة. والضوء أيضاً موجات كهرومغنطيسية، ولهذا فهو أحد أشكال الطاقة. وهناك أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والطاقة النووية والطاقة الكهربائية والكتلة.

أشكال الطاقة

والحياة الإنسانية كلُّها تعتمد على الطاقة التي نستقبلها من الشّمس على هيئة إشعاعات. فالأشعاعات الشمسية تحت الحمراء تدفئ الأرض وأشعتها الضوئية تعطي النبات الطاقة اللازمة لنموه. والنباتات تختزن الطاقة الشمسية في شكل طاقة كيميائية في عملية التركيب الضوئي. والمواد الغذائية التي يكونها النبات هي الغذاء الذي تعتمد عليه جميع الكائنات الحية. وتستخدم الحيوانات والكائنات الحية الأخرى الطاقة الناتجة من الغذاء لدفع العمليات الجسمية وتحريك العضلات. وتختزن طاقة الشمس أيضاً في شكل طاقة كيميائية في الزيت والغازات والفحم الحجري. وقد نتجت هذه الأنواع من الوقود الأحفوري عن تآكل النباتات والكائنات الحية التي عاشت منذ ملايين السنين. ونحن نحرق هذا الوقود لاستخلاص الطاقة منه. ويحوّل الاحتراق الطاقة الكيميائية في الوقود إلى حرارة. والحرارة بالتالي يمكن أن تُحوَّل إلى طاقة ميكانيكية. فاحتراق الفحم الحجري مثلاً يمكن أن يُدير العنفات (التوربينات) البخارية التي تنتج الكهرباء في محطات توليد الطاقة الكهربائية. وفي هذه المحطات تتحول الطاقة الكيميائية في الفحم الحجري إلى طاقة حرارية تتحوّل بدورها إلى طاقة ميكانيكية. وتتحول الطاقة الميكانيكية في العنفات بوساطة المولدات إلى طاقة كهربائية.

والطاقة النووية شكل آخر من أشكال الطاقة، وتُختزن في نَوَى الذرات. وتنتج التفاعلات النووية، مثل الانشطار والاندماج طاقة في شكل حرارة وإشعاع. وتُنتج التفاعُلات الانشطارية الحرارة في المفاعلات النووية، وتولد التفاعلات الاندماجية حرارة شديدة في باطن الشمس. وفي الطبقات الخارجية للشمس تتحول الحرارة إلى الإشعاع الذي ينبعث من الشمس في كافة الإتجاهات، ونحن نستقبل جزءًا ضئيلاً فقط من هذا الإشعاع. وفي التفاعلات الانشطارية والاندماجية، تكون كتلة المواد الناتجة من التفاعل أقلّ بقليل من كتلتها قبل التفاعل، ولذا فإن جزءًا صغيراً من المادة يكون قد تحول إلى طاقة. وقد استنتج العلماء أنّ المادة والطاقة متكافئتان. وجميع العمليات محكومة بالتغيُّرات التي تحدث في الطاقة من شكل إلى آخر.

بينما تسقط الكرة بحرية تحت تأثير الجاذبية، فإن سرعتها تتزايد كلما اقتربت من الأرض، فطاقة وضعها المبدئية تتحول إلى طاقة حركة. وعند الارتطام بسطح صلب، تنبعج الكرة، محولة طاقة الحركة إلى طاقة وضع مرنة. وعند ارتداد الكرة للأعلى، تتحول الطاقة أولاً إلى طاقة حركة ثم بارتفاعها إلى طاقة وضع. تحول الطاقة إلى حرارة بسبب الانبعاج غير المرن ومقاومة الهواء يسبب الاضمحلال المتتالي لكل قفزة ارتدادية.

الطاقة الكامنة والطاقة الحركية

الطاقة الميكانيكية هي الطاقة الناتجة عن الحركة، أي بسبب تأثير القوة على الأجسام. والطاقة الحركية هي الطاقة التي يتمتع بها الجسم لأنه يتحرك. وتتناسب طاقة حركة الجسم طردياً مع كتلته ومربع سرعته. ولهذا، فإنّ للقطار الذي يتحرّك بسرعة 80 كم في الساعة طاقة تعادل أربعة أمثال طاقة قطار آخر يتحرّك بسرعة 40كم في الساعة. والقطار الساكن ليس له طاقة حركة. فكل طاقة الحركة التي اكتسبها أثناء حركته قد تحولت إلى حرارة، تولدت عن الاحتكاك في المكابح التي أوقفت القطار.

الطاقة الكامنة هي الطاقة الموجودة في الجسم بسبب وضعه أو حالته. وهي تمثل الشغل الذي بُذِل فعلاً، وتسمّى أحياناً الطاقة المختزنة. فإذا رفعنا صندوقاً من الأرض إلى منضدة، فإن طاقة وضع الجسم سوف تزداد بمقدار كمية الشغل اللازمة لرفعه إلى منضدة. ويمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى أشكال أخرى من الطاقة. فإذا ما دفعنا الصندوق من فوق المنضدة فسوف يبدأ في السقوط وتتحول طاقته الكامنة إلى طاقة حركية. وعندما يصطدم الصندوق بالأرض يحدث اهتزازات على الأرض والهواء المحيط بها. وتسخن هذه الاهتزازات الأرض والهواء، وبهذا تكون الطاقة الحركية للجسم قد تحوّلت إلى طاقة حرارية.

ملخص عام للطاقة وحياة البشر.

الطاقة الكيميائية

أحد أشكال الطاقة الكامنة. فالجزيئات يمكن أن تخزّن الطاقة نتيجة لطاقة وضع الذرات التي تنشأ عن تأثير القوى بين الذرات في الجزيئات. وأثناء التفاعلات الكيميائية تأخذ الذرات في الجزيئات مواقع مختلفة، وتحدث تغيرات في الطاقات الكامنة لهذه الذرات. وإذا قلت الطاقة الكامنة فإن التفاعل ينتج طاقة تَظهر على شكل حرارة.

بقاء الطاقة

لاحظنا أنّه خلال زمن سقوط الصندوق من المنضدة قلت طاقته الكامنة، بينما زادت طاقته الحركية. ولكن يظل مجموع الطاقتين ثابتاً أثناء السقوط. ويعبّر العلماء عن ذلك بقانون ينص على أنّ الطاقة تظلّ باقية. ولا ينطبق قانون بقاء الطاقة على حالة الصندوق الساقط فقط، ولكنه ينطبق على حالة الكون كلّه. وينص هذا القانون على أن الطاقة الكلية للكون ذات قيمة ثابتة دائمًا.

ويُمكن أن يُعدّ البندول مثالاً لكيفية تحوُّل الطاقة من شكل إلى آخر بينما تظلّ الطاقة الكلية ثابتة. فعندما يصل البندول إلى نهاية اهتزازاته تكون له طاقة حركية فقط. وتتحوّل هذه الطاقة إلى طاقة كامنة عندما يصل البندول مرة أخرى إلى أعلى نقطة في اهتزازاته.وسوف يستمر البندول في الاهتزاز طالما لا يوجد هناك احتكاك أو مقاومة من الهواء. ولكن الطاقة التي تستخدم في التغلب على مثل هذا الاحتكاك لا تُفقد، وإنما تتحول إلى حرارة، ونحن نعلم الآن أن المادة والطاقة ترتبطان ارتباطاً وثيقاً. ولذا فإن قانون بقاء الطاقة يشمل المادة أيضاً. فالطاقة لا تفنى ولا تأتي من العدم، ولكنها يمكن أن تنشأ من المادة وتتحوّل إليها. فهي مثلاً قد تتحول إلى مادة في معجّلات الجسيمات عند ظهور جُسيمات جديدة أثناء تصادم الجسيمات المعجَّلة عند سرعات فائقة.

قياس الطاقة

تقاس الطاقة في النظام المتري بالجول. والجول الواحد هو كمية الشغل المبذول لتحريك جسم مسافة متر واحد ضد مقاومة قوة مقدارها نيوتن واحد. وتقاس الطاقة الكامنة للجاذبية بحاصل ضرب وزن الجسم في المسافة الرأسية التي يُمكن تحريكها أثناء سقوطه حتى يصل إلى حالة السُّكون. وتُقاس الطاقة الحركية بالعلاقة : الطاقة الحركية = ½ ك ع²، حيث ك هي كتلة الجسم، وع² هي مربع سرعته. والقدرة هي معدل أداء الشغل، ووحدتها الواط. وتساوي قدرة الآلة واط واحد إذا كانت تنتج جولا واحداً في كل ثانية.

أنواع الطاقة

تعتبر الطاقة الحيوانية أول طاقة استخدمها الإنسان في فجر الحضارة عندما استخدم الحيوانات الأليفة في أعماله ثم شرع واستغل قوة الرياح في تسيير قواربه لآفاق بعيدة .واستغل هذه الطاقة مع نمو حضارته، واستخدمها كطاقة ميكانيكية في إدارة طواحين الهواء و في إدارة عجلات ماكينات الطحن و مناشير الخشب ومضخات رفع الماء من الآبار وغيرها .وهذا ما عرف بالطاقة الميكانيكية .

و قوة الحيوانات نجدها مستمدة من الطاقة الكيماوية chemical energy الموجودة في الطعام بعد هضمه في الإنسان والحيوان .والطاقة الكيماوية نجدها في الخشب الذي كان يستعمل منذ القدم في الطبخ والدفء .وفي بداية الثورة الصناعية استخدمت القوة المائية كطاقة تشغيلية من خلال حركية نظم سيور وبكر وتروس لإدارة العديد من الماكينات.

و نجد الطاقة الحرارية Thermal energy في الآلات البخارية التي تحول الطاقة الكيماوية لوقود تحوله لطاقة ميكانيكية . فالآلة البخارية يطلق عليها آلة احتراق خارجي لأن الوقود يحرق بالخارج لتوليد البخار الذي يدير الآلات من الداخل . لكن في القرن 19 إخترعت آلة الإحتراق الداخلي مستخدمة وقودا يحترق داخل الآلة حسب نظام غرف الإحتراق الداخلي المباشر بها ، لتصبح مصدرا للطاقة الميكانيكية التي إستغلت في عدة أغراض كتسيير السفن والعربات والقطارات .

و في القرن 19 ظهر مصدر آخر للطاقة ، لايحتاج لإحتراق الوقود ،وهي الطاقة الكهروبائية المتولدة من الدينامو( المولد). وأصبحت هذه المولدات تحول الطاقة الميكانيكية لطاقة كهربائية التي أمكن نقلها إلي أماكن بعيدة عبر الأسلاك. مما جعلها تنتشر, حتي أصبحت طاقة العصر الحديث ولاسيما وأنها متعددة الأغراض ،بعدما أمكن تحويلها لضوء وحرارة وطاقة ميكانيكية، بتشغيلها محركات الآلات والأجهزة الكهربائية . وتعتبر طاقة نظيفة إلى حد ما .

ثم ظهرت الطاقة النووية التي استخدمت في المفاعلات الذرية حيث يجري الإنشطار النووي الذي يولد حرارة هائلة تولد البخار الذي يدير المولدات الكهروبائية التي تمدنا بالكهرباء أو يدير المحركات التي تسير السفن والغواصات .لكن مشكلة هذه المفاعلات النووية في نفاياتها المشعة واحتمال حدوث تسرب إشعاعي أو إنفجار المفاعل ، كما حدث في مفاعل تشيرنوبل الشهير .

والطاقة الغير متجددة نحصل عليها من باطن الأرض كسائل كما في النفط وكغاز كما في الغاز الطبيعي أو كمادة صلبة كما في الفحم الحجري .وهي غير متجددة لأنه لايمكن صنعها ثانية أو استعواضها مجددا في زمن قصير .عكس الطاقة المتجددة ، فيمكن إستعواضها في زمن قصير .ومصادر الطاقة المتجددة نجدها في طاقة الكتلة الحيوية Biomass energy التي تستمد من مادة عضوية كإحراق النباتات وعظام الحيوانات وروث البهائم والمخلفات الزراعية.فعندما نستخدم الخشب أو أغصان الأشجار أو روث البهائم في اشتعال الدفايات أو الأفران ، فهذا معناه أننا نستعمل وقود الكتلة الحيوية التي تستغل كمادة عضوية من النباتات ونفايات الزراعة أو الخشب أو مخلفات الحيوانات . وفي الولايات المتحدة تستغل طاقة الكتلة الحيوية في توليد 3%من مجمل الطاقة لديها لتوليد 10 آلاف ميجا وات من القدرة الكهربائية.

و تستغل طاقة الحرارة الأرضية Geothermal energy لتوليد الكهرباء والتسخين . وحاليا نصف الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة الأمريكية تأتي من قوة دفع المياه التي تدير التوربينات، والتي تسيّر االمحركات لتوليد الكهرباء. كما يحدث في مصر في السد العالي. وفي أمريكا تمثل كهرباء الطاقة المائية 12% من جملة الكهرباء.و يمكن مضاعفتها إلي 72ألف ميجاوات.

وهناك أيضا طاقة قوة الرياح Wind power حيث تدير شفرات(ألواح) كبيرة تدور بالهواء فوق الأبراج بحركة مروحية ومثبت بها مولدات كهرباء .وكانت قوة الرياح تستغل في إدارة طواحين الهواء ومضخات رفع المياه ، كما هو إتبع في هولندا عندما نزح الهولنديون مساحات مائية من البحر لتوسيع الرقعة الزراعية عندهم. وسبب عدم إنتشارها في العالم ،أصواتها المزعجة وقتلها للطيور التي ترتطم بشفراتها السريعة, وعدم توفرالرياح في معظم المناطق بشكل مناسب.

أيضا في خلايا الطاقة التي هي خلايا وقود الهيدروجين تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي باستخدام الهيدروجين والأوكسجين.

مصادر الطاقة

بترول

هو عبارة عن سائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. وأحيانا يسمى نافثا، من اللغة الفارسية (“نافت” أو “نافاتا” والتي تعني قابليته للسريان).

وهو يتكون من خليط معقد من الهيدروكربونات، وخاصة من سلسلة الألكانات، ولكنه يختلف في مظهره وتركيبه ونقاوته بشدة من مكان لأخر. وهو مصدر من مصادر الطاقة الأولية الهام للغاية ([ إحصائيات الطاقة في العالم]). البترول هو المادة الخام لعديد من المنتجات الكيماوية، بما فيها الأسمدة، مبيدات الحشرات، اللدائن.

وقود

الوقود له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري، وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز, والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوما بعد يوم مع أضراره الشديد للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفط يكون مخلوط مع الرمال.

من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطي استخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية.، و هناك الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري حيث بالمستطاع استخدام هذه النفايات في توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير، وتستخدم في العديد من دول العالم معالجة المياه الثقيلة للاستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفير الطاقة.

من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون من نباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقايا قصب سكر ، أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل ويتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمال الرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هو الحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري ومن ثم فإنه بنزين خال من الرصاص.

هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قد لا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض, ناهيك في خطورة استخدامها وتأثيرها السيئ على البيئة.

طاقة شمسية

تعتبر الطاقة الشمسية الطاقة الأم فوق كوكبنا حيث تنبعث من أشعتها كل الطاقات فوقه . لأنها تسير كل ماكينات و آلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها ، وتدفع دورة تدوير المياه ، و تدفيء المحيطات ،و تنمي النباتات وتطعم الحيوانات . و مع الزمن تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض . وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة لحرارة و برودة و كهرباء و قوة محركة .وأشعة الشمس أشعة كهرومغناطيسية.و طيفها المرئي يشكل 49% و الغير مرئي كالأشعة الفوق بنفسجية يشكل 2% و الأشعة دون حمراء 49%. و الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها و بعدها من الأرض.

و تختلف كثافة أشعة الشمس و شدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية و بعدها عن الأرض و ميولها و وضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أو خلال السنة, و حسب كثافة السحب التي تحجبها. لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعة التي تصل لليابسة . عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمس تسقط علي الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه, وتمتص الأشعة وتخزنها في كتلة (مادة) حرارية Thermal mass. وهذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني . وتعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي(الفولتية الضوئية ).فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد.

والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة و لا تعكسها كثيرا ، لهذا تسخن . عكس الأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس لهذا لا تسخن . و الحرارة تنتقل بثلاث طرق ،إما بالتوصيل conduction من خلال مواد صلبة, أو بالحمل convection من خلال الغازات, أوالسوائل ، أو بالإشعاع radiation. و من هنا نجد الحاجة لإنتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنها, لتوفير الطاقة و تكاليفها .لهذا توجد عدة مباديء يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية, من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة, علي تجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتي في تصميم البنايات واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أو الباردة . كما يكونون علي بينة بمساقط الشمس علي المبني و البيئة من حوله كقربه من المياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة,والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران و خزانات الماء. كل هذه الإعتبارات لها أهميتها في إمتصاص الحرارة أثناء النهار و تسربها أثناء الليل.

هناك مصادر للطاقة نظيفة يمكن استخدامها كوقود بديل ومنها:

  • الطاقة الشمسية.
  • طاقة الرياح.
  • طاقة المد والجزر.
  • الطاقة المستمدة من حرارة الأرض الجوفية.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Categories

%d bloggers like this: