علوم پایه, فیزیک 1383 بازدید

در مطلب مربوط به انرژی و تبدیل های آن با انواع انرژی آشنا شدیم. در این مطلب قصد داریم تا منابع انرژی را بررسی کنیم. منابع انرژی از نظر تولید به دو دسته تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر تقسیم می‌شوند که در این مطلب با آن‌ها آشنا خواهیم شد.

منابع انرژی تجدید پذیر

پنج دسته از منابع انرژی تجدید پذیر هستند. این پنج دسته از منابع انرژی تجدید پذیر به صورت زیر تقسیم بندی می‌شوند:

  • انرژی خورشیدی از خورشید
  • انرژی گرمایی زمین حاصل از گرمای داخل زمین
  • انرژی باد
  • زیست توده از گیاهان
  • برق آبی از آب جاری

به این منابع انرژی، انرژی‌های تجدیدپذیر گفته می‌شود زیرا به طور طبیعی دوباره جایگزین می‌شوند. در حقیقت هر روز خورشید می‌درخشد، گیاهان رشد می‌کنند، باد می‌وزد و رودخانه‌ها جاری می‌شوند.

انرژی تجدید پذیر منبع اصلی انرژی در طول تاریخ بشر بوده است. در طول تاریخ زیست توده‌ای از گیاهان، منبع اصلی انرژی بوده که برای گرما و تغذیه حیواناتی که برای حمل و نقل و شخم زدن مورد استفاده قرار می‌گرفتند، کاربرد داشته است. منابع غیر قابل تجدید در اوایل دهه 1800 جایگزین انرژی‌های تجدیدپذیر شدند و در اوایل دهه 1900 سوخت‌های فسیلی منبع اصلی انرژی قرار گرفتند. استفاده از زیست توده برای گرمایش منازل به عنوان منبع انرژی عمدتاً در مناطق روستایی و در بعضی مناطق شهری باقی مانده است. در اواسط دهه 1980 استفاده از زیست توده و سایر اشکال منابع انرژی تجدید پذیر به ویژه برای تولید برق مجدداً شروع به افزایش کرد.

منابع انرژی تجدید ناپذیر

در بسیاری از کشورها بیشتر منابع انرژی که برای انجام کار مورد استفاده قرار می‌گیرند، منابع انرژی غیرقابل تجدید هستند. منابع انرژی غیر قابل تجدید عبارتند از:

  • سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز، زغال‌سنگ)
  • انرژی هسته‌ای

این منابع انرژی غیر قابل تجدید نامیده می‌شوند زیرا منابع آنها محدود به مقادیری است که می‌توان از زمین استخراج کرد. زغال‌سنگ، گاز و نفت در طول هزاران سال از بقایای دفن شده گیاهان و حیوانات دریایی که میلیون‌ها سال پیش زندگی می‌کردند به دست آمده است به همین دلیل است که ما آن‌ها را سوخت‌های فسیلی نیز می‌نامیم.

انرژی هسته ای از اورانیوم که یک منبع انرژی غیر قابل تجدید است برای تولید گرما و برق به دست می‌آید. دانشمندان تصور می‌کنند که اورانیوم میلیاردها سال پیش هنگام تشکیل ستارگان ایجاد شده است. اورانیوم در سراسر پوسته زمین یافت می‌شود اما استخراج و تبدیل آن به سوخت نیروگاه‌های هسته ای بسیار دشوار و گران است.

شکل زیر منابع انرژی ایالات متحده، کاربردهای عمده آنها و درصد سهم آنها از کل مصرف انرژی ایالات متحده در سال 2019 را نشان می‌دهد.

منابع انرژی
تصویر ۱: منابع انرژی، درصد و زمینه استفاده هر سوخت در شکل بالا در سال ۲۰۱۹ برای آمریکا بیان شده است. همان‌طور که مشخص است هنوز بیش از 8۰٪ سهم مصرف مربوط به سوخت‌های فسیلی است.

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

اشکال انرژی

علاوه بر دسته‌بندی انرژی به دو دسته کلی انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی، انرژی را می‌توان با توجه به منابع تولید آن به گروه‌های مختلفی تقسیم بندی کرد. بر این اساس انواع انرژی عبارتند از:

  1. انرژی حرارتی.
  2. انرژی شیمیایی.
  3. انرژی هسته ای.
  4. انرژی الکتریکی.
  5. انرژی تابشی.
  6. انرژی مکانیکی یا انرژی حرکت.
  7. انرژی صوت.
  8. انرژی کشسان یا الاستیک.
  9. انرژی گرانشی.

در ادامه هر یک از این انرژی‌ها را معرفی می‌کنیم.

انرژی حرارتی

هنگامی که افزایش دما باعث حرکت سریعتر اتم‌ها و مولکول‌ها و برخورد آن‌ها با یکدیگر می‌شود انرژی حرارتی (انرژی گرمایی نیز نامیده می‌شود) تولید می‌شود. به انرژی حاصل از افزایش دمای ماده انرژی گرمایی یا حرارتی گفته می‌شود. انرژی حرارتی با حرکت مولکول‌ها سروکار دارد و یک انرژی جنبشی است.

انرژی حرارتی از ماده‌ای حاصل می‌شود که به دلیل افزایش دما، مولکول‌ها و اتم‌های آن سریعتر ارتعاش می‌کنند و با یکدیگر برخورد می‌کنند. مولکول‌ها و اتم‌های تشکیل‌دهنده ماده دائما در حال حرکت هستند. هنگامی که ماده‌ای گرم شود افزایش دما باعث می‌شود که ذرات سریعتر حرکت کرده و به یکدیگر برخورد کنند. انرژی حرارتی، انرژی است که از ماده‌ای که گرم شده است حاصل می‌شود. هر چه ماده گرمتر باشد ذرات آن سریعتر حرکت می‌کنند و انرژی حرارتی آن نیز بیشتر می‌شود.

انرژی حرارتی در زندگی روزمره

در اینجا چند نمونه از کاربرد انرژی گرمایی در زندگی روزمره آورده شده است:

انرژی حرارتی در زندگی روزمره
تصویر ۲: مثال‌هایی از انرژی حرارتی در زندگی روزمره

یک فنجان شکلات داغ را در نظر بگیرید، شکلات داغ به دلیل حرکت ارتعاش مانند ذرات خود انرژی حرارتی دارد. وقتی مقداری شیر سرد درون شکلات داغ خود می‌ریزید مقداری از این انرژی از شکلات به ذرات شیر منتقل می‌شود. پس چه اتفاقی می‌افتد؟ شکلات داغ شما سرد می‌شود زیرا مقداری از انرژی گرمایی خود را به شیر داده است (گرما همیشه از جسم گرم به سرد منتقل می‌شود و عکس این موضوع اتفاق نمی‌افتد).
نوشیدنی شما از ذرات ارتعاشی خود انرژی حرارتی دارد. وقتی مقداری شیر سرد درون شکلات داغ خود می‌ریزید مقداری از این انرژی به ذرات شیر منتقل می‌شود.

تاثیر دما بر رفتار مولکول‌های یک ماده
تصویر ۳: تاثیر دما بر رفتار مولکول‌های یک ماده

انرژی شیمیایی

انرژی شیمیایی انرژی ذخیره شده در پیوندهای ترکیبات شیمیایی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها است. این انرژی با وقوع یک واکنش شیمیایی آزاد می‌شود. معمولاً به محض آزاد شدن انرژی شیمیایی از یک ماده آن ماده به ماده‌ای کاملاً جدید تبدیل می‌شود. انرژی شیمیایی در میان پیوندهایی ذخیره می‌شود که اتم‌ها را به سایر اتم‌ها و مولکول‌ها را به سایر مولکول‌ها متصل می‌کند. از آنجا که انرژی شیمیایی بین پیوند‌ها ذخیره می‌شود نوعی انرژی پتانسیل است. وقتی یک واکنش شیمیایی اتفاق می‌افتد انرژی شیمیایی ذخیره شده آزاد می‌شود. گرما اغلب به عنوان محصول جانبی یک واکنش شیمیایی تولید می‌شود در این حالت به این واکنش گرمازا گفته می‌شود.

پالایشگاه پتروشیمی
تصویر ۴: پالایشگاه پتروشیمی

انرژی شیمیایی در زندگی روزمره

انرژی شیمیایی پرکاربردترین نوع انرژی در جهان است زیرا برای وجود انسان و طبیعت بسیار مهم است. در ادامه چند نمونه از کاربرد انرژی شیمیایی در زندگی روزمره را بیان می‌کنیم.

انرژی شیمیایی در غذا

غذایی که می‌خوریم حاوی انرژی شیمیایی ذخیره شده است. با شکستن پیوندهای بین اتم‌های موجود در غذا یک واکنش شیمیایی اتفاق می‌افتد و ترکیبات جدید ایجاد می‌شود. انرژی حاصل از این واکنش ما را گرم نگه می‌دارد و به ما کمک می‌کند تا حرکت و رشد کنیم. غذاهای مختلف مقادیر مختلف انرژی را در خود ذخیره می‌کنند.

انرژی شیمیایی موجود در غذاها
تصویر ۵: انسان‌ها انرژی شیمیایی موجود در غذا را مصرف می‌کنند.

انرژی شیمیایی در چوب

چوب خشک حاوی انرژی شیمیایی ذخیره شده است. وقتی چوب را در یک شومینه می‌سوزانید انرژی شیمیایی آن آزاد شده و به انرژی گرمایی و نور تبدیل می‌‌شود. چوب نیز به دنبال واکنش شیمیایی صورت گرفته به ماده جدیدی به نام خاکستر تبدیل می‌شود.

انرژی شیمیایی موجود در چوب
تصویر ۶: وقتی چوب می‌سوزد انرژی شیمیایی ذخیره شده در آن به صورت گرما آزاد می‌شود.

مثال‌های بیشتری از کاربرد انرژی شیمیایی در زندگی روزمره در تصویر زیر نمایش داده شده است.

کاربردهای انرژی شیمیایی
تصویر ۷: انرژی شیمیایی در زندگی روزمره

انرژی هسته ای

انرژی هسته ای از هسته اتم‌ها حاصل می‌شود. این انرژی توسط همجوشی هسته ‌ای (ترکیب هسته‌ها با یکدیگر) یا شکافت هسته ای (جدا شدن هسته‌ها از یکدیگر) تولید می‌شود. نیروگاه‌های اتمی از شکافت هسته ای یک عنصر رادیواکتیو به نام اورانیوم برای تولید برق استفاده می‌کنند.

نیروگاه هسته ای تولید کننده برق
تصویر ۸: نیروگاه هسته ای تولید کننده برق

اتم‌ها از نوترون‌ها، پروتون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده‌اند. آن‌ها حاوی یک هسته هستند که منبع انرژی هسته ‌ای است.

ساختار اتم
تصویر ۹: ساختار یک اتم که شامل الکترون، پروتون و نوترون است.

انرژی هسته ای اتم‌ها با دو روش زیر آزاد می‌شود:

  • همجوشی هسته ای، هنگامی که هسته اتم‌ها با هم ترکیب شوند. انرژی خورشید از این روش تولید می‌شود.
  • شکافت هسته‌ ای، هنگامی که هسته اتم‌ها از هم جدا شوند. این روشی است که نیروگاه‌های هسته ای از آن برای تولید برق استفاده می‌کنند.

انرژی الکتریکی

انرژی الکتریکی در اثر حرکت بارهای الکتریکی به نام الکترون ایجاد می‌شود. هرچه بارها سریعتر حرکت کنند انرژی الکتریکی بیشتری حمل می‌کنند. چون بارهای ایجاد‌کننده انرژی در حال حرکت هستند انرژی الکتریکی در دسته انرژی جنبشی قرار می‌گیرد. رعد و برق، باتری و حتی مارماهی نمونه‌هایی از انرژی الکتریکی هستند.

حرکت الکترون
تصویر ۱۰: شکل شماتیک حرکت الکترون در مدار الکتریکی

تصور کنید که بار الکتریکی یک توپ است که به سمت پنجره پرتاب می‌شود. اگر توپ را خیلی محکم پرتاب نکنید پنجره سالم خواهد ماند. اما اگر توپ را محکم پرتاب کنید انرژی بیشتری خواهد داشت و پنجره را خواهد شکست. هر چه توپ را سریعتر پرتاب کنید توپ انرژی بیشتری برای شکستن پنجره خواهد داشت.

روش‌های تولید انرژی الکتریکی متفاوت است. برای مثال در یک نیروگاه هسته ای انرژی هسته ای، آب را به نقطه جوش می‌رساند و بخار آب تولید می‌کند. بخار آب باعث حرکت توربین می‌شود و ژنراتور شروع به کار کرده و به بار الکتریکی انرژی می‌دهد.

تولید برق در یک نیروگاه هسته‌ ای
تصویر ۱۱: تولید برق در یک نیروگاه هسته‌ ای

در یک نیروگاه تولید برق توسط آب، از شارش آب برای چرخش پره‌های توربین استفاده می‌شود. پره‌ها ژنراتور را می‌چرخانند تا انرژی الکتریکی تولید کنند.

یروگاه آبی تولید برق
تصویر ۱۲: نیروگاه آبی تولید برق

در یک آسیاب بادی، نیروی وزش باد باعث چرخش تیغه توربین می‌شود و بدین ترتیب ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می‌کند.

نیروگاه بادی
تصویر ۱۳: تولید برق در نیروگاه بادی

انرژی خورشیدی انرژی تولید شده مستقیم از خورشید است. انرژی خورشیدی می‌تواند به برق تبدیل شود، یا برای گرم کردن هوا، آب یا مایعات دیگر استفاده شود.

نیروی خورشید برای تولید برق
تصویر ۱۴: با استفاده از سلول‌های خورشیدی می‌توان از انرژی خورشید، برق تولید کرد.

انرژی الکتریکی در زندگی روزمره

در یک باتری ماشین یک واکنش شیمیایی یک الکترون ایجاد می‌کند که انرژی لازم برای حرکت در جریان الکتریکی را دارد. این بارهای متحرک انرژی الکتریکی را به مدارهای موجود در ماشین می‌رسانند.

در هنگام طوفان رعد و برق نمونه‌ای از انرژی الکتریکی است، آنچه مشاهده می‌کنیم تخلیه بارالکتریکی الکتریسیته موجود در جو است.

مارماهی‌ها انرژی الکتریکی تولید کرده و از این انرژی الکتریکی برای دفاع در برابر شکارچیان و بی حس کردن طعمه های خود استفاده می‌کنند.

انرژی الکتریکی مارماهی
تصویر ۱۵: مارماهی‌ها می‌توانند انرژی‌ الکتریکی در حدود ۶۰۰ ولت را با بدن خود تولید کنند.

انرژی تابشی

انرژی تابشی گونه‌ای از انرژی الکترومغناطیسی است که می‌تواند به شکل امواج مرئی چیزی که آن را انرژی نور می‌نامیم یا امواج نامرئی مانند امواج رادیویی یا اشعه ایکس باشد. انرژی تابشی انرژی ناشی از امواج الکترومغناطیسی است. این امواج می‌توانند در فضا حرکت کنند. تابش الکترومغناطیسی از ذرات ریزی به نام فوتون تشکیل شده است که آن‌ها را در فیزیک کوانتوم به عنوان بسته‌های کوچک انرژی در نظر می‌گیریم. انرژی نور نوعی از انرژی تابشی است که برای چشم انسان قابل مشاهده است.

امواج الکترومغناطیسی که انرژی تابشی را منتقل می‌کنند می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند. در اینجا چند نمونه از انرژی تابشی را معرفی می‌کنیم.

مثال‌هایی از انرژی تابشی
تصویر ۱۶: انرژی تابشی در زندگی روزمره

سلول‌ها یا پنل‌های خورشیدی، انرژی تابشی خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند.

انرژی نور

خورشید انرژی تابشی زیادی تولید می‌کند که به صورت نور به زمین منتقل می‌شود. گیاهان از طریق فرایندی به نام فتوسنتز انرژی الکترومغناطیسی موجود در نور خورشید را به انرژی شیمیایی برای غذای خود تبدیل می‌کنند. نور شکل قابل مشاهده از انرژی تابشی است که به صورت موج حرکت می‌کند و تنها شکل انرژی است که توسط چشم انسان دیده می‌شود.

غیر از خورشید انرژی نور توسط ستاره‌ها، لامپ‌ها، لیزرها و اجسام داغ نیز تولید می‌شود. انرژی نور بسیار مفید است زیرا به ما کمک می‌کند تا بتوانیم دنیای اطراف خود را ببینیم. انرژی نور بسیار سریع نیز هست، در واقع هیچ چیز سریعتر از نور حرکت نمی‌کند!

انرژی تابشی
تصویر ۱۷: امواج تابشی می‌توانند مرئی یا نامرئی باشند.

انرژی مکانیکی

انرژی مکانیکی که به آن انرژی حرکت نیز گفته می‌شود، انرژی ذخیره شده در اجسام متحرک است و با حرکت سریعتر جسم انرژی بیشتری ذخیره می‌شود. انرژی مکانیکی مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی موجود در جسمی است که برای انجام کار استفاده می‌شود.

انرژی مکانیکی یا حرکتی
تصویر ۱۸: مصرف سوخت باعث حرکت خودرو می‌شود و انرژی حرکتی ایجاد می‌کند.

کار زمانی اتفاق می‌افتد که نیرویی بر جسمی وارد شود و باعث حرکت، تغییر شکل یا تغییر حالت شود. برای مثال هنگامی که دربی را فشار می‌دهید کار روی درب انجام شده که باعث حرکت آن می‌شود.

انرژی مکانیکی
تصویر ۱۹: انرژی پتانسیل چکش + انرژی جنبشی حرکت = انرژی مکانیکی

برای مثال یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند، در حالی که یک ژنراتور عکس این عمل را انجام می‌دهد.

انرژی صوت

صدا حرکت انرژی از طریق یک ماده مانند هوا یا آب و ناشی از ارتعاشات امواج است. جامدات، مایعات و گازها صدا را به صورت موج منتقل می‌کنند.

انرژی صوتی
تصویر ۲۰: فریاد زدن، شکلی از انرژی صوتی است.

انرژی صوت به صورت امواج حرکت می‌کند. برخلاف انرژی نور صدا نمی‌تواند از طریق خلاء عبور کند زیرا هیچ اتمی برای انتقال ارتعاش وجود ندارد. به موج مکزیکی در یک استادیوم ورزشی فکر کنید، هر شخصی که موج را ادامه می‌دهد مانند اتمی است که ارتعاش را عبور می‌دهد و بدین معنی است که امواج صوتی نمی‌توانند در خلاء به حرکت خود ادامه دهند.

موسیقی شکلی از انرژی صوتی است.
تصویر ۲۱: وقتی فردی گیتار می‌زند، سیم‌های گیتار به ارتعاش درمی‌آیند و انرژی صوتی تولید می‌شود.

صدا توسط جامدات، مایعات و گازها قابل انتقال است زیرا این حالت‌های ماده دارای اتم هستند و می‌توانند ارتعاشات را منتقل کنند.

انرژی کشسان

انرژی کشسان یا الاستیک نوعی انرژی پتانسیل است، هنگامی که جسم به طور موقت تحت تنش قرار می‌گیرد در پیوندهای بین اتم‌های یک جسم یا ماده انرژی ذخیره می‌شود. این تنش می‌تواند به دلیل کشش یا فشردن جسم باشد.

انرژی کشسان
تصویر ۲۲: انرژی پتانسیل کشسان کمان به عنوان انرژی جنبشی به پیکان منتقل می‌شود.

نیرویی که به یک جسم وارد می‌‌شود می‌تواند باعث تغییر شکل موقت آن شود مانند زمانی که یک کش الاستیک را می‌کشید یا یک توپ اسفنجی را با دست خود له می‌کنید. هنگامی که این اتفاق می‌افتد می توان انرژی کشسان را در جسم ذخیره کرد. این انرژی آماده است تا با بازگرداندن جسم به حالت اولیه خود آزاد شود.

انرژی کشسانی
تصویر ۲۳: هنگامی که یک فنر فشرده یا کشیده می‌شود در آن انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره می‌شود و تمایل دارد دوباره به حالت اولیه بازگردد.

انرژی گرانشی

جاذبه نیرویی است که سعی می‌کند دو جسم را به سمت یکدیگر بکشد. گرانش زمین همان چیزی است که شما را بر روی زمین نگه می‌دارد و باعث سقوط اجسام می‌شود.

زمین دارای گرانش است. گرانش همه چیز را نزدیک این سیاره نگه می‌دارد. درختان، آب، حیوانات، ساختمان‌ها و هوایی که تنفس می‌کنیم همه توسط نیروی جاذبه بر روی زمین قرار گرفته‌اند. سیارات، قمرهای آن‌ها و ستارگان گرانش دارند حتی بدن خود ما نیز جاذبه دارد. جاذبه زمین به مراتب قویتر از قدرت خودمان است به همین دلیل است که ما متوجه جاذبه بدنمان نمی‌شویم.

جزر و مد در اثر جاذبه ماه در اقیانوس‌ها اتفاق می‌افتد. افزایش و کاهش خط ساحلی دریا و اقیانوس‌ها را جزر و مد می‌گوییم.

با دور شدن جرم از مرکز زمین یا سایر اجسامی که به اندازه کافی بزرگ هستند و می‌توانند مقدار قابل توجهی گرانش تولید کنند (مانند خورشید، سیارات و ستاره‌ها) انرژی گرانشی سیستم افزایش می‌یابد.

انرژی گرانشی
تصویر ۲۴: ارتفاع یک جسم از سطح زمین به آن انرژی گرانشی می‌دهد.

انرژی گرانشی انرژی ذخیره شده در یک جسم است که به دلیل ارتفاع آن از سطح زمین به وجود می‌آید و انرژی پتانسیل است.

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 4 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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