تبدیل انرژی چیست؟ – انواع مختلف انرژی کدام است؟
فرایندی که در آن انرژی از یک صورت به صورتی دیگر تبدیل می شود به نام تبدیل انرژی می باشد. انرژی یک تعریف کلی و ساده دارد و آن هم توانایی انجام دادن کار می باشد.
به عبارت دیگر انرژی یک کمیت فیزیکی است که نشان دهنده ی ظرفیت انجام کارمی باشد. انرژی شکل های گوناگونی دارد که در ادامه به صورت گسترده به هر یک خواهیم پرداخت. همچنین لازم به ذکر است که به این موضوع در فصل هشتم کتاب درسی علوم پایه ی هفتم، تحت عنوان انرژی و تبدیل های آن اشاره شده است. در این مقاله ی نشریه جهان شیمی فیزیک به تبدیل انرژی و انواع مختلف آن می پردازیم.
انرژی چیست
همان طور که گفته شد انرژی توانایی انجام کار می باشد. انرژی از یک کلمه ی یونانی به معنی عملیات یا فعالیت گرفته شده است و واژه ی کارمایه معادل فارسی آن می باشد. این کمیت فیزیکی وضعیت ظرفیت انجام کار جسم منسوب خود را توصیف می کند. از نظر تاثیر گذاری و شیوه ی آزاد سازی، گونه های مختلف انرژی به دسته های متفاوت و گوناگونی تقسیم می شوند. انرژی گرمایی، انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی، انرژی شیمیایی، انرژی الکترومغناطیسی، انرژی هسته ای، و انرژی الکتریکی از انواع مختلف انرژی هستند.
طبق علم فیزیک انرژی شامل دو قسمت مفید (اکسرژی) و بخش قابل تبدیل (انرژی) می باشد. منبع و عامل تمامی انواع انرژی های مختلف قابل استفاده ی انسان ها به جز انرژی هسته ای، خورشید می باشد. انرژی از یک شکل به شکل دیگر قابل تبدیل است اما هیچ وقت تولید یا نابود نمی شود که این موضوع بر طبق قانون نسبیت آلبرت اینشتین (Albert Einstein) دانشمند و فیزیک دان آلمانی می باشد. طبق این نظریه مجموعه جرم و انرژی همیشه پایدار و ثابت است. واحد اندازه گیری انرژی در SI، ژول می باشد.
نظریه نسبیت اینشتین چیست؟
آلبرت اینشتین (۱۴ مارس ۱۸۷۹ – ۱۸ آوریل ۱۹۵۵) فیزیک دان اهل آلمان بود که پر اهمیت ترین دستاورد وی ارائه ی نظریه ی نسبیت است. اینشتین همچنین به پاس خدمات زیادی که در زمینه ی فیزیک نظری ارائه کرد و به خصوص برای کشف قانون اثر فتوالکتریک در سال ۱۹۲۱ میلادی موفق به دریافت جایزه ی نوبل شد. نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی دو پایه ی اصلی علم فیزیک مدرن به شمار می روند. اصل نسبیت بیان می کند که انرژی از شکلی به شکل دیگر و یا به جرم قابل تبدیل می باشد اما هرگز نابود یا تولید نمی شود.
این نظریه شامل دو بخش نظریه نسبیت عام و نظریه نسبیت خاص اینشتین است. این مسئله قانون پایستگی انرژی نیز می باشد. طبق اصل نسبیت خاص، انرژی هر جسم در واقع جنبش ذرات بنیادی آن جسم می باشد که مقدار آن نیز با استفاده از معادله ی نسبیت اینشتین قابل محاسبه است.
انواع انرژی
انرژی در همه جا وجود دارد. هر جسم یا ماده ای که حرکت کند یا چیزهایی مانند نور، صدا، گرما یا الکتریسیته به وجود آورد، انرژی دارد. در نور خورشید به صورت انرژی گرمایی و انرژی نورانی، در یک دستگاه پخش صوتی روشن به صورت انرژی صوتی و حتی در یک قطعه چوب به صورت انرژی پتانسیل، این انرژی وجود دارند. این انرژی ها از صورتی به صورت دیگر قابل تبدیل می باشند اما هرگز از بین نمی روند. از نظر منبع تولید شده ی انرژی، انواع مختلف انرژی های گرانشی، حرکتی، تابشی، الکتریکی، صوتی، تابشی و … وجود دارند. اما همه ی انواع گوناگون انرژی در دو بخش کلی انرژی پتانسیل و حرکتی جای می گیرند.
به طور کلی انرژی که در یک جسم به صورت ذخیره شده وجود دارد، انرژی پتانسیل آن جسم می باشد در حالی که انرژی جنبشی به اجسام در حال حرکت مربوط می شود.
انرژی پتانسیل
به انرژی ای که به صورت ذخیره شده در اجسام وجود دارد و قابل تبدیل به انرژی جنبشی می باشد، انرژی پتانسیل می گویند. برای مثال در انواع غذاها انرژی پتانسیل شیمیایی به صورت نهفته وجود دارد که بعد از خوردن و طی واکنش هایی در ماهیچه های بدن به انرژی جنبشی مبدل می شود.
این انرژی در اجسام مختلف به دلیل بر هم کنشی که بر یکدیگر دارند یا به علت جایگاه مکانی اجسام که در میدانی قرار دارند که بر آن ها نیرو وارد می شود، وجود دارد. هیچ جسمی به صورت تنها و به خودی خود انرژی پتانسیل ندارد. به عنوان مثال جعبه ای که روی زمین قرار دارد به دلیل نیرویی که از زمین بر جعبه وارد می شود، دارای انرژی پتانسیل گرانشی می باشد. به همین صورت جعبه هم بر زمین نیرو وارد میکند و این وارد آمدن نیرو یک طرفه نیست که در غیر این صورت انرژی پتانسیل وجود نمی داشت. اختلاف پتانسیل اجسام بین مکان های مختلف اهمیت دارد.
انرژی جنبشی
به انرژی ای که در اجسام در حال حرکت وجود دارد، انرژی جنبشی (K) گفته می شود. انرژی جنبشی فرمولی دارد که مقدار آن به وسیله ی آن قابل اندازه گیری است. در این فرمول انرژی جنبشی یا کینتیک انرژی با حرف K نشان داده می شود و برابر با نصف مقدار حاصل ضرب جرم جسم در مربع سرعت آن جسم است. انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی قابل تبدیل به هم دیگر می باشند و این موضوع در علم فیزیک از اهمیت بالایی برخوردار است. انرژی جنبشی به دو دسته ی انرژی جنبشی انتقالی و انرژی جنبشی دورانی تقسیم می شود.
تبدیل انرژی از شکلی به شکلی دیگر به چه صورت است؟
فرایندی که در آن انرژی از یک شکل به یک شکل دیگر تبدیل شود، تبدیل انرژی نام دارد. اما اگر از یک جسم به یک جسم دیگر منتقل شود، انتقال انرژی نام دارد. برطبق قانون اول ترمودینامیک و یا اصل پایستگی انرژی، انرژی هرگز نه به وجود می آید و نه از بین می رود؛ فقط از شکلی به شکلی دیگر تبدیل می شود. این مسئله در علم فیزیک بسیار پراهمیت می باشد.
از تبدیل های انرژی بسیار شایع، حائز اهمیت و قابل مشاهده در زندگی بشر می توان به تبدیل انرژی شیمیایی غذا در بدن انسان به انرژی مکانیکی جهت حرکت ماهیچه ها، تبدیل انرژی هسته ای به نور و گرما در خورشید، تبدیل انرژی الکتریکی به نور و گرما و صدا در طی رعد و برق و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی یا حرکتی (مکانیکی) به وسیله ی فن اشاره کرد.
انرژی هسته ای چیست؟
انرژی هسته ای انرژی آزاد شده در یک واکنش هسته ای است که با مهار و کنترل آن می توان برق تولید کرد. عنصرهای رادیواکتیو مثل اورانیم دارای هسته هایی هستند که گاهی می شکافند و انرژی، از جمله انرژی گرمایی، آزاد می کنند. مقدار بسیار اندکی اورانیم، بدون نیاز به اکسیژن، در مقایسه با زغال سنگ، نفت و یا گاز، مقدار زیادی برق تولید می کند. همچنین هوا را با مواد شیمیایی و یا پس ماندهای جامد آلوده نمی کند. در دهه ی ۱۹۵۰ میلادی، دانشمندان به این نکته پی بردند که نیروی هسته ای راه حلی برای مشکل کمبود انرژی و نیاز روز افزون جهانی به آن می باشد.
نخستین نیروگاه هسته ای تجاری دنیا نیز، کالدرهال نام دارد که در انگلستان قرار دارد و در سال ۱۹۵۶ میلادی تولید برق را آغاز نمود. از خطر های هسته ای هم می توان به بسیار سخت بودن دفع پسماند های آن اشاره کرد که تا هزاران سال به نحو خطرناکی پرتوزا باقی می مانند.
انرژی گرمایی چیست؟
انرژی گرمایی یکی از صورت های انرژی است که به نوسان اتم های درون یک ماده نسبت داده می شود. انرژی گرمایی همیشه از جای گرم به جای سرد حرکت می کند. میزان حرکت ذرات سازنده ی اجسام به انرژی گرمایی آن ها ربط دارد. هرچه اتم ها و مولکول ها تندتر حرکت کنند، ماده گرم تر است. گرما به سه روش رسانایی، تابش و همرفت از یک جسم یه یک جسم دیگر منتقل می شود.
وقتی غذا می خوریم، در بدن ما تجزیه می شود و انرژی آزاد می شود و ما را از درون گرم می کند. ما سوخت هایی مانند چوب یا زغال را می سوزانیم تا خود را گرم کنیم یا ماشین آلات را به حرکت در بیاوریم. نیروگاه ها برق تولید می کنند و ما آن را در خانه هایمان به گرما تبدیل می کنیم. این ها همه مثال هایی از تبدیل انرژی و کاربرد گرما در زندگی روزانه ی بشر بود.
انرژی باد چیست؟
از انرژی باد برای چرخاندن و به حرکت در آوردن ماشین ها و یا تولید برق استفاده می شود. این منبع انرژی بدون آلایندگی و تجدید پذیر است، از این رو اهمیت زیادی دارد. صد ها سال است که از آسیاب های بادی برای آرد کردن غلات و بیرون آوردن آب از زمین استفاده می شود.
در ایران باستان در حوالی قرن اول هجری، از آسیاب های بادی ساده استفاده می شد. در آسیاب های بادی جدید یا همان توربین های بادی، حرکت چرخشی پروانه ها برای به حرکت در آوردن توربینی که برق تولید می کند، به کار می رود. در یک آسیاب بادی ۴ تا ۸ پره ی بادی وجود دارد، که هر یک ۳ تا ۹ متر طول دارد و باد را به دام می اندازد. در قرن بیستم آسیاب های بادی آرام آرام جای خود را به موتورهای جدید دادند. اما توربین های بادی نیز از جمله منابع در حال رشد انرژی به حساب می آیند. در دهه ۱۹۸۰ میلادی دانمارکی ها در بهره برداری از این منبع انرژی پیشتاز بودند.
انرژی آب چیست؟
با انرژی آب که در اثر حرکت آب به وجود می آید، می توان ماشین ها را به حرکت در آورد و یا برق تولید کرد. آب نیز یک منبع انرژی تجدید پذیر و بدون آلودگی می باشد. از زمان باستان از آسیاب های آبی برای آرد کردن گندم استفاده می شود. در انگلستان صنعتی، چرخ های آبی نیروی لازم برای یک چرخ بزرگ نخ ریسی را فراهم می آورند. در آغاز قرن بیستم ژنراتورهای الکتریکی (دستگاه تبدیل انرژی الکتریکی)، که می توانستند حرکت چرخشی چرخ های آبی را به الکتریسیته تبدیل کنند، تحول سریعی در انرژی برق آبی یا هیدروالکتریک به وجود آوردند.
در انرژی برق آبی ابتدا آب را در پشت سدها ذخیره می کنند. آب از لوله هایی به سمت توربین فرستاده می شود. توربین با جریان آب می چرخد و باعث چرخیدن ژنراتور می شود. حدود ۲۰ درصد از انرژی الکتریکی جهان از نیروگاه برق آبی به دست می آید. اما این نیروگاه ها بیشتر دور از شهرهای بزرگ که بیشترین نیاز به برق را دارند، قرار دارند.
به هدر رفتن انرژی به چه صورتی می باشد؟
انرژی هرگز از میان نمی رود اما اگر صرف انجام دادن کار نشود، به هدر می رود. گرما عامل اصلی به هدر رفتن انرژی است. به عنوان مثال، لامپ معمولی فقط یک پنجم انرژی الکتریکی خود را به نور تبدیل می کند و بقیه ی آن به صورت گرما به هدر می رود. بازده کم موتور خودرو هم به معنای هدر رفتن منابع انرژی می باشد. منظور از استفاده ی بهینه و مفید از انرژی نیز تبدیل بیشترین مقدار ممکن یک انرژی، از شکلی که در ابتدا وجود دارد به شکل مطلوب مورد نظر می باشد تا از هدر رفت انرژی جلوگیری شود.
این مسئله درمورد منابع انرژی تجدید ناپذیر که از جمله ی آن ها سوخت های فسیلی هستند از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، برای بشری که به صورت بی رویه از این منابع تجدید ناپذیر و سوخت های فسیلی در حال استفاده است. امروزه تلاش بر این است که منابع تجدید پذیر انرژی، جایگزین منابع تجدید ناپذیر آن شود.
تبدیل انرژی الکتریکی به حرکتی
انرژی الکتریکی شکلی از انرژی است که به حرکت الکترون ها در جریان الکتریکی برای تامین انرژی دستگاه ها و سیستم ها متکی است. انرژی جنبشی به عنوان انرژی یک جسم به دلیل حرکت خود تعریف می شود. تبدیل انرژی الکتریکی به جنبشی ما را قادر می سازد تا دستگاه ها و سیستم های مختلفی استفاده کنیم. درک چگونگی تبدیل کارآمد بین انرژی الکتریکی و مکانیکی برای تامین انرژی طیف گسترده ای از فناوری هایی که هر روز به آنها تکیه می کنیم، اساسی است.
رایج ترین روشی که انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی یا مکانیکی تبدیل می شود، از طریق نوعی موتور است. موتورها الکتریسیته را می گیرند و آن را به حرکت چرخشی یا گشتاور تبدیل می کنند. انواع مختلفی از موتورهای الکتریکی و محرک های خطی وجود دارد که می توانند حرکت خطی ایجاد کنند. هر کدام بر اساس اصول کمی متفاوت عمل می کنند و مزایای خاص خود را دارند.
موتورهای الکتریکی انرژی الکتریکی را از طریق القای الکترومغناطیسی به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. در داخل یک موتور الکتریکی، سیم پیچ هایی از سیم وجود دارد که آهنرباهای الکتریکی را تشکیل می دهند. هنگامی که جریان از سیم پیچ ها عبور می کند، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که با آهنرباهای دائمی روی روتور موتور تعامل دارد. این فعل و انفعال باعث چرخش روتور می شود و نیروی چرخشی یا گشتاور ایجاد می کند. چندین نوع اصلی موتور الکتریکی وجود دارد:
موتورهای DC از جریان مستقیم استفاده می کنند و دارای برس هایی هستند که جریان را به آرمیچر چرخان می رسانند. آنها ساده و ارزان هستند اما نیاز به نگهداری بیشتری دارند.
موتورهای القایی AC از جریان متناوب استفاده می کنند و دارای یک آرمیچر ثابت به نام استاتور هستند. هنگامی که جریان AC به استاتور اعمال می شود، روتور می چرخد. آنها قابلیت اطمینان بالایی دارند اما برای شروع به اجزای اضافی نیاز دارند.
