مدرسة الطاقة
6/فبراير/2014
لماذا نتعلم الطاقة ؟
تعلم الطاقة يعني فهم طبيعة وقوانين الطاقة في الكون المحيط بنا وفي حياتنا . ويعني ايضا تطبيق هذا الفهم على امور حياتنا
الانسان والطاقة
- الغذاء مصدر للطاقة ...تعتمد الكائنات الحية على الشمس في بقائها . ففي اول السلسلة الغذائية نجد النبات والطحالب وكثير من البكتيريا يصنع غذائة من مكونات الطبيعة معتمدا على اشعة الشمس كمصدر لطاقة التصنيع ( عملية التمثيل الضوئي ) . تعتمد الحيوانات الاخرى في السلسلة الغذائية على النبات ... والانسان كذلك .
- طور الانسان فهمة للطاقة واصبحت اكبر من مجرد الابقاء على الحياة . التدثر بأوراق الاشجار وجلود الحيوان منحة فرص اكبر في امتداد حياتة .
- النار... الاكتشاف العظيم ... اول اكتشاف ثوري في حياة الانسان حدث منذ اكثر من 400,000 عام , منحة امكانية طهو طعامة والتدفئة وابعاد الحيوانات ... ثم اكتشاف الفخار ومعالجة المعادن . استخدم الانسان الاشجار لاشعال نيرانة . اول استخدام للفحم الحجري سجل منذ 2400 سنة تقريبا .
- استخدم المصريون طاقة الرياح في تسيير سفنهم النيلية منذ 7000 عام . واستخدم الصينيون طواحين الهواء لرفع المياة منذ العام 200 قبل الميلاد . واستخدمت المجاري المائيةلادارة الالات في انجلترا قبل الثورة الصناعية .
- الالة البخارة ... الاكتشاف العظيم التالي ... منذ اكتشاف النار الى الثورة الصناعية ظل معدل استهلاك الانسان للطاقة شبة ثابت . الى ان دشنت الثورة الصناعية بالالة البخارية
.فلاول مرة تتحول الطاقة الكيميائية المختزنة في الفحم والخشب الى طاقة حركة . فاستخدمت بشكل واسع لحل المشاكل الانية والملحة في نزح المياة من مناجم الفحم وسريعا ما حلت مكان الاشرعة في السفن والاحصنة في جر عربات القطارات . وهكذا حل الفحم مكان الخشب كمصدر اول للطاقة .واصبح هو المصدر الاول للطاقة . - بأختراع محركات الاحتراق الداخلي ( محركات السيارات ) واكتشاف الدورات الحرارية والكهرباء وتطبيقاتها في محطات القوى( محطات الكهرباء والطاقة الحرارية ) . بدأ توليد الكهرباء في محطات ضخمة ونقلها الى اماكن بعيدة وبدأالاستخدام المتزايد لمشتقات البترول والتي اصبحت المصدر الاول للطاقة عالميا في منتصف القرن العشرين.
- مصدر جديد للطاقة اضيف طاقة بعد الحرب العالمية الثانية وهوالطاقة النووية . 15% من كهرباء العالم تولد من محطات نووية
- يعتمد العالم حاليا اعتمادا كبيرا على الفحم، والنفط، والغاز الطبيعي كمصادر للطاقة. الوقود الأحفوري مصدر غير متجدد للطاقة ، أي أنها تعتمد على موارد محدودة من شأنها أن تتضاءل في نهاية المطاف، لتصبح مكلفة جدا أو ضارة بيئيا ضررا لا يمكن اصلاحة . في المقابل، الطاقة المتجددة ، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية،طاقات تتجدد باستمرار، ولن تنفد أبدا .
- اول محطة كهرومائية انشئت في اواخر القرن 19... في العام 2010 كان 15% من كهرباء العالم من مصدر كهرومائي .
- الخلايا الشمسية ... اكتشاف تكنولوجي واعد... تولد الكهرباء مباشرة من طاقة ضوء الشمس ... 1% من كهرباء العالم من الطاقة الشمسية ... خلايا شمسية و محطات شمسية حرارية تستخدم الطاقة الشمسية المركزة عوضا عن الوقود التقليدي .
- طاقة جوف الارض ناتجة عن التحلل المستمر لذرات عناصر غير مستقرة في جوف الارض وطاقة الجاذبية لكتلة الارض ... تتحرر طاقة جوف الارض الى السطح في بعض المناطق على صورة طاقة حرارية ... عيون المياة الساخنة تستمد حرارتها من طاقة جوف الارض... اول محطة كهرباء انشأت في ايطاليا معتمدة على طاقة جوف الارض في العام 1911 ... ايسلند تعتمد بالكامل على كهرباء محطات جوفارضية .
- طاقة الكتلة الحيوية موجودة في كل الكتلة ذات الاصول الحية ... كل المخلفات الزراعية والحيوانية ينظر لها كمصادر للطاقة ... يتسارع استخدام الايثانول كوقود للسيارات .
الطاقة... مفاهيم اساسية
(1) الطاقة كمية فيزيائية تتبع قوانين طبيعية دقيقة
- الطاقة كمية تنتقل من نظام الى اخر : الطاقة هي القدرة على بذل شغل , لو رفعت كتاب ( كتلة) من مستوى ارض الغرفة الى سطح المنضددة فأنت (منظومة طاقة ) بذلت شغل للكتاب ( منظومة طاقة اخرى) . اي انك فقدت كمية من الطاقة , كمية الطاقة تلك انتقلت الى الكتاب .
- عندما تنتقل الطاقة من نظام الى اخر : بعض من كمية الطاقة المنتقلة يتبدد ( يفقد) غالبا في الجو المحيط بأنظمة الطاقة , فمثلا لايمكنك توجية كل كمية الحرارة الناتجة من شعلة موقد الغاز الى وعاء الماء اعلى الشعلة اي كان حرصك في عملية العزل فلا بد من تسخين الهواء المحيط بدرجة ما .
- الطاقة لا تفنى ولا تخلق من عدم : في المثال السابق كمية الطاقة الصادرة من شعلة الغاز(طاقة حرارية) تساوي بالضبط كمية الطاقة المنتقلة الى وعاء التسخين (المستفاد منها) + كمية الطاقة المفقودة في تسخين الهواء المحيط وجسم الموقد وخلافة من الفواقد .
- الطاقة تأخذ عدة اشكال : اشكال الطاقة تتضمن ,الطاقة الضوئية ,طاقة الحركة ,طاقة حرارية ,طاقة كيميائية .. تصنف جميع اشكال الطاقة في فئتين ... طاقة حركة و طاقة وضع طاقة الحركة مرتبطة بالحركة ... طاقة الوضع مرتبطة بالموضع النسبي لنظام تجاة اخر. بعض الانظمة تشمل الفئتين معا .
- التفاعلات الكيميائية والنووية مصتحبة بانتقال وتحول للطاقة ... التفاعل الكيميائي مصحوب بتغير طاقة الوضع في روابط الذرات الى طاقة حركة او العكس ... التفاعل النووي مصحوب بتغير طاقة في نواة الذرة .
- وحدات مختلفة تستعمل لقياس الطاقة ... الجول , الكالوري , الكيلووات ساعة
- القدرة هي معدل انتقال الطاقة ووحداتها مثل ... جول/ثانية ... كيلوكالوري/ ساعة
(2) الظواهر الطبيعية على الارض نتيجة لمسارات الطاقة
- الارض ( كمنظومة طاقة ) تتغير بأستمرار . الطاقة تتدفق منها واليها عبر الكون الفسيح حولها . ابحاث الجيولوجيا والحفريات والمياة المتجمدة تمدنا بقرائن تثبت ان الارض تتغير ( كمظومة طاقة)عبر حياتها ... الجماد والكائنات الحية تتجاوب مع التغير .
- اشعة الشمس , الجاذبية , تحلل العناصر الثقيلة في باطن الارض , وطاقة دوران الارض ... المصادر الرئيسية للطاقة في الارض وهي المحرك لكل الظواهر الطبيعية ... الطاقة الشمسية مصدر خارجي ... بينما طاقة تحلل العناصر الثقيلة وطاقة الجاذبية مصادر طاقة ارضية ( ماعدى طاقة المد والجزر) ... طاقة تحلل العناصر الثقيلة وطاقة الجاذبية تنتجان طاقة جوف الارض ( ظاهرة طبيعية) ... بينما دوران الارض يؤثر في اتجاة وقوة حركة الهواء والمياة على سطح الارض ( ظاهرة طبيعية )
- الطاقة الشمسية هي المحرك الاساسي لحالة الطقس والمناخ على سطح الارض , فعلى سبيل المثال ... التسخين غير المتجانس لسطح الارض يكون مناطق ضغط غير متجانسية تحرك الكتل الهوائية ... اي تسبب الرياح ... كما تؤث في تيارات المحيطات المائية .
- الماء يلعب دور حاسم في تخزين ونقل الطاقة على الارض ...الماء يغطي 80% من سطح الارض وللماء اكبر حرارة نوعية ويتغير بين حالاتة الثلاث ( الغازية ,السائلة, الصلبة ) بصورة مستمرة ... الطاقة الشمسية هي المحرك لدورة الماء تلك .
- حركة المادة بين حاوياتها تدار بالطاقة الداخلية والخارجية للارض ... الطاقة الداخلية والخارجية للارض تحرك المواد بين حاوياتها . هذه الحركة عادة ما تكون مصحوبة بتغيرات فيزيائية وكيميائية ... فمثلا عنصر الكربون يتواجد في في القشرة الارضية بصورة صخور الكربونات كالحجر الجيري ... وفي الغلاف الجوي كغاز ثاني اكسيد الكربون ...ومذاب في الماء كثاني اكسيد كربون ... وفي الكائنات الحية مكون لجزيئات معقدة تتحكم في كيمياء الحياة ... الطاقة هي المحرك لتدفق الكربون بين بين حاواياتة المختلفة .
- غازات الدفيئة تؤثر في تدفق الطاقة من والى الكرة الارضية ... ثاني اكسيد الكربون وبخار الماء مواد شفافة تمرر اغلب الاطوال الموجية لاشعة الشمس ... ولكنها لا تمرر الاشعة فوق الحمراء الناتجة من حرارة سطح الارض ...للابقاء على درجة حرارة الارض مستقرة يلزم ان تكون كمية الطاقة الساقطة على سطح الارض (من الكون الفسيح ... واساسا الشمس) مساوية لكمية الطاقة المنبعثة من الارض الى الكون ... غازات الدفيئة المتزايدة ( نتيجة الحضارة الصناعية ) تمنع ذلك ... اذن يلزم التحكم في غازات الدفيئة .
- تأثير التغير في منظومة طاقة الارض لا يظهر في ايام وشهور بل في سنين وعقود .
- الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة لكل الكائنات الحية والنظام البيئي المحيط بها والتي هي جزء منة . المنتجين للغذاء مثل النباتات والطحالب، والبكتيريا تستخدم الطاقة من ضوء الشمس لتكون المادة العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء. وهذا يحدد بداية تدفق الطاقة خلال كل مكونات السلسلة الغذائية .
- الغذاء هو الوقود الحيوي للكائنات الحية وبة تسير كل العمليات الحيوية . الغذاء يتكون من جزيئات تعمل كوقود ومواد بناء للكائن الحي . تكسر جزيئات الغذاء ( تفاعل كيميائي) يطلق طاقة ليؤدي الكائن الحي عملياتة الحيوية ( حركة تنفس تكاثر... ) ويكون جزيئات جديدة ( مواد بناء... وتخزين طاقة ) .
- الطاقة المتاحة لعمل شغل نافع تتناقص كلما انتقلت من كائن الى اخر في السلسلة الغذائية ... فجزيئات المكونات الغذائية تتفكك ويعاد تركيبها في جزيئات جديدة بالانتقال من مستوى لاخر في السلسلة الغذائية ... في كل عملية هدم وبناء يفقد جزء من الطاقة لايمكن استعادتة . ولكن تدفق الطاقة الشمسية المستمر هو ما يجعل الحياة مستمرة رغم كل تلك الفواقد . ففي الرسم من كل 25 جول اشعة شمسية يستفيد النبات ب 1 جول ... ومن كل 10 جول في النبات يستفيد اكل النبات ب 1 جول ... ومن كل 10 جول في اكل النبات يستفيد اكل اكل النبات ب 1 جول ... وهكذا نرى ان اخر السلسلة الغذائية يستفيد فقط ب 1 جول من كل 25000 جول طاقة اشعة شمسية
- تدفق الطاقة في السلسلة الغذائة يسير في اتجاة واحد من المنتج الى المستهلك ... من النبات الى اكل النبات الى اكل اكل النيات وهكذا .
- يتأثر النظام البيئي للكائنات الحية بتوفر الطاقة والمادة ... فكمية الطاقة والمادة المتوفرة تحدد كثافة وتوزيع الكائنات الحية . وتحدد امكانات البيئة على تدوير المكونات .
- الانسان جزء من المحيط الحيوي ... ولكنة يؤثر يطريقة اصطناعية على عمليات تدفق الطاقة على سطح الارض . كمثال العمليات الزراعية الواسعة , وازالة الغابات , والنمو الصناعي ....
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق