انرژی برق
دانشمندان انرژی را به عنوان توانایی انجام کار تعریف می کنند. تمدن مدرن ممکن است به این دلیل که مردم یاد گرفته اند که چگونه انرژی را از یک فرم به دیگری تغییر دهند و سپس از آن برای انجام کار استفاده کنند. ما از انرژی برای جابجایی وسایل نقلیه در کنار جاده ها و قایق ها از طریق آب استفاده می کنیم، غذا را روی اجاق گاز آشپزخانه می کنیم، یخ را در فریزر، و خانه هایمان را روشن می کنیم.
انرژی به شکل های مختلف می آید
- حرارت
- نور (تابشی)
- حرکت (جنبشی)
- برق
- شیمیایی
- انرژی هسته ای
- گرانشی
دو نوع انرژی وجود دارد
- ذخیره انرژی (بالقوه)
- انرژی (جنبشی)
به عنوان مثال، غذای شخصی که می خورد، شامل انرژی شیمیائی است و بدن انسان آن انرژی را ذخیره می کند تا زمانی که از انرژی آن در طول کار یا بازی به عنوان انرژی جنبشی استفاده شود.
منابع انرژی را می توان به عنوان تجدید پذیر یا غیر قابل احیا طبقه بندی کرد وقتی مردم از برق در خانه های خود استفاده می کنند، احتمالا برق به وسیله سوختن زغال سنگ یا گاز طبیعی، واکنش هسته ای یا یک نیروگاه برق آبی در یک رودخانه به وجود می آید که فقط چند منبع نامیده می شود. وقتی مردم تانک بنزین را پر می کنند، منبع انرژی، نفتی است که از روغن خام تهیه می شود و ممکن است شامل اتانول سوختی با رشد و فرآوری ذرت باشد. زغال سنگ، گاز طبیعی، هسته ای، انرژی آبی، نفت و اتانول منابع انرژی نامیده می شود.
منابع انرژی به دو گروه تقسیم می شوند
- قابل بازیافت (منبع انرژی است که می تواند به آسانی قابل پر شدن باشد)
- غیر قابل احیاء (منبع انرژی است که نمی توان به آسانی دوباره پر کرد)
منابع انرژی قابل تجدید و غیر قابل احیا می توانند به عنوان منابع اولیه اولیه برای تولید انرژی مفید مانند گرما یا استفاده از منابع انرژی ثانویه مانند برق استفاده شوند.
پنج منبع اصلی انرژی تجدیدپذیر وجود دارد
- انرژی خورشیدی از خورشید
- انرژی زمین گرمایی از گرما در داخل زمین
- انرژی باد
- زیست توده از گیاهان
- نیروی برق از جریان آب
بیشتر انرژی مصرف شده در ایالات متحده از منابع انرژی غیر قابل احیا است
- فرآورده های نفتی
- مایعات گاز هیدروکربن
- گاز طبیعی
- زغال سنگ
- انرژی هسته ای
نفت خام، گاز طبیعی و زغال سنگ، سوختهای فسیلی نامیده می شود؛ زیرا آنها بیش از میلیون ها سال با فعالیت گرما از هسته زمین و فشار سنگ و خاک بر روی باقی مانده (یا فسیل ها) گیاهان و موجودات مرده مانند میکروسکوپیک دیاتومه اکثر محصولات نفتی مصرف شده در ایالات متحده از نفت خام ساخته شده است، اما مایعات نفتی نیز می توانند از گاز طبیعی و زغال سنگ ساخته شوند.
انرژی هسته ای از اورانیوم تولید می شود که یک منبع انرژی نامنظم است که اتم های آن (از طریق یک فرایند به نام تقسیم هسته ای) برای ایجاد حرارت و در نهایت برق تولید می شوند.
نمودار زیر منابع انرژی مورد استفاده در ایالات متحده را نشان می دهد. در سال ۲۰۱۷ منابع انرژی غیر قابل احیاء حدود ۹۰ درصد از مصرف انرژی ایالات متحده را در سال ۲۰۱۷ به خود اختصاص داده است. زیست توده، که شامل چوب، سوخت های زیستی و زباله های زیست توده است، بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر است و تقریبا نیمی از کل انرژی مصرف انرژی را در بر می گیرد ۵٪ کل مصرف انرژی ایالات متحده.
اشکال انرژی
بسیاری از اشکال انرژی وجود دارد، اما همه آنها به دو دسته اساسی تقسیم می شوند
- انرژی پتانسیل
- انرژی جنبشی
انرژی پتانسیل
انرژی بالقوه انرژی و انرژی موقعیت ذخیره شده است.
انرژی جنبشی
انرژی جنبشی حرکت امواج، الکترون ها، اتم ها، مولکول ها، مواد و اشیاء است.
انرژی شیمیایی
انرژی ذخیره شده در اوراق قرضه اتم ها و مولکول ها است. باتری، زیست توده، نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ نمونه هایی از انرژی شیمیائی هستند. انرژی شیمیایی به انرژی حرارتی تبدیل می شود زمانی که مردم چوب را در یک شومینه سوزاندند یا بنزین را در یک موتور خودرو بسوزانند.
انرژی مکانیکی
انرژی است که به وسیله تنش ذخیره می شود. چشمه های فشرده و گروه های لاستیکی کششی نمونه هایی از انرژی مکانیکی ذخیره شده می باشد.
انرژی هسته ای
انرژی ذخیره شده در هسته اتم است – انرژی که هسته را با هم نگه می دارد. وقتی که هسته ها به هم متصل شوند یا جدا شوند، مقدار زیادی از انرژی می تواند آزاد شود.
انرژی گرانشی
انرژی ذخیره شده در ارتفاع جسم است. جسم بزرگتر و سنگین تر، انرژی گرانشی بیشتری ذخیره می شود. هنگامی که یک شخص دوچرخه سواری را به پایین تپه تپه سوق می دهد و سرعت آن را می گیرد، انرژی گرانشی تبدیل به انرژی حرکت می شود. هیدروژن نمونه دیگری از انرژی گرانشی است که در آن گرانش از یک توربین هیدرو الکتریکی به منظور تولید برق، آب می کند.
انرژی تابشی
انرژی الکترومغناطیسی است که در امواج عرضی حرکت می کند. انرژی تابشی شامل نور مرئی، اشعه ایکس، اشعه گاما و امواج رادیویی است. نور یکی از انواع انرژی تابشی است. آفتاب، انرژی تابشی است که سوخت و گرما را فراهم می کند که زندگی را روی زمین ممکن می سازد.
انرژی حرارتی یا گرما
انرژی است که از حرکت اتم ها و مولکول ها در یک ماده می آید. هنگامی که این ذرات سریعتر حرکت می کنند، حرارت افزایش می یابد. انرژی ژئوترمال انرژی حرارتی در زمین است.
انرژی حرکت
انرژی ذخیره شده در حرکت اشیاء است. سریع تر آنها حرکت می کنند، انرژی بیشتری ذخیره می شود. طول می کشد تا انرژی به حرکت در می آید، و هنگامی که یک شیء کند می شود، انرژی آزاد می شود. باد نمونه ای از انرژی حرکت است. یک نمونه چشمگیر از انرژی حرکت یک سقوط اتومبیل است – یک ماشین به توقف کامل میرود و تمام انرژی حرکتش را یک بار در یک لحظه بدون کنترل کنترل می کند.
صدا
حرکت انرژی از طریق مواد در امواج طولی (فشرده سازی / تقریب) است. صدا هنگامی ایجاد می شود که یک نیرو باعث جابجایی یک شی یا ماده شود. انرژی از طریق ماده در یک موج منتقل می شود. به طور معمول، انرژی در صدا کوچکتر از دیگر انواع انرژی است. انرژی الکتریکی توسط ذرات باردار کوچک به نام الکترون به دست می آید، که معمولا از طریق یک سیم حرکت می کند. رعد و برق نمونه ای از انرژی الکتریکی در طبیعت است.
ما برای استفاده از منابع مختلف انرژی استفاده می کنیم. منابع انرژی به عنوان تجدید پذیر یا غیر قابل بازیافت طبقه بندی می شوند. انرژی های تجدید پذیر و غیر قابل احیا می توانند به عنوان منابع اولیه اولیه استفاده شوند و به منابع انرژی ثانویه مانند برق و هیدروژن تبدیل شوند.
منابع انرژی غیر قابل احیاء
در ایالات متحده، انرژی های غیر قابل احیاء انرژی بیشتر انرژی مورد استفاده ما را تامین می کنند. منابع انرژی غیر قابل احیا شامل زغال سنگ، گاز طبیعی، نفتی از نفت خام و مایعات طبیعی گاز و اورانیوم است. این منابع انرژی غیر قابل احیاء نامیده می شود، زیرا منابع آنها محدود است و زمان زیادی برای تشکیل آن وجود دارد. زغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی از بقایای گیاهان که چندین سال پیش در زیر زمین فرو ریختند تشکیل شده است.
منابع انرژی تجدیدپذیر
منابع انرژی قابل تجدید شامل زیست توده، انرژی زمین گرمایی، انرژی آبی، انرژی خورشیدی و انرژی باد. آنها به عنوان تجدید پذیر نامیده می شوند، زیرا آنها به طور طبیعی در یک دوره کوتاه از زمان تجدید می شوند. روز به روز، خورشید می درخشد، باد می سوزاند، و جریان رودخانه ها.
انرژی نه ایجاد شده و نه نابود شده است
صرفه جویی در انرژی به معنای صرفه جویی در انرژی نیست. در عوض، قانون حفاظت از انرژی می گوید که انرژی نه ایجاد شده و نه نابود شده است. هنگامی که مردم از انرژی استفاده می کنند، ناپدید نمی شوند. انرژی از یک نوع انرژی به شکل دیگری از انرژی تغییر می کند.
یک موتور خودرو بنزین را می سوزاند، انرژی شیمیایی را در بنزین به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. سلول های فتوولتائیک خورشیدی انرژی تابشی از خورشید را به انرژی الکتریکی تغییر می دهند. انرژی تغییر شکل، اما مقدار کل انرژی در جهان باقی می ماند.
تبدیل یک نوع انرژی به یکدیگر
بهره وری انرژی، مقدار انرژی مفید حاصل از یک سیستم است. یک دستگاه کاملا انرژی با انرژی تمام انرژی را که در دستگاه قرار داده شده به کار مفید تبدیل می کند. در واقع، تبدیل یک نوع انرژی به شکل دیگری از انرژی همیشه شامل تبدیل به انرژی های قابل استفاده (یا انرژی مفید) و غیر قابل استفاده (یا غیرممکن است) انرژی می شود.
بیشترین تغییرات انرژی کارآمد نیستند. بدن انسان نمونه خوبی است. بدن انسان مانند یک ماشین است و سوخت مورد نیاز غذا است. غذا انرژی شخصی را برای حرکت، نفس کشیدن و فکر کردن می دهد. با این حال بدن انسان در تبدیل غذا به کار مفید بسیار کارآمد نیست. بدن انسان کمتر از ۵٪ بیشتر از زمان موثر است. بقیه انرژی به گرما تبدیل می شود، که ممکن است یا نباشد، بسته به اینکه چقدر سرد یا گرم یک فرد می خواهد باشد.
انرژی برق
برق جریان برق یا شارژ است. الکتریسیته هم بخشی اساسی از طبیعت است و هم یکی از انواع رایج انرژی است.
الکتریسیته که ما استفاده می کنیم یک منبع انرژی ثانویه است، زیرا با تبدیل منابع اولیه انرژی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی، انرژی هسته ای، انرژی خورشیدی و انرژی باد، به انرژی الکتریکی تولید می شود.
برق نیز به عنوان یک حامل انرژی نامیده می شود، به این معنی که آن را می توان به سایر اشکال انرژی مانند انرژی مکانیکی یا گرما تبدیل کرد. منابع انرژی اولیه انرژی تجدیدپذیر یا غیر قابل احیا هستند، اما برق مورد استفاده ما تجدید پذیر و غیر قابل بازیافت نیست.
استفاده از برق به طور چشمگیری زندگی روزمره را تغییر داده است باوجود اهمیت آن در زندگی روزمره، تعداد کمی از مردم فکر می کنند فکر می کنند که زندگی بدون برق چگونه باشد. مردم مانند آب و هوا، تمایل دارند که برق را به صورت صحیح مصرف کنند. با این حال، مردم از برق برای انجام بسیاری از مشاغل در هر روز استفاده می کنند – از نورپردازی، گرمایشی و خانه های خنک کننده تا تلویزیون و کامپیوتر.
قبل از اینکه برق به طور گسترده ای در دسترس بود، حدود ۱۰۰ سال پیش، شمع ها، چراغ های نفت ناب، و چراغ های نفت سفید نور را فراهم کرد. یخچالها غذا را سرما نگه داشته؛ و کوره های سوزاندن چوب و یا ذغال سنگ، گرما را فراهم می کنند.
دانشمندان و مخترعان از دهه ۱۶۰۰ برای کشف اصول الکتریسیته تلاش کرده اند. بنجامین فرانکلین، توماس ادیسون و نیکولا تسلا مشارکت قابل توجهی در درک ما و استفاده از برق داشتند.
بنجامین فرانکلین نشان داد که رعد و برق برق است. توماس ادیسون نخستین لامپ رشته ای با طول عمر را اختراع کرد.
قبل از سال ۱۸۷۹، برق مستقیم (DC) در چراغ های قوس برای روشنایی در فضای باز استفاده شد. در اواخر دهه ۱۸۰۰، نیکولا تسلا پیشگام تولید، انتقال و استفاده از برق متناوب (AC) بود که هزینه انتقال برق را در فاصله های طولانی کاهش داد. اختراعات تسلا برق را به خانه ها فرستاد تا روشنایی روشنایی در محیط داخلی و به کارخانه ها را برای قدرت دادن به ماشین های صنعتی به ارمغان بیاورد.
علم برق
همه چیز از اتم ساخته شده است
برای درک الکتریسیته، برخی اطلاعات اساسی درباره اتم مفید است. اتم ها سازه های جهان هستند. همه چیز در جهان از اتم ساخته شده است – هر ستاره، هر درخت و هر حیوان. بدن انسان از اتم ساخته شده است. هوا و آب نیز از اتم ساخته شده اند. اتم ها خیلی کوچک هستند که میلیون ها نفر آنها را روی سر پین جا می دهند.
اتم ها از ذرات حتی کوچکتر ساخته شده اند
مرکز اتم هسته ای نامیده می شود. هسته از ذرات به نام پروتون و نوترون ساخته شده است. الکترون ها در اطراف هسته در پوسته ها چرخش دارند. اگر هسته اندازه یک توپ تنیس باشد، اتم به اندازه یک کره حدود ۱۴۵۰ فوت در قطر یا در اندازه یکی از بزرگترین استادیوم های ورزشی در جهان خواهد بود. اتمها عمدتا فضای خالی هستند.
اگر چشم غیرمسلح میتواند یک اتم را ببیند، به نظر میرسد کمی مانند یک خوشه کوچک از توپهایی که حبابهای غول پیکر نامرئی (یا پوسته) احاطه شدهاند. الکترون ها روی سطح حباب ها قرار می گیرند، به طور دائمی چرخش و حرکت می کنند تا آنجا که ممکن است از یکدیگر دور باشند. الکترون ها توسط یک نیروی الکتریکی در پوسته خود نگهداری می شوند.
پروتون ها و الکترون های اتم به یکدیگر متصل می شوند. آنها هر دو شارژ الکتریکی دارند. پروتونها یک بار مثبت (+) دارند و الکترونها بار منفی دارند (-). بار مثبت پروتون ها برابر بار منفی الکترونی است. اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند. یک اتم در تعادل است که تعداد پروتون ها و الکترونها برابر است. این نوترونها بدون هزینه حمل می شوند و تعداد آنها ممکن است متفاوت باشد.
تعداد پروتون ها در یک اتم، نوع اتم یا عنصر را تعیین می کند. یک عنصر یک ماده متشکل از یک نوع اتم است. جدول تناوبی عناصر عناصر با اعداد اتمی خود را نشان می دهد – تعداد پروتون های آنها.
به عنوان مثال، هر اتم هیدروژن (H) یک پروتون دارد و هر اتم کربن (C) دارای شش پروتون است.
الکتریسیته حرکت الکترونها بین اتم ها است
الکترون ها معمولا در فاصله ی دقیق از هسته اتم باقی می مانند. پوسته نزدیک به هسته می تواند دو الکترون را نگه دارد. پوسته بعدی می تواند تا هشت را نگه دارد. پوسته های خارجی می توانند حتی بیشتر نگه داشته شوند. بعضی اتم ها با پروتون های بسیاری می توانند به تعداد هفت پوسته دارای الکترون در آنها باشند.
الکترون ها در پوسته هایی که نزدیک به هسته هستند نیروی قوی جذب پروتون دارند. گاهی اوقات، الکترون ها در پوسته های خارج از اتم یک نیروی قوی از جذب پروتون ها ندارند. این الکترون ها می توانند از مدار خارج شوند. اعمال یک نیرو می تواند آنها را از یک اتم به دیگری تغییر دهد. این الکترونها تغییر الکتریکی هستند.
برق استاتیک در طبیعت وجود دارد
رعد و برق یک شکل از برق است. رعد و برق الکترونها هستند که از یک ابر به دیگری حرکت میکنند یا الکترونها از یک ابر به زمین پر میشوند. آیا تا به حال پس از پیاده روی در یک فرش، یک شوک احساس کرده اید، هنگامی که یک جسم را لمس کردی؟ جریان الکترونها از آن جسم به شما پرتاب شد. این استاتیک الکتریکی نامیده می شود.
آیا تا کنون موهایتان را با کشیدن یک بالون روی آن، درست کرده اید؟ اگر چنین است، شما برخی از الکترون ها را از بالون انداختید. الکترون ها از بالون به موهای شما منتقل شده اند. الکترون ها با حرکت به انتهای مو خود تلاش کردند تا از یکدیگر فاصله بگیرند. آنها یکدفعه در برابر یکدیگر مقاومت کردند و موی خود را حرکت دادند. درست همانطور که اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند، مثل اتهامات مجازات یکدیگر.
چگونه برق تولید می شود
ژنراتور الکتریکی دیاگرام یک ژنراتور الکتریکی – چرخش چرخش روتور چرخ سیم مسی شده در داخل آهنرباهای ثابت برای تولید برق.
در سال ۱۸۳۱، دانشمند مایکل فارادی کشف کرد که وقتی یک آهنربای داخل سیم پیچ قرار می گیرد، سیم برق جریان می یابد. یک ژنراتور برق یک وسیله است که یک شکل از انرژی را به برق تبدیل می کند. ژنراتورها به دلیل رابطه بین مغناطیس و برق کار می کنند. ژنراتورهایی که انرژی جنبشی (مکانیکی) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند تقریبا تمام الکتریسیته مصرفی مصرف کنندگان را تولید می کند.
یک روش معمول برای تولید برق از ژنراتورهایی با یک الکترومغناطیس- یک آهنربا تولید شده توسط برق است، نه یک آهنربا سنتی. ژنراتور دارای مجموعه ای از کویل های عایق سیم است که یک سیلندر ثابت ایجاد می کند.
این سیلندر شفت الکترومغناطیسی چرخشی را احاطه کرده است.
هنگامی که شفت الکترومغناطیسی چرخش می یابد، جریان الکتریکی کوچک در هر بخش سیم پیچ ایجاد می شود. هر بخش سیم پیچ سیم پیچ کوچک و جداگانه الکتریکی می شود. جریان های کوچک بخش های فردی به شکل یک جریان بزرگ تشکیل می شوند. این جریان الکتریسیته است که از طریق خطوط برق از ژنراتور به مصرف کننده حرکت می کند.
توربین انرژی بالقوه و جنبشی مایع متحرک (مایع یا گاز) را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. در یک ژنراتور توربین، یک مایع در حال حرکت مانند آب، بخار، گازهای احتراق یا هوا، یک سری از تیغه های نصب شده روی یک شفت را که شفت را به یک ژنراتور متصل می کند، هل می دهد. ژنراتور، به نوبه خود، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی بر اساس رابطه بین مغناطیس و برق تبدیل می کند.
توربین های مختلف شامل توربین های بخار، توربین های احتراق (گاز)، توربین های آب (هیدروالکتریک) و توربین های بادی هستند. در توربین های بخار، آب گرم و بخار تولید می شود با سوختن سوخت در دیگ بخار و یا با استفاده از مبدل حرارتی برای جذب حرارت از مایع گرم شده با، به عنوان مثال، انرژی خورشیدی یا ژئوترمال. بخار درایو توربین، که قدرت ژنراتور.
سوخت یا منابع انرژی مورد استفاده برای توربین های بخار شامل زیست توده، زغال سنگ، انرژی زمین گرمایی، سوخت های نفتی، گاز طبیعی، انرژی هسته ای و انرژی حرارتی خورشیدی است. اکثر بزرگترین نیروگاه های برق در ایالات متحده دارای توربین های بخار هستند.
توربین های گاز احتراق که شبیه به موتورهای جت هستند، سوخت های گاز یا مایع را برای تولید گازهای گرم برای تبدیل تیغه ها در توربین سوختند.
موتورهای احتراق داخلی مانند موتورهای دیزلی نیز برای تولید انرژی مکانیکی برای استفاده از ژنراتورهای برق استفاده می شوند.
ژنراتورهای دیزلی در بسیاری از روستاهای دورافتاده در آلاسکا استفاده می شوند و به طور گسترده ای برای تامین برق در سایت های ساخت و ساز و برای تامین برق اضطراری یا پشتیبان برای ساختمان ها و نیروگاه ها استفاده می شود.
ژنراتورهای دیزلی می توانند از انواع سوخت های مختلف از جمله سوخت دیزل، بیودیزل، گاز طبیعی، بیوگاز و پروپان استفاده کنند. ژنراتورهای داخلی موتور احتراق داخلی که با بنزین، گاز طبیعی و یا پروپان سوخت دارند، عموما توسط کارکنان ساخت و ساز و کارفرمایان و تامین برق اضطراری برای خانه ها استفاده می شوند.
گیاهان ترکیب گرما و قدرت (CHP)، که گاهی اوقات به نام کوآگنتاکتورها نامیده می شوند، از گرما استفاده می کنند که به طور مستقیم به برق در توربین بخار، توربین بخار احتراق یا موتور ژنراتور احتراق داخلی برای اهداف دیگری مانند گرمایش فضایی یا صنعتی حرارت پردازش بعضی از نیروگاه ها از گرید و گاز احتراق استفاده نمی کنند از یک توربین، مانند یک توربین گاز، برای تولید برق بیشتر در توربین دیگری مانند توربین بخار.
این سیستم از دو ژنراتور جداگانه با استفاده از یک منبع سوخت واحد، یک چرخه ترکیبی نامیده می شود. نیروگاه های CHP و نیروگاه های ترکیبی، بعضی از کارآمدترین راه ها برای تبدیل سوخت به انرژی مفید هستند.
توربین های هیدرولیک از آب برای چرخاندن تیغه های توربین استفاده می کنند و توربین های بادی از باد استفاده می کنند.
ژنراتورهای الکتریکی که از توربین استفاده نمی کنند شامل سلول های فتوولتائیک خورشیدی می شوند که نور خورشید را به طور مستقیم به برق تبدیل می کنند و سلول های سوختی که تبدیل سوخت مانند هیدروژن به برق را از طریق یک فرایند شیمیایی تبدیل می کنند.
منبع : دارالفنون
