مبانی و مفاهیم بنیادی انرژی

در ادبیات فنی فارسی تعریف خاصی از انرژی تحت عنوان «انرژی توانایی انجام کار است» ارائه شده و در سطح جامعه رایج است. این تعریف از دقت کافی برخوردار نیست و کار تنها شکل مشخصی از انرژی است.

لذا شکل خاصی از انرژی نمی تواند جامعیت انرژی را منعکس سازد. تعریف دقیق انرژی توسط ماکس پلانک ارائه شده و آن عبارت است از: «انرژی استعداد تاثیر گذاری خارجی  یک سیستم است.»

هرگونه سیستمی و هر شیئی دارای مقدار معینی انرژی است ولی مهم اشکال متنوع و مختلف تظاهر انرژی است که بصورت جرم، نور، حرکت و غیره بروز پیدا می کند. مقدار معینی انرژی ممکن است دارای ارزش و کیفیت متفاوت باشد.

اشكال انرژی

تمام اشكال انرژی در دسترس را می توان به عنوان انرژی ذخیره شده یا انرژی گذرا دسته بندی كرد. مثالهای انرژی ذخیره شده عبارتند از : انرژی شیمیایی سوختهای فسیلی، انرژی داخلی یك ماده، انرژی پتانسیل مربوط به موقعیت یك جرم در یك میدان نیرو، از قبیل میدان گرانش زمین یا یك میدان الكترواستاتیكی. انرژی گذرا، انرژی انتقال یافته بین یك سیستم و محیط آن است. حرارت و كار به عنوان انرژیهای گذرا در مورد تبدیل انرژی حرارتی به شمار می روند.

انرژی در اشكال مختلفی ظاهر می شود :

-        انرژی تشعشع الكترومغناطیسی

-        انرژی شیمیایی ( انرژی واكنش شیمیایی)

-        انرژی هسته ای ( انرژی اتصال هسته)

-        انرژی مكانیكی ( انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی، كار)

-        انرژی داخلی

-        انرژی حرارتی (گرما)

-        انرژی الكتریكی

هر شكلی از انرژی می تواند به هر شكل دیگری از آن تبدیل شود.و حوزه تبدیل انرژی می تواند كامل یا جزئی باشد. انرژی مكانیكی، شیمیایی و الكتریكی می تواند به طور كامل به انرژی حرارتی تبدیل شود( گرما) در حالی كه تبدیل حرارت به انرژی مكانیكی فقط به صورت جزئی است و در یك سیستم تبدیل مثل یك توربین یا موتور احتراق داخلی با استفاده از یك سیال عامل ( گاز، بخار) و با تغییر چرخه ای حالت آن اتفاق می افتد. راندمان این تبدیل انرژی بستگی به تفاوت دما بین سیال عامل سیستم و محیط آن دارد. راندمانهای معمول در نیروگاههای زغال سنگی % 44- 38 و در موتورهای احتراق داخلی و توربینهای گازی  %32 تا %40 است.

در تولید، تبدیل و به كارگیری انرژی، از واژه هایی چون منابع انرژی متداول و غیر متداول، انرژی اولیه و ثانویه و انرژی آماده، و انرژی مفید استفاده می شود. منابع انرژی متداول عبارتند از: سوختهای فسیلی (زغال سنگ، لینیت، تورب و زغال سنگ نارس)، سوخت نفتی، گاز طبیعی، و چوب و همچنین انواع سوخت تولیدی مصنوعی از قبیل گاز زغال سنگ، گاز مایع، كك، چار و نیز مواد زائد قابل احتراق . منابع انرژی قابل احیا ( كه همچنین غیر متداول  و جایگزین نامیده  می شوند) عبارت هستند از انرژی خورشیدی، باد، آب، حرارت مربوط به زمین، موج و جزر و مد و انرژی مربوط به جسم زنده. یك منبع انرژی قبل از تبدیل، انرژی اولیه نامیده می شود.

انرژی خورشیدی و انرژی شیمیایی سوختهای فسیلی مثالی از این نوع هستند. اشكال انرژی حاصله از تبدیل انرژی اولیه، انواع انرژی ثانویه را تشكیل می دهند.این نوع انرژیها انرژی الكتریكی، كار، و انرژی حرارتی برای گرم كردن، پختن و خنك كردن هستند. برای محاسبه مقدار انرژی ثانویه بدست آمده از مقدار معینی انرژی اولیه، بازده تبدیل یك دستگاه مبدل مثل توربین بخار یا گاز در یك ایستگاه قدرت و یا یك موتور احتراق داخلی مورد استفاده قرار می گیرد. انرژی مفید، انرژی فراهم شده جهت استفاده كننده است. مقدار این انرژی در یك كاربرد به خصوص برابر با انرژی  ثانویه منهای انرژی اتلافی در سیستمهای توزیع و جابه جایی انرژی است. انرژی لازم برای منظور خاصی مثل استفاده در وسایط نقلیه، موتورها، روشنایی، گرمایش، سرمایش، پختن یا فرآیندهای تكنولوژی صنعتی، انرژی مفید نامیده می شود.

واحد اصلی انرژی، ژول است

برای مقادیر بزرگ انرژی، واحد های زیر مورد استفاده قرار می گیرد:

انرژی ( به خصوص انرژی الكتریكی) همچنین بر حسب كیلووات ساعت (KWh ) اندازه گیری می شود. این واحد  انرژی به صورت زیر به یكدیگر مربوط می شود:

1 Kwh=3.6MJ   ,   1 MJ = 0.278 KWh

در گزارشهای آماری به منظور مقایسه انواع مختلف سوخت  انرژی دو مقدار معادل انرژی می تواند استفاده شود: معادل زغال سنگ و معادل روغن معدنی، بنابراین یك تن معادل زغال سنگ و یك تن معادل روغن معدنی است. برای مقادیر زیاد انرژی ( سوخت )، یك میلیون تن معادل روغن استفاده می شود:

شرح مختصری از اشكال مختلف انرژی در ادامه آمده است.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی، انرژی الكترومغناطیس با محدوده طول موج 25/0 تا است. طیف خورشیدی شامل تشعشع ماورای بنفش، نور مرئی و تشعشع نزدیك مادون قرمز است.

خورشید غنی ترین منبع نا محدود انرژی بدون آلودگی است ولی مشكل بودن استفاده انرژی خورشیدی به دلیل شدت نسبتاً پایین آن و مشخصه آماری تشعشع خورشیدی برخوردی است كه شدیداً متاثر از فصل و چرخه روز و شب و ابری بودن آسمان است.

این خصوصیات انرژی خورشیدی برخوردی توسط اندازه سیستمهای خورشیدی جبران می شود. بنابراین جمع كننده های خورشیدی باید به اندازه كافی بزرگ باشند تا كمیتی از انرژی خورشیدی را جذب كنند كه نه تنها برای مصارف جاری كافی باشد، بلكه به مصرف مواقع با تشعشع كم خورشید و در شب نیز برسد. این مقدار اضافی انرژی خورشیدی ذخیره می شود. عملاً در تمام واحدهای صنعتی خورشیدی برای تضمین تغذیه انرژی یك سیستم انرژی اضافی (پشتیبان) مورد استفاده قرار می گیرد. یك متر مربع از مساحت سطح جمع كننده انرژی در محلی با شار خورشیدی سالیانه در حدود   1200می تواند در حدود KWh 500 گرمای مفید را با دمای سیال انتقال دهنده گرما برابر با °C60-45 فراهم آورد. برای گرم كردن آب مصرفی خانگی در یك خانواده چهار نفری، یك صفحه تخت جمع كننده به مساحتm2 6-4 و تانك آب گرم با ظرفیت 300-200 لیتر لازم است. مخارج كلی یك چنین واحد صنعتی در آلمان حدود 7000 دلار می شود. زمان استهلاك این سیستم بین 12 تا 15 سال است.

منبع:سایت رادیواکتیو

تهیه کننده: مژده اصولی

تنظیم برای تبیان: محسن مرادی