تاریخچه

حدود 50 سال قبل (1929) ژرژ کلود فرانسوی ، استفاده از انرژی حرارتی دریاها را به مرحله عمل در آورد. در ایالات متحده در سال 1979 با استفاده از اختلاف دمای میان آبهای سرد عمق اقیانوس و آبهای گرم سطح اقیانوس ، الکتریسیته تولید شد. اولین مرکز کوچک آمریکایی 10 کیلو وات تولید کرده است و در چند سال آینده مراکزی با صدها مگاوات بوجود خواهد آمد. در فرانسه مطالعاتی انجام شده و در دست تهیه است تا از آبهای آنتیل یا آبهای حوالی زلاندنو بصورت اقتصادی بهره برداری شود. دمای سطح اقیانوس در نواحی گرم معمولا 25 تا 28 درجه سانتیگراد است. بنا به اصل دوم ترمودینامیک ، اصل کارنو ، یک ماشین حرراتی می‌تواند بین یک منبع گرم و یک منبع سرد کار کند. 

معایب و مزایای منابع انرژی

• نفت: نفت ماده قابل احتراق آرمانی بوده ولی تمام شدنی و غیره جهانی است.
  
  
• چوب: چوب و زغال سنگ در کمیت محدود است، ولی می‌توان با از دست دادن قسمتی از انرژی ، آن را به گاز و مواد سوختی تبدیل کرد.
  
  
• الکل: الکل انرژی ملی ولی گران است و توان حرارتی آن کم و تولید آن در اندازه زیاد نا متحمل است.
  
  
• آبشارها: آبشار آب از پشت سد توانایی محدود دارند از توان آنها به علت استفاده‌های زیاد کم کم کاسته می‌شود.
  
  
• انرژی زمین گرمایی: انرژی زمین گرمایی حسی بوده و محدود است، بطوری که می‌توان فقط در اشل صنعتی برای مجموعه‌ای بزرگ از آن استفاده کرد.
  
  
• باد و خورشید: در واحدهایی با توان کم انجام می‌پذیرد. و می توانند انرژی) فرعی به حساب آیند. در عوض خورشید ، اتم ، زمین گرمایی و مواد قابل احتراق قابلیت گرما را دارند، در صورتی که باد و آبشار مستقیما انرژی الکتریکی با بازده بالا را تولید می‌کنند.
  
  
• انرژی هسته‌ای: انرژی هسته‌ای می‌تواند الکتریسیته و گرمای بزرگ مقیاس در واحدهای تأسیساتی بزرگ ایجاد نماید، ولی خطر حوادث و آلودگی آن احتیاطهای لازم را می‌طلبد. به علاوه ، منابع موجود اورانیوم نیز تمام شدنی است.
• __انرژی حرارتی دریاها

• انرژی زیست توده: چرخه کنونی انرژی از نظر بوم شناختی ، مسائل و مشکلات پیچیده‌ای را پدید می‌آورد. از همین رو جایگزینی آن با چرخه‌های غیر آلاینده ، امری حیاتی و اجتناب ناپذیر است. مسائل زیست محیطی و نگرانیهای ناشی از مهاجرت روستائیان و رشد بی رویه شهرنشینی ، بر لزوم تغییر نظام کنونی انرژی افزوده است. بدیهی است که نظام انرژی جایگزین باید مبتنی بر منابع انرژی تجدید پذیر باشد. استفاده از زیست توده به عنوان یک منبع انرژی ، نه تنها از نظر زیست محیطی ، بلکه به دلایل اقتصادی ، اجتماعی و هم چنین سهولت کاربرد ، جذاب است.
  
  تقریبا نیمی از مردم جهان برای تأمین انرژی مورد نیاز خود ، از چوب استفاده می‌کنند. چوب ، ضایعات گیاهی (مانند ضایعات نیشکر ، ذرت ، چغندر قند) و دیگر منابع زیست توده ، از منابع تجدید پذیر کربن به شمار می‌آیند. استفاده از انرژی زیست توده به شکل سنتی یعنی سوزاندن چوب درختان و فضولات حیوانی- باعث نابودی جنگلها و آلودگی و تخریب محیط زیست می‌شود. اما با تلفیق روشهای شیمیایی و زیست شناختی می‌توان قند ، سلولز و دیگر مواد موجود در ضایعات کشاورزی را به سوختهای مایع تبدیل کرد.
  
  یکی از راههای تامین منابع انرژی زیست توده ، کاشت درختان یا درختچه‌های مناسب (با دوره رشد کوتاه و سریع) در زمینهای نامرغوب و نیمه بایر است. گر چه سوزاندن این منابع ، گاز دی اکسید کربن را در جو منتشر می‌کند، اما چون دوره کاشت و رشد و نمو آنها دائمی است، به همان اندازه دی اکسید کربن از جو زمین جذب می‌کنند و با استفاده از انرژی خورشیدی ، از طریق فتوسنتز ، اکسیژن تولید می‌کنند. بدین ترتیب ، یک "چرخه کربن خنثی" در طبیعت پدید می‌آید.

افزایش مصرف انرژی و برق

مصرف انرژی مخصوصا در کشور های توسعه یافته رو به افزایش است. مثلا در فرانسه میزان مصرف انرژی به صورت زیر بر حسب معادل میلیون تن نفت است. در سال 1985 ، 96 میلیون تن نفت ، 37 میلیون تن گاز 30 میلیون تن مواد جامد سوختنی مصرف شده است. این مصرف انرژی نسبت به سال های گذشته حدودا بین 20% الی 35% افزایش پیدا کرده است. کاهش تقاضا برای نفت وارداتی بسیار بوده و تولید انرژی هسته ای نیز کافی است. در نتیجه انرژی های غیر هسته ای (انرژی نو) باید به قدر کافی توسعه یابند. 

صرفه جویی انرژی

برای صرفه جویی در انرژی ، لازم است مقدار انواع مصرف شده را در نظر گرفته و صرفه جویی را از بزرگترین کمیت شروع کرد. گرم کردن منازل حدودا 40% نفت را به خود اختصاص می‌دهد. بنابراین منطقی است که مسئله را از این جا شروع کرد. زیرا صرفه جویی 10 الی 15 درصد به فوریت قابل انجام است. برعکس محدود کردن سرعت اتومبیلها سبب صرفه جویی 10 درصد انرژی می‌شود. 

صرفه جویی در گرم کردن

گرم کردن با الکتریسیته تمرکز یافته و مرسوم شده است و یک روش رفاهی و نوین است. ولی سبب اتلاف بیهوده انرژی است. بویژه در صورتی که جریان از مراکز حرارتی بیاید. بازده یک مرکز در حقیقت 3/1 است. زیرا که 3/2 انرژی اولیه در دودکش تلف می شود. بنابراین یک کیلو گرم مواد نفتی (11000 کیلو کالری) ، به شکل 3800 کیلو کالری انرژی الکتریسیته در می آید. که در منازل دریافت می شود. با سوزاندن یک کیلو گرم مواد نفتی در دیگ شوفاژ مرکزی با راندمان 7% حدود 8000 کیلو کالری برای گرم کردن منزل دردسترس قرارمی گیرد. عایق بندی یک صرفه جویی حقیقی به ازای هر نوع انرژی است مثلا وقتی که رادیاتور شوفاژ در مقابل دیواری که به بیرون ساختمان مربوط و زیر پنجره است، بهتر است قسمتی از دیوار که پشت رادیاتور قرار می گیرد عایق بندی شود. و نیز بهتر است در هر اطاقی ترموستاتهایی با دماهای متفاوت استفاده شود تا دمای اطاق راکنترل کند و صرفه جویی در مصرف انرژی صورت گیرد. 

صرفه‌جویی در تأسیسات ثابت

نیروگاههای برق و مراکز انرژی تقریبا در بهترین شرایط امکان فعلی خود هستند. با مواظبت خاصی می‌توان امیدوار بود که چند درصد از مصرف انرژی را کاهش داد. 

• انرژیهای قدیمی شامل: چوب ، زغال سنگ ، انرژی باد (برای کشتیهای بادی) ، نفت و ... می‌باشند.
  
  
• انرژیهای نو شامل: انرژی خورشید ، باد (برای ماشینهای بادی امروزی) ، هیدروژن ، اتم ، انرژی هسته‌ای و ... هستند.
  
  این روزها همه صحبت از صرفه جویی در مصرف انرژی است و دانشمندان بیشترین تلاش خود را صرف پیدا کردن راههایی برای بدست آوردن انرژی بیشتر و ارزانتر می‌کنند و از باد ، خورشید ، جزر و مد دریاها و انرژی موجود در اتمها نیز مدد می‌جویند. اما جالب است بدانید که همین دانشمندان هم به سختی می‌توانند، تعریف دقیقی از انرژی ارائه کنند.
  
  در حقیقت اگر انرژی را به صورت "کار ذخیره شده" یا "توانایی انجام کار" تعریف کنیم، توانسته‌ایم تا حدود زیادی تعریفی از انرژی ارائه نمائیم. هر چند که این تعریف چندان جامع و کامل نیست. در حقیقت وجود ما و دنیای اطراف ما بدون وجود انرژی و حتی تبدیل آن به صورتهای گوناگون امری محال است. لذا انرژی نه از بین می‌رود ونه به وجود می‌آید!
  
  در تعریف انرژی می‌توانیم بگوییم که: انرژی توانایی انجام کار است. یعنی تمامی موجودات برای انجام کار باید غذا مصرف کنند تا این غذا بصورت انرژی در ماهیچه‌های آنها ذخیره شود که در موقع لازم بتوانند از آن استفاده کنند. با پیشرفت و انقلاب تکنولوژیک تمامی دستگاهها و ماشینها به نوعی از انرژیهای مختلف استفاده می‌کنند. مثلا ماشین بنزین مصرف نکند برای ما نمی‌تواند کار انجام دهد یا یخچال انرژی الکتریکی مصرف نکند، نمی‌تواند عمل سرمایشی انجام دهد.
  
  در حقیقت انرژی همواره از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌شود و همین امر کارها را به سرانجام می‌رساند. برای نمونه انرژی موجود در دریاچه‌های پشت سدها ، انرژی ارتفاعی است. خودورهای در حال حرکت ، مثل بسیاری از اشیا متحرک دیگر ، دارای انرژی حرکتی هستند. در کمان تیراندازی انرژی کششی نهفته است و درابرهای باران زا نیز می‌توانیم انرژی الکتریکی را بیابیم. اما این انرژی کار آمد و مهم را چگونه اندازه گیری می‌کنند!؟

موقعیت جهانی انرژی

• سرنوشت انسانها بر این روال است که در مقابل خطر متحد می‌شوند. ولی بر عکس در مورد مراکز هسته‌ایعقاید بسیار متفاوت است. زیرا بعضی از ملتها از دیگری می‌ترسند. در چنین شرایطی ، قانون طبیعی اتحاد به علت استفاده نادرست توسط قانون دیگر طبیعت به نام عدم اعتماد جایگزین می‌شود.
  
  
• بخشی از مردم به انرژی توجه بیشتری دارند و تنها راه حل را در افزایش مصرف انرژی الکتریکی که از انرژی اتمی تولید می‌شود، می‌دانند و تصور می‌کنند که افزایش تکنیک ، سبب کاهش خطر به میزان قابل توجه برای همه خواهد بود. آنان در اتم ، در ادامه آنچه که در شیمی ، در هواپیمایی ، در پزشکی و در تحقیقات فضایی انجام یافته ، پیشرفت حتمی را می‌بینند.
  
  
• بعضی دیگر از انرژی اتمی بیمناک هستند آنها بمب اتمی را بخاطر می‌آورند که به توسط مواد رادیواکتیوتشعشعات هسته‌ای نامرئی را بوجود می‌آورند، که برای محیط زیست بسیار زیان بار است.
  
  
• طرفداران استفاده از انرژیهای غیر هسته‌ای ، اجتماع طبیعت و علم را جویا هستند تا روشهای دیگری را برایتولید انرژی و برای انرژی گیری بوجود می‌آورند.

اندازه گیری انرژی

منابع انرژی

چشم انداز

مقدمه

آنچه از واژه کار در اذهان عمومی وجود دارد، با آنچه که در علم فیزیک به عنوان کار تعریف می‌شود، تفاوت دارد. در نظر عامه مردم هرگونه تلاش یا فعالیت را که از طرف یک شخص انجام می‌شود، کار می‌گویند، گو اینکه نتیجه این عمل مثبت ، منفی یا بی‌ نتیجه باشد. اما از نظر علم فیزیک عامل انجام کار نیرو است و تنها در شرایط خاصی که عمل نیرو منجر به جابجایی جسم شود، می‌توان به عمل نیرو واژه کار را اطلاق نمود. بنابراین اگر نیرویی بر یک جسم وارد شده ، ولی نتواند آن را جابجا کند، کار انجام یافته توسط نیرو صفر خواهد بود.

به عنوان مثال فرض کنید یک سنگ بسیار بزرگی در یک محل قرار داده شده است. حال از یک فرد خواسته می‌شود که این سنگ بزرگ را جابجا کند. فرد هر چه نیرو وارد می‌کند و به اصطلاح هرچه زور می‌زند، نمی‌تواند سنگ را جابجا کند. در این حالت علم فیزیک می‌گوید که این فرد هیچ کاری انجام نداده است. در صورتی که از نظر عمومی وی کار انجام داده است. لذا واژه کار در علم چیز متفاوت از واژه کار در اذهان عمومی است. 

رابطه کار

فرض کنید که جسمی به جرم m در یک نقطه معین قرار دارد. بر این جسم نیروی ثابت F را به مدت معین t وارد کرده و آن را در راستایی که با امتداد نیرو زاویه حاده θ می‌سازد، به اندزه r جابجا می‌کنیم. در این صورت مقدار کار انجام شده بر روی جسم از رابطه زیر حاصل می‌شود. 

در رابطه فوق F و r کمیتهای برداری هستند و علامت نقطه در وسط آن بیانگر ضرب نقطه‌ای ، ضرب عددی یا اسکالر است. همچنین W بیانگر کار انجام شده می‌باشد. 

محاسبه یکای کار

یکای کار را می‌توان از رابطه W=F.r حساب کرد. اگر برای سادگی فرض کنیم که بردار r در راستای بردار F باشد، در این صورت مقدار کار با حاصلضرب معمولی مقادیر عددی دو بردار F و r برابر خواهد بود. یعنی W=Fr خواهد بود. همچنین از مکانیک تحلیلی می‌دانیم که یکای نیرو برابر نیوتن (N) و یکای طول (r) برابر متر (m) است.بنابراین یکای کار برابر Nm خواهد بود. به افتخار ژول این واحد را ژول می‌نامند، یعنی یک ژول کار برابر با یک نیوتن در متر کار است. 

محاسبه کار یک نیروی متغیر

اگر چنانچه نیروی F که عامل انجام دهنده کار است، مقدار ثابتی نباشد، یعنی در طول زمان متغیر باشد، در این صورت باید از یک رابطه انتگرالی برای محاسبه کار استفاده کنیم. در واقع مفهوم این مطلب را می‌توان اینگونه بیان کرد که فاصله جابجایی را به قسمتهای بسیار کوچک dr تقسیم می‌کنیم که در آن F مقداری ثابت است. سپس کار انجام شده در المان dr را محاسبه کرده و آنها را باهم جمع می‌کنیم و این در واقع همان مفهوم انتگرال است. 

اهمیت کار

کار در واقع مفهوم بسیار مهمی است که در علم فیزیک نقش بسیار اساسی بازی می‌کند. به عنوان مثال با استفاده از مفهوم کار می‌توان در مورد یک دستگاه فیزیکی ، کمیتی به نام توان را تعریف کرد. توان عبارتست از کار انجام شده در واحد زمان بر روی دستگاه ، یا اینکه در مکانیک تحلیلی برای توصیف حرکت ذرات از قضیه کار انرژی جنبشی استفاده می‌کنند.

به عنوان یک مورد دیگر می‌توان اشاره کرد که یکای کار و انرژی از یک نوع است و این امر بیانگر این مطلب است که کار انجام شده بر روی یک جسم به صورتانرژی در آن ذخیره می‌شود. به عنوان مثال اگر ما با اعمال یک نیروی معین جسمی به جرم m را از روی زمین بلند کرده و در ارتفاع معین h از زمین قرار دهیم، در این صورت بر روی این جسم مقداری کار انجام داده‌ایم. این کار به صورت انرژی پتانسیل در جسم ذخیره می‌شود. یعنی جسم در ارتفاع h که در حالت سکون قرار دارد، دارای انرژی mgh می‌باشد، که هرگاه جسم را از ارتفاع h رها کنیم، این انرژی آزاد می‌شود. بنابراین کار می‌تواند به انرژی تبدیل شود. به همین دلیل یکای کار و انرژی ، هر دو ژول می‌باشد. 

                                     
توان الکتریکی که اغلب به عنوان برق یا الکتریسیته شناخته می شود، شامل تولید و ارایه انرژی الکتریکی به میزان کافی برای راه اندازی لوازم خانگی، تجهیزات اداری، دستگاه های صنعتی و فراهم آوردن انرژی کافی برای روشنایی، پخت و پز، گرمای خانگی و صنعتی و فرایندهای صنعتی بکار می رود. 

تاریخچه