بحث عن الطاقة الحرارية ومصادر الطاقة وأنواعها

مقدمة عن الطاقة :
الطاقة هي المقدرة على القيام بعمل ما. وهناك صور عديدة للطاقة، يتمثل أهمها في الحرارة والضوء. الصوت أيضا عبارة عن طاقة. و هناك" الطاقة الميكانيكية" التي تولدها الآلات، و"الطاقة الكيميائية" التي تتحرر عند حدوث تغيرات كيميائية..
كمية الطاقة الموجودة في العالم ثابتة على الدوام، فالطاقة لا تفنى ولاتستحدث، وإنما تتحول من شكل إلى آخر. وعندما يبدو أن الطاقة قد استنفذت، فإنها في حقيقة الأمر تكون قد تحولت إلى صورة أخرى لهذا نجد أن الطاقة هي قدرة المادة للقيام بالشغل( الحركة)\ن كنتيجة لحركتها أو وضعها بالنسبة للقوي التي تعمل عليها .فالطاقة التي يصاحبها حركة يطلق عليها طاقة حركيةkinetic energy . والطاقة التي لها صلة بالوضع يطلق عليها طاقة كامنة (جهدية أو مخزنة ) potential energy . فالبندول المتأرجح به طاقة جهدية في نقاطه النهائية . وفي كل أوضاعه النهائية لهطاقة حركية وطاقة جهدية في أوضاعه المختلفة .
والطاقة توجد في عدة أشكال كالطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية والطاقة الديناميكية الحرارية والطاقة الكيميائية والطاقة الكهروبائية والطاقة الإشعاعية والطاقة الذرية . وكل أشكال هذه الطاقات قابلة للتحويل الداخلي بواسطة طرق مناسبة . والطعام الذي نتاوله ،به طاقة كيماوية يخزنها الجسم ويطلقها عندما نعمل أو نبذل مجهودا.
التفسير الجزيئي للطاقة الحرارية :-
تتكون المادة من جزيئات في حالة حركة مستمرةوبذلك يكون لها طاقة حركة KE ويوجد بينها قوى متبادلة ويفصلها عن بعضها مسافات , وبذلك يكون لها طاقة وضع PE ,وعند خفض درجة حرارة المادة بالتبريد فإن سرعةجزيئاتها تقل وكذلك المسافات البينية 0 وعند درجة -273.15 سيليزي تسكن جزيئاتالمادة 0 وعلى ذلك فالحرارة التي توجد في المادة يرجع معظمها إلى طاقة حركةجزيئاتها0 ومجموع طاقات حركة جزيئات المادة ∑ KE وطاقات وضعها ∑ PE يطلق عليها اسمالطاقة الداخلية ويرمز لها بالرمز u
أثر الحرارة على المواد :-
يجب أن نعرف اولا أن المادة تتكون من جزيئات في حالةحركة مستمرة ونتيجة حركة هذه الجزيئات فان للجزيئات طاقة حركة ونتيجة قوة الجذبالمتبادلة بين الجزيئات فان لها طاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين يطلق عليهما اسمالطاقة الداخلية.
التمدد الحراري للأجسام Thermal expantion
يتوقف مقدار تمدد المادة بالتسخين علىمقدار قوى التماسك بين جزيئاتها, فالمادة الصلبة يكون مقدار تمددها بالتسخين صغيراجدا نظرا لكبر قوى التماسك بين جزيئاتها,في حين أن تمدد السوائل يكون أكبر من تمددالأجسام الصلبة بالتسخين , أما الغازات فيكون تمددها بالتسخين أكبر بكثير منالسوائل لأن قوى التماسك بين جزيئات الغاز تكاد تكون معدومة0
التمدد ( الخطيالطولي) للأجسام الصلبةLiner expantuion
تختلف قوى التماسك بين جزيئات الموادالصلبة باختلاف انواعها 0لذلك يختلف مقدار الزيادة في الطول-أي التمدد الطوليبالتسخين.
تمدد السوائل :-
عرفنا أن الاجسام الصلبة تتمدد خطيا وسطحيا وحجميا لأن لها شكلثابت. أما السوائل فليس لها شكل ثابت بل تأخذ شكل الاناء الحاوي لها وتحتفظ بحجومهالذلك فان السوائل تتميز بنوع واحد من التمدد هو التمدد الحجمي ويتوقف مقدار التغيرفي حجم سائل عندما يكتسب مقدارامعين من الطاقة الحرارية
الطاقة الحرارية من اشكال الطاقة ، يتمانتقالها عن طريق المس أو الاشعاع أو الحمل.حيث يتم الإنتقال الحراري دائما منالجسم الساخن إلى البارد.كما يمكن لانتقال الطاقة الحرارية أن يتسبب برفع درجةحرارة جسم معين.كما يمكنه تغيير الحالة الفيزيائية لجسم بسبب تأثيرات النقل الحراريأو الانتقال الحراري.
الطاقة :هي كل ما يمدنا بالنور ويعطينا الدفء وينقلنا من مكان إلى آخر ،وتتيح استخراج طعامنا من الأرض وتحضيره وتضع الماء بين أيدينا ويدير عجلة الألاتالتي تخدمنا .
- وهي قدرة المادة على إعطاء قوى قادرة على إنجاز عمل معين.
- وهي مقدرة نظام ما على إنتاج فاعلية أو نشاط خارجي (ماكس بلانك )
- وهي كيانمجرد لا يعرف إلا من خلال تحولاته
- وهي عبارة عن كمية فيزيائية تظهر على شكلحرارة أو شكل حركة ميكانيكية أو كطاقة ربط في أنوية الذرة بين البروتون والنيترون .
أنواع الطاقة:

1الطاقةالكيميائية : وهي الطاقة التي تربط بين ذرات الجزيئ الواحد بعضها ببعض في المركباتالكيميائية . وتتم عملية تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية عن طريق إحداثتفاعل كامل بين المركب الكيميائي وبين الأكسجين لتتم عملية الحرق وينتج عن ذلكالحرارة . وهذا النوع من الطاقة متوفر في الطبيعة ، ومن أهم أنواعه النفط والفحموالغاز الطبيعي والخشب .
2-الطاقة الميكانيكية : وهي الطاقة الناتجة عن حركةالأجسام من مكان لآخر حيث أنها قادرة نتيجة لهذه الحركة على بذ ل شغل والذي يؤديإلى تحويل طاقة الوضع ( potential energy ) إلى طاقة حركة (kinetik energy ) ،والأمثلة الطبيعية لهذا النوع من الطاقة هي حركة الرياح وظاهرة المد والجزر ، ويمكنأن تنشأ الطاقة الميكانيكية بتحويل نوع آخر من الطاقة إلى آخر ، مثل المروحةالكهربائية " تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية " .
3-الطاقةالحرارية : وتعتبر من الصور الأساسية للطاقة التي يمكن أن تتحول كل صور الطاقةإليها ، فعند تشغيل الألات المختلفة باستخدام الوقود ، تكون الخطوة الأولى هي حرقالوقود والحصول على طاقة حرارية تتحول بعد ذ لك إلى طاقة ميكانيكية أو إلى نوع منأنواع الطاقة .
ولا تتوفر الطاقة الحرارية بصورة مباشرة في الطبيعة إلا فيمصادر الحرارة الجوفية .
4-الطاقة الشمسية : وهي مصدر للطاقة لا ينضب ،ولكنها تصل إلينا بشكل مبعثر وتحتاج إلى تقنية حديثة (خلايا شمسية ) لتجميعهاوالاستفادة منها ، وهي مصدر نظيف فلا ينتج عن استعماله أي غازات أو نواتج ضارةللبيئة كما هو الحال في انواع الوقود الأخرى .
5- الطاقة النووية : وهي الطاقةالتي تربط بين مكونات النواة ( البروتونات أو النيترونات ) وهي تنتج نتيجة تكسر تلكالرابطة وتؤدي إلى إنتاج طاقة حرارية كبيرة جدا .
6-الطاقة الكهربائية : حيث لا يوجد مصدر طبيعي للكهرباء ، والسبب في ذ لك أن جميع المواد تكون متعادلةكهربائيا ، والطاقة الكهربائية لا تنشأ إ لا بتحويل نوع من أنواع الطاقة إلى طاقةكهربائية مثل تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية كما هو الحال في المولدالكهربائي ، أو تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية كما هو الحال فيالبطاريات .
7-الطاقة الضوئية : هي عبارة عن موجات كهرو مغناطيسية تحتوي كلمنها على حزم من الفوتونات ، وتختلف الموجات الكهرو مغناطيسية في خواصها الفيزيائيةباختلاف الأطوا ل الموجية ، ومن الأمثلة عليها الأشعة السينية : وهي عبارة عن أشعةغير مرئية ذات طول موجي قصير جدا وتستخدم في المجال الطبي ، وكذ لك أشعة جاما : وهيأشعة لا تتأثر بالمجالات الكهربائية أو المغناطيسية ولها القدرة على النفاذ وتعتبرمن الأشعة الخطرة .
مصادرالطاقة

بترول
هو عبارة عنسائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرةالأرضية. وأحيانا يسمى نافثا، من اللغة الفارسية ("نافت" أو "نافاتا" والتي تعنيقابليته للسريان)
وهو يتكون من خليط معقد من الهيدروكربونات، وخاصة من سلسلة الألكانات،ولكنه يختلف في مظهره وتركيبه ونقاوته بشدة من مكان لأخر. وهو مصدر من مصادر الطاقةالأولية الهام للغاية ([ إحصائيات الطاقة في العالم]). البترول هو المادة الخاملعديد من المنتجات الكيماوية، بما فيها الأسمدة، مبيدات الحشرات،اللدائن.
وقود
الوقود لهأنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري، وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز, والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاعأسعاره يوما بعد يوم مع أضراره الشديد للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفطيكون مخلوط مع الرمال.
من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطياستخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية.، و هناك الوقود المستخرج منالنفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري حيث بالمستطاع استخدام هذه النفاياتفي توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير، وتستخدم في العديد من دولالعالم معالجة المياه الثقيلة للاستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفيرالطاقة.
من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون مننباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفاتالزراعية أو بقايا قصب سكر ، أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقودللسيارات وكذلك زيت النخيل ويتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لاحاجة هناك لاستعمال الرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هوالحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري ومن ثم فإنه بنزين خال منالرصاص.
هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قدلا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض, ناهيك فيخطورة استخدامها وتأثيرها السيئ على البيئة.

طاقة شمسية
تعتبر الطاقةالشمسية الطاقة الأم فوق كوكبنا حيث تنبعث من أشعتها كل الطاقات فوقه . لأنها تسيركل ماكينات و آلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها ،وتدفع دورة تدوير المياه ، و تدفيء المحيطات ،و تنمي النباتات وتطعم الحيوانات . ومع الزمن تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض . وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أوبطرق غير مباشرة لحرارة و برودة و كهرباء و قوة محركة .وأشعة الشمس أشعةكهرومغناطيسية.و طيفها المرئي يشكل 49% و الغير مرئي كالأشعة الفوق بنفسجية يشكل 2% و الأشعة دون حمراء 49%. و الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها و بعدها منالأرض.
وتختلف كثافة أشعة الشمس و شدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرةالأرضية و بعدها عن الأرض و ميولها و وضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أوخلال السنة, و حسب كثافة السحب التي تحجبها. لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعةالتي تصل لليابسة . عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمستسقط علي الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه, وتمتص الأشعة وتخزنها فيكتلة (مادة) حرارية Thermal mass. وهذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني . وتعتبر هذه الكتلةالحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي(الفولتيةالضوئية ).فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيمابعد.
والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة و لا تعكسها كثيرا ، لهذا تسخن . عكسالأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس لهذا لا تسخن . و الحرارة تنتقل بثلاث طرق،إما بالتوصيل conduction منخلال مواد صلبة, أو بالحمل convection من خلال الغازات, أوالسوائل ، أو بالإشعاع radiation. و من هنا نجد الحاجة لإنتقالالحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنها, لتوفير الطاقة و تكاليفها .لهذا توجد عدة مباديء يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية, من بينها قدرةالمواد الحرارية المختارة, علي تجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتي في تصميم البناياتواختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أوالباردة . كما يكونون عليبينة بمساقط الشمس علي المبني و البيئة من حوله كقربه منالمياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة,والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقفوالجدران و خزانات الماء. كل هذه الإعتبارات لها أهميتها في إمتصاص الحرارة أثناءالنهار و تسربها أثناء الليل.
هناك مصادر للطاقة نظيفة يمكن استخدامها كوقود بديلومنها:
•الطاقة الشمسية.
•طاقةالرياح.
•طاقة المد والجزر.
•الطاقة المستمدة من حرارة الأرض الجوفية.

والله أسأل التوفيق والقبول

والحمد لله رب العالمين


وأخيرا أسأل الله السلامة في ديننا ودنيانا وعاقبة أمرنا


والحمد لله رب العالمين