یکی از شکل‌های انرژی، انرژی گرمایی است. در این نوشتار انرژی گرمایی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. همچنین در مورد روابط حاکم و معادلات انرژی گرمایی صحبت کرده و منابع و کاربردهای انرژی گرمایی را معرفی می‌کنیم.

انرژی گرمایی چیست ؟

انرژی حرارتی یا گرمایی به انرژی موجود در سیستم گفته می‌شود که مسئول دمای جسم است. گرما جریان انرژی گرمایی یا حرارتی است. یک شاخه کامل از فیزیک یعنی ترمودینامیک، به نحوه انتقال گرما بین سیستم‌های مختلف و نحوه انجام کار در این فرآیند می‌پردازد.

در مسائل مکانیکی نیز معمولاً نقش انرژی گرمایی را در بررسی روابط مربوط به بقای انرژی بررسی می‌کنیم. تقریباً هر انتقال انرژی که در سیستم‌های فیزیکی دنیای واقعی صورت می‌گیرد با بازدهی کمتر از $$100\%$$ رخ می‌دهد و منجر به تولید مقداری انرژی گرمایی می‌شود.

این انرژی معمولاً به صورت انرژی گرمایی سطح پایین است. در اینجا سطح پایین به این معنی است که دمای مرتبط با انرژی گرمایی نزدیک به دمای محیط است. انجام کار در یک سیستم تنها زمانی امکان‌پذیر است که در آن سیستم اختلاف دما وجود داشته باشد بنابراین انرژی گرمایی سطح پایین نشان دهنده انتهای جاده انتقال انرژی است و در نتیجه انجام کار مفید دیگر امکان‌پذیر نیست. این انرژی در نهایت به عنوان انرژی اتلاف شده به محیط باز می‌گردد.

انتقال انرژی گرمایی
تصویر 1: انتقال انرژی گرمایی

فرمول انرژی گرمایی چیست؟

انرژی حرارتی انرژی تولید شده از گرما است. این گرما با حرکت ذرات کوچک درون یک جسم تولید می‌شود. هرچه ذرات سریعتر حرکت کنند گرمای بیشتری نیز تولید می‌شود. انرژی حرارتی مسئول دمای سیستم و بخشی از کل انرژی سیستم است که مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی است.

انرژی گرمایی معمولاً با Q نشان داده می‌شود. این کمیت مستقیماً با جرم ماده، اختلاف دما و گرمای ویژه متناسب است. واحد SI انرژی حرارتی ژول (J) است و توسط رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$\large Q=mc\Delta T$$

که در رابطه بالا Q انرژی گرمایی، m جرم عنصر مورد نظر، c گرمای ویژه که برای هر جسم مقدار مشخصی دارد و $$\Delta T$$ اختلاف دما است. قبل از حل مثال با استفاده از این رابطه باید گفت گرمای ویژه مقدار گرمای مورد نیاز در واحد جرم هر جسم برای افزایش درجه حرارت یک درجه سانتیگراد است.

پرسش: انرژی حرارتی ماده‌ای را تعیین کنید که جرم آن 6 کیلوگرم و گرمای ویژه آن $$c=0.030 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}^{\circ} \mathrm{C}$$ باشد. تغییرات دمای این سیستم 20 درجه سانتی گراد است.

پاسخ: با توجه به جرم و گرمای ویژه داده شده و اختلاف دمای 20 درجه سانتی‌گراد، انرژی گرمایی جسم برابر است با:

$$\large \begin{aligned}
Q &=m c \Delta T \\
&=6 \times 0.030 \times 20 \\
Q &=3.6 \mathrm{~J}
\end{aligned}$$

پرسش: یک ماده 5 کیلوگرمی تحت اختلاف دما 60 درجه سانتیگراد قرار می‌گیرد که گرمای ویژه آن $$c=0.070 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}^{\circ} \mathrm{C}$$ است انرژی حرارتی را برای این جسم تعیین کنید.

پاسخ: با توجه به اینکه جرم جسم 5 کیلوگرم و گرمای ویژه آن $$c=0.070 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}^{\circ} \mathrm{C}$$ است و در اختلاف دمای 60 درجه سانتی‌گراد قرار گرفته است، با استفاده از رابطه انرژی گرمایی داریم:

$$\large \begin{aligned}
Q &=m c \Delta T \\
&=5 \times 0.070 \times 60 \\
Q &=21 \mathrm{~J}
\end{aligned}$$

انرژی گرمایی

برای آشنایی بیشتر با انرژی گرمایی، می‌توانید فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

انرژی گرمایی چگونه تولید می‌شود؟

انرژی گرمایی زمانی تولید می‌شود که اتم‌ها و مولکول‌های درون یک ماده سریع‌تر از حالت معمول حرکت می‌کنند. این حرکت سریع‌تر به دلیل بالا رفتن دمای ماده ایجاد می‌شود و سبب تولید گرما می‌شود. در نتیجه هر چه دمای جسمی بالاتر باشد انرژی حرارتی آن نیز بالاتر است.

روش‌های انتقال گرما چیست؟

گرما همواره از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین تر منتقل می‌شود. انتقال گرما از سه روش صورت می‌گیرد که عبارتند از:

  • رسانش که شامل انتقال انرژی گرمایی از یک جسم به جسم دیگری است که با آن در تماس است.
  • انتقال همرفت که در آن انرژی گرمایی توسط یک سیال مانند آب یا هوا منتقل می‌شود.
  • تابش که در این فرآیند انرژی گرمایی توسط امواج الکترومغناطیسی منتقل می‌شوند.

برای آشنایی بیشتر با روش‌های انتقال گرما مطلب روش های انتقال گرما — به زبان ساده را مطالعه کنید.

روش‌های مختلف انتقال انرژی گرمایی
تصویر 2: روش‌های مختلف انتقال انرژی گرمایی

انرژی حرارتی چیست؟

نام دیگر انرژی گرمایی، انرژی حرارتی است و غیر از نام این دو انرژی هیچ تفاوتی با هم ندارند.

انرژی گرمایی ناشی از اصطکاک

مثالی را در نظر بگیرید که مردی جعبه‌ای را با سرعت ثابت از یک سطح ناهموار عبور می‌دهد این موضوع در شکل (3) نشان داده شده است. از آنجا که نیروی اصطکاک نیروی ناپایستار است، کار انجام شده به عنوان انرژی پتانسیل در جسم ذخیره نمی‌شود.

تمام کاری که توسط نیروی اصطکاک انجام می‌شود منجر به تبدیل انرژی به انرژی گرمایی سیستم کف و جعبه می‌شود. این انرژی حرارتی به صورت گرما درون جعبه و کف جریان می‌یابد و در نهایت باعث افزایش دمای این اجسام می‌شود.

انرژی گرمایی ناشی از اصطکاک
تصویر 3: انرژی گرمایی ناشی از نیروی اصطکاک

برای پیدا کردن تغییرات انرژی گرمایی کل یعنی $$\Delta E_{T}$$ سیستم جعبه-سطح، می‌توان کل کار انجام شده توسط اصطکاک را در حالی که فرد جعبه را روی سطح می‌کشد محاسبه کرد.

با توجه به اینکه جعبه با سرعت ثابت بر روی سطح در حال حرکت است یعنی مقدار نیروی اعمال شده از طرف فرد و نیروی اصطکاک با هم برابر هستند زیرا حرکت جعبه بر روی سطح با شتاب صفر در حال انجام است.

بدین ترتیب با توجه به اینکه رابطه کار انجام شده برابر با حاصلضرب نیرو در جابه‌جایی است و مقدار دو نیرو با هم برابر هستند، پس کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک و نیرویی که فرد با آن جعبه را هل می‌دهد نیز برابر خواهد بود.

با استفاده از تعریف کار انجام شده توسط نیرویی موازی با جهت حرکت جسمی که فاصله $$d$$ را طی می‌کند، داریم:

$$\large W=F.d$$
$$\large \Delta E_{T}=F_{\text {friction }} \cdot d$$

اگر ضریب اصطکاک جنبشی را برابر با $$\mu_{k}$$ در نظر بگیریم، رابطه انرژی گرمایی به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\large \Delta E_{T}=\mu_{k}F_{n} d$$

در رابطه بالا $$F_{n}$$ نیروی عمود بر سطح است که برای مطالعه بیشتر در مورد این نیرو مطلب نیروی عمودی سطح — به زبان ساده را مطالعه کنید.

پرسش: فرض کنید شخصی که در تصویر (3) نشان داده‌ایم جعبه را با سرعت ثابت هل می‌دهد. جعبه دارای جرم 100 کیلوگرم است و مسافتی برابر با 100 متر را طی می‌کند. همچنین ضریب اصطکاک جنبشی بین جعبه و کف برابر با $$\mu_{k}=0.3$$ است. با توجه به این مقادیر چه مقدار انرژی گرمایی به سیستم جعبه و کف منتقل می‌شود؟

پاسخ: با در نظر گرفتن اینکه جعبه سرعت ثابت دارد و حرکت شتابدار نیست و جهت اعمال نیرو و جابه‌جایی موازی یکدیگر است. مقدار نیرویی که شخص وارد می‌کند برابر با نیروی اصطکاک است. اگر این نیرو در طول مسیر گفته شده اعمال شود تغییرات انرژی گرمایی جعبه و سطح برابر است با:

$$\large \begin{aligned}
\Delta E_{T} &=0.3 \cdot 9.81 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^{2} \cdot 100 \mathrm{~kg} \cdot 100 \mathrm{~m} \\
&=29.43 \mathrm{~kJ}
\end{aligned}$$

پرسش: هنگامی که فرد جعبه را روی زمین می‌کشد نیروی اصطکاک بین کف کفش او و زمین برقرار است، با توجه به این موضوع آیا تغییری در انرژی حرارتی کفش‌های شخص ایجاد می‌شود؟

پاسخ: به شرط عدم لغزش و سُر خوردن فرد تغییری در انرژی حرارتی کفش ایجاد نخواهد شد. وقتی شخصی راه می‌رود پاهای خود را بلند می‌کند. اگر چه نیروی اصطکاک ایستایی بین کفش و کف مهم است اما نیرو از هر مسیری اعمال نمی‌شود و بنابراین کاری انجام نمی‌شود. این نیروی اصطکاک جنبشی است که انرژی گرمایی ایجاد می‌کند نه نیروی اصطکاک ایستایی یا ساکن.

انرژی حرارتی ناشی از نیروی درگ (Drag)

نیروی درگ بر روی یک جسم در حال حرکت در یک سیال مانند هوا یا آب نمونه دیگری از یک نیروی ناپایستار است. وقتی جسمی در یک سیال حرکت می‌کند مقداری تکانه به سیال منتقل می‌شود و سیال به حرکت در می‌آید.

اگر جسم از حرکت متوقف شود باز هم حرکت در مایع یا سیال وجود دارد. این حرکت بعد از مدتی از بین می‌رود. آنچه در اینجا اتفاق می‌افتد این است که حرکت‌های بزرگ مایعات در نهایت در بسیاری از حرکت‌های تصادفی کوچکتر از مولکول‌های مایع دوباره توزیع می‌شوند. این حرکات نشان‌دهنده افزایش انرژی گرمایی در سیستم است.

تصویر (4) سیستمی را نشان می‌دهد که در آن یک مخزن آب که عایق حرارتی است دارای یک شافت معلق در درون خود است. دو پدال به شافت متصل شده که حول محور خود می‌چرخند.

در این سیستم هر کاری که در چرخش شافت انجام شود منجر به انتقال انرژی جنبشی به آب می‌شود. اگر بعد از مدتی نیروی محرک از شافت خارج شود باز هم حرکت در آب وجود دارد. با این حال حرکت آب در نهایت کاهش می‌یابد و منجر به افزایش انرژی گرمایی آب می‌شود.

جالب این است که سیستمی شبیه به آنچه در تصویر (4) نشان داده شده است توسط «جیمز پریسکوت ژول» (James Prescott Joule) که واحد انرژی SI به یاد او نامگذاری شده، استفاده شده است. وی با استفاده از یک چرخ پارویی که در یک مخزن روغن نهنگ غوطه ور شده بود و با کاهش وزن رانده شده توانست رابطه بین انرژی مکانیکی و گرما را تعیین کند. این امر منجر به بیان قانون پایستگی انرژی و قانون اول ترمودینامیک شد.

انرژی گرمایی ناشی از نیروی درگ
تصویر 4: انرژی گرمایی ناشی از نیروی درگ

پرسش: فرض کنید چرخ پارویی که در تصویر (4) نشان داده شده است توسط یک موتور الکتریکی چرخانده می‌شود که توان خروجی 10 وات را در مدت زمان 30 دقیقه می‌دهد. چه مقدار انرژی حرارتی به آب منتقل می‌شود؟

پاسخ: در این سیستم، تمام انرژی در نهایت به انرژی گرمایی آب تبدیل می‌شود (فرض کنید که از ظرفیت گرمایی پدال‌ها صرف نظر شده است). بنابراین می‌توان از مفهوم توان برای پیدا کردن انرژی گرمایی کل استفاده کرد و داریم:

$$\large \begin{aligned}
E_{T} &=\text { Power } \cdot \text { Duration } \\
&=10 \mathrm{~W} \cdot(30 \cdot 60 \mathrm{~s}) \\
&=18 \mathrm{~kJ}
\end{aligned}$$

پرسش: در مثال بالا اگر مخزن در ابتدا حاوی یک لیتر آب در دمای 10 درجه سانتی‌گراد باشد پس از آنکه حرکت موتور و آب به اطراف مخزن متوقف شود، دمای آب چقدر خواهد بود؟

پاسخ: محاسبه تغییر دما از تغییر انرژی گرمایی نیازمند این است که گرمای ویژه سیال را بدانیم. گرمای ویژه آب برابر با $$c=4.186 \mathrm{~J} / \mathrm{g}^{\circ} \mathrm{C}$$ است. با استفاده از رابطه بین انرژی گرمایی و تغییرات دمای یک جسم داریم:

$$\large \begin{array}{l}
E_{T}=\mathrm{cm} \Delta T \\
\begin{aligned}
\Delta T &=\frac{E_{T}}{c \cdot m} \\
&=\frac{18 \cdot 10^{3} \mathrm{~J}}{\left(4.186 \mathrm{~J} / \mathrm{g}^{\circ} \mathrm{C}\right) \cdot(1000 \mathrm{~g})} \\
&=4.3^{\circ} \mathrm{C}
\end{aligned} \\
\end{array}$$

و در نتیجه دما بر حسب درجه سلسیوس برابر است با:

$$\large \begin{array} &T= T_{0}+\Delta T \\
= 10^{\circ} \mathrm{C}+4.3^{\circ} \mathrm{C} \\
= 14.3^{\circ} \mathrm{C}
\end{array}$$

منابع انرژی گرمایی چه هستند؟

موارد استفاده از انرژی حرارتی را می‌توان براساس منابع تولید، نحوه تولید و موارد استفاده آن طبقه بندی کرد. برای مثال در منبع زیست توده مانند چوب در هنگام سوختن انرژی حرارتی تولید می‌شود که می‌تواند در دیگ‌های بخار به کار رود که به نوبه خود هم برای استفاده‌های شخصی کاربرد دارد و هم در مصارف صنعتی قابل استفاده است.

منابع زیر منابع رایج تولید انرژی گرمایی هستند:

  1. انرژی گرمایی زیست توده
  2. انرژی گرمایی خورشیدی
  3. انرژی حرارتی یا گرمایی مکانیکی
  4. انرژی گرمایی الکتریکی
  5. سوخت‌های فسیلی
  6. انرژی زمین گرمایی

انرژی حرارتی تولید شده توسط این فرآیندها کاربردهای مختلفی هم در مصارف شخصی و هم در صنعت دارد. در ادامه این مطلب کاربردهای مختلف انرژی گرمایی را بررسی می‌کنیم.

کاربردهای انرژی گرمایی زیست توده

انرژی حرارتی ناشی از چوب در کشورهای در حال توسعه بیشترین استفاده را دارد به طوری که بیش از 2/5 میلیارد نفر در این کشورها صرفاً به انرژی ناشی از چوب برای مصارف خانگی و صنعتی وابسته هستند.

انرژی گرمایی زیست توده
تصویر 5: انرژی گرمایی زیست توده

چوبی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد چوب درختان، شاخه‌ها، محصولات چوبی مانند الوارهای دور ریخته شده و خاک اره است. بسیاری از خانواده‌ها و صنایع از چوب برای تولید انرژی گرمایی در موارد زیر استفاده می‌کنند:

  • از چوب خشک در اجاق‌های سنتی برای احتراق و برای تولید انرژی گرمایی برای پخت و پز در منازل، جوشاندن آب و سایر مصارف گرمایشی خانگی استفاده می‌شود.
  • تخته‌های چوبی را در گودال یا کوره‌ای دفن می‌کنند و بدون اکسیژن پوشانده و می‌سوزانند تا زغال تولید کنند. ارزش گرمایش زغال علاوه بر تمیزتر بودن از چوب خام نیز بالاتر است. از زغال چوب برای تولید انرژی گرمایی برای پخت و پز، دیگ‌های بخار، گرمایش و بسیاری از مصارف خانگی استفاده می‌شود.
  • چوب خشک بیشتر درختان سوزنی برگ و صنوبر به سرعت می‌سوزند. از این چوب‌ها برای تولید گرمای زیاد استفاده می‌شود که به عنوان انرژی حرارتی برای تنورهای نان کاربرد دارد.
  • در شومینه و دیگ‌های بخار از الوارهای چوب سخت استفاده می‌شود که با سرعت کمتری می‌سوزند و گرمای مداوم تولید می‌کنند. انرژی حرارتی تولید شده برای جوشاندن آب و تولید بخار و سایر مصارف صنعتی کاربرد دارد.
  • سرامیک، کاشی و آجر برای پختن و سفت شدن به انرژی گرمایی نیاز دارند. چوب هنوز تولید کننده اصلی انرژی حرارتی است که برای این موضوع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • بسیاری از محصولات صنعتی مانند کاغذ و مقوا به مقدار زیادی انرژی گرمایی ناشی از سوزاندن چوب و تولید گرما نیاز دارند.
  • برخی بخارشوهای صنعتی چوب را می‌سوزانند تا گرما تولید کنند، این گرما برای گرم کردن آب تا نقطه جوش استفاده می‌شود. این بخار از طریق یک نازل تحت فشار قرار می‌گیرد و انرژی حرارتی تولید شده برای شل کردن خاک، از بین بردن ریزگردها، کپک‌ها و سایر مواد حساسیت زای دیگر استفاده می‌شود.
  • دیگ‌های بخار چوبی نیز برای گرم کردن آب مورد استفاده قرار می‌گیرند، بخار تولید شده از این دیگ‌ها برای راه اندازی توربینی که جریان الکتریکی تولید می‌کند استفاده می‌شود.
  • انرژی گرمایی مورد استفاده از این منبع همچنین می‌تواند در مصارف صنعتی به روش انتقال حرارت استخراج شود. در جایی که مایعات (عمدتاً آب) می‌توانند گردش کنند، این روش برای انتقال گرما از ماشین آلات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • سوخت‌های زیست توده همچنین می‌توانند به گازهای تولید کننده قابل احتراق تبدیل شوند. در این روش چوب، توده گیاه یا زغال چوب در محفظه احتراق قرار می‌گیرند و در فرآیندی به نام گازدهی به شدت گرم می‌شوند. گرما زیست توده را به گاز تولید کننده قابل احتراق تبدیل می‌کند.
  • همچنین از انرژی حرارتی برای تبدیل چوب، ضایعات کشاورزی و زباله‌های زغال چوب برای تولید بلوک زغال سنگ در فرآیندی به نام تراکم استفاده می‌شود. بقایای چوب و زغال چوب که کربنیزه هستند توسط انرژی حرارتی به بلوک زغال سنگ تبدیل می‌شوند.
  • سوخت مایع را نیز می‌توان از طریق هیدرولیز با کمک انرژی حرارتی تولید کرد. در این روش مایع استخراج شده از انواع مختلف زیست توده، تفاله چوب، نیشکر و غیره توسط هیدرولیز به اتانول یا الکل تبدیل می‌شوند.

کاربردهای انرژی گرمایی خورشیدی

انرژی گرمایی خورشیدی یکی از تمیزترین انرژی‌های پایدار و تجدید پذیر روی زمین است. انرژی حرارتی خورشیدی از دو طریق گرمایش غیر فعال خورشیدی و گرمایش خورشیدی فعال به دست می‌آید. در هر دو روش انرژی جمع می‌شود و یا مانند گرمایش غیر فعال خورشیدی ذخیره می‌شود یا به صورت مکانیکی جمع آوری و توزیع می‌شود.

کاربردهای انرژی گرمایی خورشیدی
تصویر 6: کاربردهای انرژی گرمایی خورشیدی
  • انرژی حرارتی خورشیدی برای افزایش انرژی داخلی یک عنصر از طریق تابش خورشید استفاده می‌کند. سپس این گرما از طریق یک سیال به جایی که مورد نیاز است منتقل می‌شود.
  • از کلکتورهای خورشیدی نیز برای جمع آوری و ذخیره انرژی گرمایی خورشیدی استفاده می‌شود که سپس این انرژی برای گرم کردن آب برای مصارف خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد .
  • پنل‌های فتوولتائیک انرژی خورشیدی را جمع آوری می‌کنند. این پنل‌ها برای جمع آوری انرژی گرمایی خورشیدی و تبدیل آن به جریان مستقیم که می‌تواند به عنوان انرژی الکتریکی AC استفاده شود مورد استفاده قرار می‌گیرند.
  • انرژی گرمایی خورشید همچنین می‌تواند در نیروگاه‌های حرارتی جمع شود و برای گرم کردن آب و تولید بخار مورد استفاده قرار گیرد. این انرژی سپس به یک منبع واحد هدایت می‌شود تا یک توربین تولیدکننده برق کار کند.
  • همچنین از انرژی حرارتی خورشیدی برای گرم کردن استخرهای فضای باز و سرپوشیده به ویژه در زمستان استفاده می‌شود.
  • از انرژی حرارتی خورشیدی برای گرمایش از کف و گرمایش رادیاتور برای گرم شدن خانه استفاده می‌شود.
  • استفاده دیگر از انرژی حرارتی خورشیدی در گرمایش دیگ‌های بخار آب خانگی است که آب گرم و مطبوع را برای دوش گرفتن، استفاده در آشپزخانه و سایر مصارف آب گرم خانگی میسر می‌کند.
  • انرژی خورشیدی برای کار با وسایل برودتی نیز استفاده می‌شود، مانند تهویه مطبوع در ساختمان‌ها و فرآیندهای خنک‌کننده صنعتی.
  • انرژی حرارتی خورشیدی یک روش کارآمد برای خشک کردن دانه است. در این روش از انرژی الکتریکی خورشیدی استفاده می‌شود تا هوای گرم به دانه‌ها برسد و به صورت یکنواخت آن‌ها را خشک کند .
  • اجاق‌های خورشیدی از انرژی حرارتی خورشیدی برای پخت کیک یا نان و هر چیزی که نیاز به پخت داشته باشد استفاده می‌کنند، استفاده از این اجاق‌های خورشیدی برای مصارف خانگی و صنعتی کارآمد و بی خطر است.
  • نیروگاه آب شیرین کن خورشیدی از انرژی حرارتی خورشیدی برای تعدیل سیستم‌های فتوولتائیک و RO (اسمز معکوس) برای تأمین فیلتراسیون آب شور و تأمین آب آشامیدنی تمیز استفاده می‌کند.

کاربردهای انرژی گرمایی مکانیکی

انرژی مکانیکی و حرارتی هنگامی تولید می‌شود که دو جسم به یکدیگر مالیده شوند تا اصطکاک ایجاد کنند.

  • روش‌های قدیمی روشن کردن آتش و شروع آتش سوزی نمونه‌ای عالی از انرژی مکانیکی و حرارتی در محل کار است. در دنیای امروز می‌توان آن را در آتش زدن یک چوب کبریت مشاهده کرد. در حقیقت اصطکاک مکانیکی باعث ایجاد جرقه‌ای می‌شود که سر چوب کبریت را روشن می‌کند.

کاربردهای انرژی گرمایی الکتریکی

کاربردهای انرژی گرمایی الکتریکی
تصویر 7: کاربردهای انرژی گرمایی الکتریکی

انرژی الکتریکی در نتیجه حرکت ذرات باردار رخ می‌دهد و در نتیجه پتانسیل بسیار زیادی برای تولید انرژی گرمایی دارد. انرژی الکتریکی به راحتی به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود و در بخش‌های مختلف در صنایع و در کاربردهای شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این قسمت برخی از لوازم خانگی و ابزارها که انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کنند آورده شده است.

  • توستر نان یک نمونه عالی از انرژی حرارتی الکتریکی در محل کار یا خانه است، در این فرآیند انرژی الکتریکی باعث می‌شود المنت‌ها و رشته‌های دستگاه گرم شوند و در نتیجه انرژی گرمایی ایجاد شده سبب می‌شود تا نان گرم و برشته شود.
  • خشک کردن لباس در خشک کن لباس نیز نمونه‌ دیگری از کاربردهای انرژی گرمایی است. در این دستگاه جریان الکتریکی و برق به خشک کن لباس متصل شده، هنگام چرخش این جریان سبب گرم شدن رشته‌ها و المنت‌های دستگاه شده و آن‌ها را گرم می‌کند و در نتیجه این انرژی گرمایی ایجاد شده لباس شما خشک می‌شود.
  • استفاده دیگر از انرژی حرارتی الکتریکی را می‌توان در اتو موهای برقی مشاهده کرد، در این ابزار انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی در شانه تبدیل می‌شود که از این گرما برای صاف شدن مو استفاده می‌شود.
  • در اجاق برقی نیز برق به المنت‌ها و اجزای دستگاه فرستاده می‌شود و انرژی حرارتی تولید می‌شود و از این گرما برای گرم کردن ظروف غذا و پختن غذا استفاده می‌شود.
  • الکتریسیته در کتری برقی نیز المنت‌های دستگاه را گرم کرده و انرژی حرارتی تولید می‌کند که از این انرژی برای جوشاندن شیر، آب یا قهوه استفاده می‌شود.
  • زودپزهای برقی انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی تبدیل کرده و گرما تولید می‌کنند که از این انرژی می‌توان برای پخت و پز یا گرم کردن غذا استفاده کرد.
  • در اجاق‌های مایکروویو که تابش الکترومغناطیسی در محدوده فرکانس مایکروویو رخ می‌دهد، با چرخش مواد غذایی در مایکروویو انرژی گرمایی از طریق گرمایش دی الکتریک تولید می‌شود و از این انرژی برای پخت و پز یا گرم شدن غذا استفاده می‌شود.
  • لامپ‌های رشته‌ای هنگامی که روشن هستند در اثر حرارت تولید شده از رشته‌های لامپ با عبور جریان الکتریکی، انرژی گرمایی تولید می‌کنند.
  • همچنین از انرژی حرارتی هنگام سوزاندن سوخت فسیلی در ایستگاه‌های تولید برق استفاده می‌شود تا انرژی ترموالکتریک تولید شود.

کاربردهای انرژی گرمایی در صنعت

  • از انرژی الکتریکی و حرارتی در کارخانه‌های تولید کاغذ برای بخار دادن و خمیر کردن چوب استفاده می‌شود. همچنین برای سفید سازی و آماده سازی شیمیایی، تبخیر و خشک کردن محصولات نهایی نیز از انرژی گرمایی و الکتریکی استفاده می‌شود.
  • پالایشگاه‌های نفت از انرژی حرارتی در چندین فرآیند ترک خوردگی، اصلاح و تصفیه استفاده می‌کنند. این فرآیند برای احتراق و جداسازی به انواع مختلف انرژی گرمایی یعنی بخار و گرمای مستقیم نیاز دارد.
  • اصلاح کاتالیزوری فرآیندی است که در آن بنزین و نفتا با اکتان کم از طریق دهیدروژناسیون نفتا به مواد معطر با اکتان بالا تبدیل می‌شوند، دهیدروسیکلاسیون پارافین به مواد معطر، ایزومریزاسیون و هیدروکلریک فرآیندهایی هستند که تمام آن‌ها به انرژی گرمایی نیاز دارند.
  • صنایع فولاد و آهن از انرژی حرارتی برای تولید فولاد از سنگ آهن با ذوب کک یا سنگ آهک استفاده می‌کنند. هنگامی که آهن مذاب درون شمش ریخته می‌شود و با نورد سرد و گرم به ورق می‌رسد انرژی حرارتی موجود در آن توزیع می‌شود.
  • کارخانه‌های تولید کاغذ برای خشک کردن محصولات خود به مقدار زیادی انرژی گرمایی نیاز دارند. آنها از گرما به شکل هوای گرم و بخار استفاده می‌کنند که از برق تولید می‌شود. بسیاری از کارخانه‌های تولید کاغذ دارای مکانیزم‌های بازیافت گرما هستند. در این مکانیزم دستگاه بخارگیر انرژی حرارتی را به دام می‌اندازد و آن را برای استفاده مجدد بازیافت می‌کند.
  • کارخانه‌های تولید مقوا از انرژی حرارتی برای خشک کردن محصولات و فشار دادن تخته‌ها استفاده می‌کنند. در این کارخانه‌ها برای گرم کردن هوا و تولید بخار در دیگ‌های بخار از برق استفاده می‌شود. بسیاری از این کارخانه‌ها نیز دارای مکانیزم‌های بازیافت انرژی حرارتی هستند و در نتیجه دستگاه بخارگیر انرژی حرارتی را به دام می‌اندازد و آن را برای کارایی مجدد بازیافت می‌کند.
  • صنایع از گاز طبیعی، برق، نفت و زغال سنگ برای تولید انرژی حرارتی استفاده می‌کنند که از این انرژی برای گرم کردن فرآیندهای صنعتی و گرمایش فضا در ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
  • تولید اتیل الکل در حین تقطیر به انرژی اتانول نیاز دارد. در این فرآیند انرژی حرارتی در مراحل مختلف مانند خشک کردن قبل از تصفیه و تهویه مورد نیاز است. بخار گرم نیز در تقطیر استفاده می‌شود، همچنین آب در حین فرآیند خنک سازی و برای توزیع انرژی گرمایی به صورت یکسان استفاده می‌شود.
  • چسب و لاستیک الیاف پلاستیکی با استفاده از انرژی حرارتی اماده و پردازش می‌شوند. این قطعات که معمولاً به عنوان پلیمرها شناخته می‌شوند شامل قطعات خودرو، قطعات هواپیما، کف فنجان قهوه و موارد دیگر هستند.
  • صنایع پتروشیمی از انرژی حرارتی در شکستن اتان طبیعی و پروپان به الفین‌هایی مانند اتیلن و پروپیلن و مواد معطری مانند ایزومرهای بنزن و زایلن که با اصلاح کاتالیزوری تولید می‌شوند، استفاده می‌کنند.
  • کلر توسط الکترولیز تولید می‌شود که شامل عبور جریان الکتریکی از محلول آب نمک برای آزاد کردن انرژی گرمایی است که باعث تغییر ترکیبات سود سوزآور و هیدروژن می‌شود.
  • کود نیتروژن از آمونیاک، نیترات آمونیوم و اوره تولید می‌شود که با استفاده از انرژی گرمایی تحت فشار بالا به دست می‌آید.
  • ​​آسیاب مرطوب ذرت از انرژی گرمایی برای شکستن هسته ذرت به روغن ذرت، پروتئین، نشاسته ذرت و فیبر استفاده می‌کند.
  • سیمان از شکستن سنگ آهک از طریق استفاده از انرژی گرمایی تولید می‌شود.
  • پتاس با استفاده از انرژی حرارتی از طریق الکترولیز برای شکستن مواد شیمیایی به خاکستر محلول در آب تولید می‌شود.
  • بلانچینگ فرآیندی است که طی آن طبخ مواد غذایی با انرژی گرمایی با قدرت کم صورت می‌گیرد و در نتیجه آن ویتامین‌ها و سایر مواد معدنی سبزیجات و سایر مواد غذایی در صنایع غذایی حفظ می‌شود. همچنین این روش در طیف وسیعی از صنایع دیگر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • بسیاری از فرآیندهای صنعتی به انتقال گرما از طریق انرژی حرارتی سیال منتقل شده در گرمایش و سرمایش در حین تولید نیاز دارند.

کاربرد سوخت‌های فسیلی و انرژی گرمایی

سوخت فسیلی و انرژی گرمایی
تصویر 8: سوخت فسیلی و انرژی گرمایی
  • بنزین موتور برای تولید انرژی گرمایی می‌سوزد و می تواند برای تأمین انرژی انواع ماشین آلات از جمله توربین‌های در حال کار برای تولید برق استفاده شود.
  • سوخت جت نوعی نفت سفید است که می‌سوزد و انرژی حرارتی لازم برای رانش یک هواپیما را فراهم کرده و این انرژی گرمایی به نیروی محرک تبدیل می‌شود.
  • مایعات گاز هیدروکربن همه کاره هستند و برای استفاده در مصارف صنعتی، خانگی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از انرژی گرمایی تولید شده از این مایعات برای گرم کردن، پخت و پز و فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود.
  • از سوخت‌های تقطیری برای گرم کردن و کارکردن موتورها در وسایل نقلیه موتوری مانند اتوبوس و سایر وسایل نقلیه تجاری استفاده می شود، در این فرآیند انرژی حرارتی تولید شده به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود.
  • کک نفتی به مواد کربنی جامد مختلف حاصل از فرآوری نفت اشاره دارد. این مواد شامل روغن خام کلسینه شده و سوزنی هستند. از این مواد برای تولید انرژی حرارتی مورد استفاده برای آتش زدن آجرها و ذوب فلز استفاده می‌شود.
  • مواد اولیه پتروشیمی محصولات شیمیایی است که از نفت به دست می‌آید. این مواد برای تولید الفین‌های ساده مانند اتیلن که برای ایجاد انرژی گرمایی استفاده می‌شوند و می‌توانند برای تولید سایر محصولات نیز استفاده شوند کاربرد دارند.
  • از روان کننده‌ها برای کاهش تولید انرژی گرمایی در موتورهای در حال کار استفاده می‌شود.
  • بنزین هواپیما انرژی حرارتی لازم برای تأمین انرژی موتورهای جت را تولید می‌کند.
  • موم‌ها محصولات جانبی تصفیه روغن هستند. از این محصولات برای تولید انرژی گرمایی در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.
  • مازوت برای تولید انرژی گرمایی که در دیگ‌های بخار نیاز است مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • نفت سفید برای تولید انرژی حرارتی مورد استفاده در پخت و پز استفاده می‌شود.
  • آسفالت و روغن‌های جاده با انرژی حرارتی گرم می‌شوند و در هنگام گرم شدن در جاده فشار داده می‌شوند تا آسفالت هموار و مناسبی به دست آید.
  • هنوز هم در بسیاری از اماکن گاز روشن می‌شود و از آن برای تولید انرژی گرمایی برای مصارف خانگی و صنعتی استفاده می‌شود.

انرژی زمین گرمایی

چشمه‌های آب گرم، فواره‌های طبیعی و سایر منابع انرژی زمین گرمایی از انرژی حرارتی حاصل از فعالیت‌های آتشفشانی استفاده می‌کنند. این انرژی حرارتی آب گرم یا بخار تولید می‌کند که می‌تواند برای مصارف مختلف چه از نظر صنعتی و چه از نظر تجاری مورد استفاده قرار گیرد.

انرژی زمین گرمایی
تصویر 9: انرژی زمین گرمایی
  • از چشمه های آب گرم زمین گرمایی برای حرکت توربین‌هایی که برق تولید می‌کنند استفاده می‌شود و انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
  • آبی که مستقیماً توسط انرژی حرارتی آتشفشانی گرم می‌شود برای گرم کردن ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این انرژی می‌تواند برای گرم کردن آب استخرها خانگی استفاده شود و یا به صوت مستقیم برای ایجاد آب گرم درمانی و سایر امکانات درمانی در استخرهای آبزی پروری نیز استفاده شود.
  • انرژی گرمایی تولید شده توسط نیروی زمین گرمایی را می‌توان جهت پخت و پز در داخل خانه‌ها هدایت و کنترل کرد.
  • می‌توان از این انرژی گرمایی برای خشک کردن میوه‌ها، سبزیجات و چوب به صورت تجاری استفاده کرد.
  • انرژی حرارتی حاصل از نیروی زمین گرمایی با موفقیت برای ذوب برف در سطح وسیع در جاده‌ها و سایر تأسیسات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • مبدل‌های حرارتی برای انتقال انرژی گرمایی در ماشین آلات و دیگ‌های بخار استفاده می‌شوند.
  • پمپ‌های حرارتی زمین گرمایی تولید انرژی گرمایی کرده و بدین ترتیب می‌توانند موتورها و خانه‌ها را گرم کنند.
  • در پاستوریزه کردن شیر از گرمای زمین گرمایی نیز استفاده می‌شود.
  • زغال سنگ بخار به عنوان زغال سنگ حرارتی برای تولید برق استفاده می‌شود.
  • زغال کک که به زغال سنگ متالورژیک معروف است، برای تولید انرژی گرمایی برای تولید فولاد استفاده می‌شود.
  • انرژی حرارتی تولید شده توسط پروپان در گرمایش منازل و آب دیگ‌های بخار و خشک کردن لباس، گرمایش گلخانه‌ها و محل نگهداری دام مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • پالایشگاه‌های آلومینا از زغال سنگ برای تولید انرژی گرمایی استفاده می‌کنند که در تولید و ذوب آلومینیوم استفاده می‌شوند.

برای آشنایی بیشتر با انرژی زمین گرمایی مطلب انرژی زمین‌ گرمایی (Geothermal Energy) چیست؟ — از صفر تا صد را مطالعه کنید. همانطور که مشاهده کردید جهان بدون انرژی گرمایی نمی‌تواند وجود داشته باشد. خورشید مهمترین مولفه‌ای است که زمین را گرم می‌کند و به هر موجود زنده‌ای حیات می‌بخشد. ذکر این نکته در انتهای این نوشتار نیز ضروری است که بدن شما از مواد غذایی که می‌خورید انرژی گرمایی تولید می‌کند. در حقیقت این انرژی گرمایی است که سلول‌های بدن شما را فعال کرده و به آن‌ها نشاط می‌بخشد.

معرفی فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ فرادرس

آموزش ترمودینامیک ۱

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ کرده است. این مجموعه آموزشی از نه درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته مهندسی شیمی، فیزیک، پرتوپزشکی و مهندسی مکانیک مفید است. پیش‌نیاز این درس آموزش فیزیک و آموزش ریاضی عمومی ۱ (همراه با حل مثال و تست کنکور کارشناسی ارشد) است.

درس اول این مجموعه توضیحات مقدماتی و درس دوم به مفاهیم و تعاریف اولیه گرما و دما می‌پردازد. درس سوم به تعریف و مطالعه ویژگی‌های خواص ماده خالص و درس چهارم به بررسی کار و گرما اختصاص دارد. در درس پنجم قانون اول ترمودینامیک و در درس ششم تحلیل قانون اول ترمودینامیک برای حجم کنترل را خواهید آموخت. در درس هفتم قانون دوم ترمودینامیک و در درس هشتم مفاهیم مربوط به آنتروپی بررسی می‌شود. در نهایت و در درس نهم تحلیل قانون دوم ترمودینامیک در حجم کنترل را خواهید آموخت.

جمع بندی

در این مطلب در مورد انرژی گرمایی یا انرژی حرارتی آموختیم. عامل اصلی انرژی گرمایی دمای جسم است. بدین ترتیب در ابتدای مطلب انرژی گرمایی و روابط حاکم بر انرژی گرمایی را مورد بحث و بررسی قرار دادیم. به علاوه در مورد روش‌های مختلف انتقال انرژی گرمایی نیز به اختصار صحبت کردیم. همچنین انرژی گرمایی ناشی از نیروی اصطکاک و نیروی درگ را بررسی کرده و در نهایت منابع و کاربردهای انرژی گرمایی را معرفی کردیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سارا داستان (+)

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *