تبدیل انرژی
تبدیل انرژی، فرایند تغییر انرژی از یک شکل به دیگری است. در فیزیک، انرژی کمیتی است (کمیت یعنی هرچیزی را که بتوانیم اندازه بگیریم کمیت نام دارد) که ظرفیت انجام کار را فراهم میکند (مانند بلندکردن یک چیز) یا گرما فراهم میکند که فرمول کار را در هفتم خوانده اید. علاوهبر تبدیلشدن، بنابر قانون پایستگی انرژی، انرژی قابل انتقال به یک مکان یا شی دیگر است، اما نمیتوان آن را ایجاد یا نابود کرد.
تبدیل انرژی (Energy transformation) که با نام تراگردانی انرژی (Energy conversion) نیز شناخته میشود، فرآیند تغییر انرژی از یک شکل به شکل دیگر است.[۱] در فیزیک، انرژی کمیتی است که ظرفیت انجام کار (مانند بلند کردن یک جسم) را فراهم میکند یا باعث ایجاد گرما میشود. علاوه بر تبدیل شدن، طبق قانون پایستگی انرژی، انرژی قابل انتقال به مکان یا جسم یا موجود زنده دیگر است، اما نمیتوان آن را به وجود آورد یا از بین برد.[۲]
محدودیتها در تبدیل انرژی گرمایی
[ویرایش]تبدیل سایر اشکال انرژی به انرژی گرمایی ممکن است با بازده ۱۰۰٪ انجام شود.[۳] تبدیل بین اشکال غیرگرمایی انرژی نیز ممکن است با بازده نسبتاً بالایی رخ دهد، اگرچه همیشه مقداری انرژی به دلیل اصطکاک و فرآیندهای مشابه به صورت گرمایی تلف میشود.[۴] گاهی اوقات بازده نزدیک به ۱۰۰٪ است، مانند زمانی که انرژی پتانسیل در هنگام سقوط یک جسم در خلأ به انرژی جنبشی تبدیل میشود. این موضوع در مورد عکس آن نیز صدق میکند؛ برای مثال، یک جسم در یک مدار بیضوی به دور جسمی دیگر، هنگام دور شدن از جسم مادر، انرژی جنبشی (سرعت) خود را به انرژی پتانسیل گرانشی (فاصله از جسم دیگر) تبدیل میکند. زمانی که جسم به دورترین نقطه میرسد، این روند معکوس میشود، شتاب میگیرد و انرژی پتانسیل را به جنبشی تبدیل میکند. از آنجا که فضا تقریباً خلأ است، این فرآیند دارای بازدهی نزدیک به ۱۰۰٪ است.
از آنجا که تبدیلات بین اشکال غیرگرمایی انرژی تنها توسط قانون پایستگی انرژی محدود میشوند، حداکثر بازده نظری آنها ۱۰۰٪ است.[۵] در مقابل، تبدیلات از انرژی گرمایی به سایر اشکال انرژی، علاوه بر پایستگی انرژی، توسط قانون دوم ترمودینامیک نیز محدود میشوند و دارای حداکثر بازده نظریِ اکیداً کمتر از ۱۰۰٪ هستند (نگاه کنید به چرخه کارنو) و معمولاً بازده واقعی بسیار پایینتری دارند. علاوه بر این، تنها اختلاف در چگالی انرژی گرمایی/حرارتی (دما) میتواند برای انجام کار مورد استفاده قرار گیرد. دلیل این امر آن است که انرژی گرمایی شکل بسیار نامنظمی از انرژی است؛ این انرژی به طور تصادفی در بین بسیاری از حالات موجودِ مجموعهای از ذرات میکروسکوپی تشکیلدهنده سیستم توزیع شده است (گفته میشود که این ترکیباتِ موقعیت و تکانه برای هر یک از ذرات، یک فضای فاز را تشکیل میدهند).
معیار این بینظمی یا تصادفی بودن، آنتروپی است و ویژگی بارز آن این است که آنتروپی یک سیستم ایزوله هرگز کاهش نمییابد. نمیتوان یک سیستم با آنتروپی بالا (مانند یک ماده داغ با مقدار مشخصی انرژی گرمایی) را برداشت و آن را به یک حالت کمآنتروپی (مانند یک ماده با دمای پایین و انرژی متناظر کمتر) تبدیل کرد، مگر اینکه آن آنتروپی به جای دیگری (مانند هوای اطراف) منتقل شود. به عبارت دیگر، هیچ راهی برای متمرکز کردن انرژی بدون پراکنده کردن انرژی در جای دیگر وجود ندارد. انرژی گرمایی در حالت تعادل در یک دمای معین، پیشاپیش نشاندهنده حداکثر همترازی (پخش شدن یکنواخت) انرژی بین تمام حالات ممکن است؛[۶] زیرا این انرژی کاملاً قابل تبدیل به یک فرم «مفید» نیست، یعنی فرمی که بتواند کاری فراتر از صرفاً تأثیر بر دما انجام دهد. قانون دوم ترمودینامیک بیان میکند که آنتروپی یک سامانه بسته هرگز نمیتواند کاهش یابد. به همین دلیل، انرژی گرمایی در یک سامانه تنها در صورتی میتواند با بازده نزدیک به ۱۰۰٪ به انواع دیگر انرژی تبدیل شود که آنتروپی جهان از راههای دیگر افزایش یابد تا کاهش آنتروپیِ ناشی از ناپدید شدن آن انرژی گرمایی و محتوای آنتروپی آن جبران شود. در غیر این صورت، تنها بخشی از آن انرژی گرمایی ممکن است به انواع دیگر انرژی (و در نتیجه کار مفید) تبدیل شود. دلیل این امر آن است که باقیمانده گرما باید برای انتقال به یک مخزن حرارتی با دمای پایینتر محفوظ بماند. افزایش آنتروپی در این فرایند انتقال، بزرگتر از کاهش آنتروپی مرتبط با تبدیل بقیه گرما به انواع دیگر انرژی است.
به منظور افزایش بازده تبدیل انرژی، اجتناب از تبدیل گرمایی مطلوب است. برای مثال، بازده راکتورهای هستهای که در آنها ابتدا انرژی جنبشی هستهها به انرژی گرمایی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میشود، در حدود ۳۵٪ است.[۷][۸] با تبدیل مستقیم انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی، که با حذف مرحله میانی تبدیل انرژی گرمایی انجام میشود، بازده فرایند تبدیل انرژی میتواند به طور چشمگیری بهبود یابد.[۹]
تاریخچه تبدیل انرژی
[ویرایش]تبدیلات انرژی در جهان در طول زمان معمولاً با انواع مختلفی از انرژی مشخص میشوند که از زمان مِهبانگ (بیگ بنگ) در دسترس بودهاند و بعداً توسط یک مکانیزم تحریککننده «آزاد» شدهاند (یعنی به انواع فعالتری از انرژی مانند انرژی جنبشی یا تابشی تبدیل شدهاند).
آزادسازی انرژی از پتانسیل گرانشی
[ویرایش]یک تبدیل مستقیم انرژی زمانی رخ میدهد که هیدروژن تولید شده در مِهبانگ طی فرآیندی در ساختارهایی مانند سیارات جمع میشود و در طی آن بخشی از پتانسیل گرانشی مستقیماً به گرما تبدیل میشود. برای مثال در مشتری، زحل و نپتون، چنین گرمایی که حاصل از ادامه رمبش (فروپاشی) اتمسفرهای گازی بزرگ این سیارات است، همچنان محرک اصلی سیستمهای آبوهوایی آنهاست. این سیستمها که شامل نوارهای جوی، بادها و طوفانهای قدرتمند هستند، تنها تا حدی توسط نور خورشید تغذیه میشوند. با این حال، در اورانوس این فرایند به ندرت رخ میدهد. دلیل احتمالی این تفاوت این است که این سیاره در مقایسه با سایر غولهای گازی گرمای داخلی بسیار کمی ساطع میکند، که احتمالاً ناشی از یک برخورد عظیم در گذشته است که بخش زیادی از گرمای اولیه آن را آزاد کرده، یا به دلیل ساختار داخلی آن است که مانع از انتقال موثر گرما میشود.[۱۰]
در زمین، بخش قابل توجهی از خروجی گرما از درون سیاره، که بین یکسوم تا نیمی از کل آن برآورد میشود، ناشی از رمبش (فروپاشی) آهسته مواد سیارهای به اندازهای کوچکتر و تولید گرما است.
آزادسازی انرژی از پتانسیل پرتوزا
[ویرایش]نمونههای آشنایی از دیگر فرایندهایی که انرژی باقیمانده از مِهبانگ را تغییر شکل میدهند، شامل واپاشی هستهای است. این فرایند انرژیای را آزاد میکند که در اصل در ایزوتوپهای سنگین مانند اورانیوم و توریم «ذخیره» شده بود. این انرژی در زمان هستهزایی (نوکلئوسنتز) این عناصر ذخیره شده است. این فرایند از انرژی پتانسیل گرانشی آزاد شده ناشی از رمبش ابرنواخترهای نوع دوم استفاده میکند تا این عناصر سنگین را پیش از ادغام در منظومههای ستارهای مانند منظومه شمسی و زمین خلق کند. انرژی حبس شده در اورانیوم طی اکثر انواع واپاشی پرتوزا به صورت خودبهخودی آزاد میشود و میتواند در بمبهای شکافت هستهای به صورت ناگهانی رها گردد. در هر دو حالت، بخشی از انرژی اتصالدهنده هستههای اتمی به یکدیگر، به صورت گرما آزاد میشود.
آزادسازی انرژی از پتانسیل همجوشی هیدروژن
[ویرایش]در زنجیرهای مشابه از تبدیلات که از سپیدهدم کیهان آغاز شده است، همجوشی هستهای هیدروژن در خورشید ذخیره دیگری از انرژی پتانسیل را آزاد میکند که در زمان مِهبانگ ایجاد شده بود. در آن زمان، بر اساس یک نظریه،[کدام؟] فضا منبسط شد و جهان با سرعتی بیش از آن سرد شد که هیدروژن بتواند به طور کامل با همجوشی به عناصر سنگینتر تبدیل شود. این امر منجر به این شد که هیدروژن به عنوان ذخیرهای از انرژی پتانسیل باقی بماند که میتواند توسط همجوشی هستهای آزاد شود.
چنین فرایند همجوشیای توسط گرما و فشار حاصل از رمبش گرانشی ابرهای هیدروژنی هنگام تشکیل ستارهها آغاز میشود و بخشی از انرژی همجوشی سپس به نور ستاره تبدیل میگردد. با در نظر گرفتن منظومه شمسی، نور ستاره (که عمدتاً از خورشید است) ممکن است پس از برخورد به زمین دوباره به عنوان انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شود. این اتفاق در مورد بهمنها رخ میدهد، یا زمانی که آب از اقیانوسها تبخیر شده و به صورت بارش در ارتفاعات بالای سطح دریا نهشته میشود (جایی که پس از رهاسازی در یک سد برقآبی، میتواند برای به حرکت درآوردن توربین/ژنراتورها جهت تولید برق استفاده شود).
نور خورشید همچنین محرک بسیاری از پدیدههای آبوهوایی در زمین است. یک مثال توفند است که زمانی رخ میدهد که مناطق بزرگ ناپایدار از اقیانوس گرم، که طی ماهها گرم شدهاند، ناگهان بخشی از انرژی گرمایی خود را برای تأمین نیروی چند روز حرکت شدید هوا آزاد میکنند. نور خورشید همچنین توسط گیاهان به عنوان انرژی پتانسیل شیمیایی از طریق فتوسنتز جذب میشود؛ در این فرایند دیاکسید کربن و آب به ترکیبی قابل احتراق از کربوهیدراتها، لیپیدها و اکسیژن تبدیل میشوند. آزادسازی این انرژی به صورت گرما و نور ممکن است به طور ناگهانی توسط یک جرقه در آتشسوزی جنگل آغاز شود؛ یا ممکن است برای سوختوساز (متابولیسم) انسان یا حیوان به صورت آهستهتر در دسترس قرار گیرد، زمانی که این مولکولها خورده شده و فروگشت (کاتابولیسم) توسط عملکرد آنزیمها آغاز میشود.
در تمام این زنجیرههای تبدیل، انرژی پتانسیل ذخیره شده در زمان مِهبانگ بعداً توسط رویدادهای واسطهای آزاد میشود و گاهی اوقات بین زمانهای آزادسازی، برای دورههای طولانی به روشهای مختلفی ذخیره میگردد تا دوباره به انرژی فعال تبدیل شود. تمام این رویدادها شامل تبدیل یک نوع انرژی به انواع دیگر، از جمله گرما، هستند.
نمونهها
[ویرایش]نمونههایی از مجموعههای تبدیل انرژی در ماشینها
[ویرایش]یک نیروگاه سوخت فسیلی (زغالسنگسوز) شامل این تبدیلات انرژی است:
- انرژی شیمیایی موجود در زغالسنگ به انرژی گرمایی در گازهای خروجی حاصل از احتراق تبدیل میشود.
- انرژی گرمایی گازهای خروجی از طریق تبادل حرارت به انرژی گرمایی بخار تبدیل میشود.
- انرژی جنبشی بخار در توربین به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
- انرژی مکانیکی توربین توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میشود که خروجی نهایی است.
در چنین سیستمی، مراحل اول و چهارم بسیار کارآمد هستند، اما مراحل دوم و سوم کارایی کمتری دارند. کارآمدترین نیروگاههای برق گازی میتوانند به بازده تبدیل ۵۰٪ دست یابند. نیروگاههای نفتسوز و زغالسنگسوز بازده کمتری دارند.
در یک خودرو معمولی، تبدیلات انرژی زیر رخ میدهد:
- انرژی شیمیایی موجود در سوخت از طریق احتراق به انرژی جنبشی گاز در حال انبساط تبدیل میشود.
- انرژی جنبشی گاز در حال انبساط به حرکت خطی پیستون تبدیل میشود.
- حرکت خطی پیستون به حرکت چرخشی میللنگ تبدیل میشود.
- حرکت چرخشی میللنگ به مجموعه جعبهدنده (انتقال قدرت) منتقل میشود.
- حرکت چرخشی از مجموعه جعبهدنده خارج میشود.
- حرکت چرخشی از طریق یک دیفرانسیل عبور میکند.
- حرکت چرخشی از دیفرانسیل خارج شده تا چرخها را به حرکت درآورد.
- حرکت چرخشی چرخهای محرک به حرکت خطی وسیله نقلیه تبدیل میشود.
دیگر تبدیلات انرژی
[ویرایش]ماشینها و مبدلهای (ترانسدیوسر) بسیار متفاوتی وجود دارند که یک شکل انرژی را به شکل دیگری تبدیل میکنند. فهرست کوتاهی از مثالها در زیر آمده است:
- آبکافت ATP (انرژی شیمیایی در آدنوزین تریفسفات ← انرژی مکانیکی)
- باتری (انرژی شیمیایی ← انرژی الکتریکی)
- ژنراتور الکتریکی (انرژی جنبشی یا کار مکانیکی ← انرژی الکتریکی)
- بخاری برقی (انرژی الکتریکی ← گرما)
- آتش (انرژی شیمیایی ← گرما و نور)
- اصطکاک (انرژی جنبشی ← گرما)
- پیل سوختی (انرژی شیمیایی ← انرژی الکتریکی)
- انرژی زمینگرمایی (گرما ← انرژی الکتریکی)
- ماشین گرمایی، مانند موتور احتراق داخلی مورد استفاده در خودروها یا ماشین بخار (گرما ← انرژی مکانیکی)
- سد برقآبی (انرژی پتانسیل گرانشی ← انرژی الکتریکی)
- لامپ (انرژی الکتریکی ← گرما و نور)
- میکروفون (صدا ← انرژی الکتریکی)
- انرژی گرمایی اقیانوس (گرما ← انرژی الکتریکی)
- فتوسنتز (تابش الکترومغناطیسی ← انرژی شیمیایی)
- پیزوالکتریک (کرنش ← انرژی الکتریکی)
- فرستندههای رادیویی (انرژی الکتریکی ← انرژی امواج الکترومغناطیسی)
- ترمو الکتریک (گرما ← انرژی الکتریکی)
- انرژی موج (انرژی مکانیکی ← انرژی الکتریکی)
- آسیاب بادی (انرژی بادی ← انرژی الکتریکی یا انرژی مکانیکی)
جستارهای وابسته
[ویرایش]- نظریه آشوب
- قانون پایستگی
- پایستگی انرژی
- پایستگی جرم
- حسابداری انرژی
- کیفیت انرژی
- بیلان انرژی آبهای زیرزمینی
- قوانین ترمودینامیک
- قضیه نوتر
- تبدیل انرژی گرمایی اقیانوس
- تعادل ترمودینامیکی
- اقتصاد ترمودینامیکی (ترمو-اکونومیک)
- اصل عدم قطعیت
منابع
[ویرایش]- ↑ «Energy Transfers and Transformations | National Geographic Society». education.nationalgeographic.org. دریافتشده در ۲۰۲۲-۰۵-۲۹.
- ↑ «Energy Transfers and Transformations». Education. ۲۰۲۳-۱۰-۱۹. دریافتشده در ۲۰۲۵-۰۶-۳۰.
- ↑ Pandey، Er. Akanksha (۹ فوریه ۲۰۱۰). «Advantages and Limitations of Ocean Thermal Energy Conversion». India Study Channel.
- ↑ Struchtrup, Henning (2014-07-02). Thermodynamics and Energy Conversion (به انگلیسی). Springer. pp. 2–3.
- ↑ Tesfai، A.؛ Irvine، J.T.S. (۲۰۱۲). «Solid Oxide Fuel Cells:Theory and Materials». Comprehensive Renewable Energy. Elsevier. صص. ۲۷۴–۲۸۹. شابک ۹۷۸-۰-۱۲-۸۱۹۷۳۴-۹.
- ↑ Katinas، Vladislovas؛ Marčiukaitis، Mantas؛ Perednis، Eugenijus؛ Dzenajavičienė، Eugenija Farida (۱ مارس ۲۰۱۹). «Analysis of biodegradable waste use for energy generation in Lithuania». Renewable and Sustainable Energy Reviews. ۱۰۱: ۵۵۹–۵۶۷. بیبکد:2019RSERv.101..559K.
- ↑ Dunbar، William R.؛ Moody، Scott D.؛ Lior، Noam (مارس ۱۹۹۵). «Exergy analysis of an operating boiling-water-reactor nuclear power station». Energy Conversion and Management. ۳۶ (۳): ۱۴۹–۱۵۹. doi:10.1016/0196-8904(94)00054-4. بیبکد:1995ECM....36..149D.
- ↑ Wilson، P.D. (۱۹۹۶). The Nuclear Fuel Cycle: From Ore to Waste. New York: انتشارات دانشگاه آکسفورد.[کدام صفحه؟]
- ↑ Shinn، Eric؛ Hübler، Alfred؛ Lyon، Dave؛ Perdekamp، Matthias Grosse؛ Bezryadin، Alexey؛ Belkin، Andrey (ژانویه ۲۰۱۳). «Nuclear energy conversion with stacks of graphene nanocapacitors». Complexity. ۱۸ (۳): ۲۴–۲۷. بیبکد:2013Cmplx..18c..24S.
- ↑ Pearl، J. C.؛ Conrath, B. J. (۱۹۹۰). «The albedo, effective temperature, and energy balance of Uranus, as determined from Voyager IRIS data». Icarus. ۸۴ (۱): ۱۲–۲۸.
برای مطالعه بیشتر
[ویرایش]- «Energy—Volume 3: Nuclear energy and energy policies». Applied Energy. ۵ (۴): ۳۲۱. اکتبر ۱۹۷۹.
- انتقال و تبدیل انرژی | دانش بنیادی علمی
