انرژي گرمايي زمين

از زماني که زمين بوجود آمده، انرژي گرمايي هم در آن وجود داشته است. معادل لاتين انرژي گرمايي "ژئوترمال انرژي"((Geothermal Energy )) است که ازدو جزء "ژئو" به معني زمين و "ترمال" که معني حرارت را در دل خود دارد تشکيل شده است.

آيا تابه حال پيش آمده که تخم مرخ پخته اي را به دو جزء تقسيم کنيد؟

درون تخم مرغ بسيار به آن چه که در درون زمين مي بينيم، شبيه است. زرده بسيار شبيه هسته ي زمين است و سفيده ي آن را مي توان به جاي جبه در نظر گرفت و پوسته بسيار نازک سفيد رنگي که تخم مرغ را احاطه کرده و در صورتي که تخم مرغ را پوست بکنيم قابل مشاهده است، همان پوسته زمين خواهد بود.

درست زير پوسته زمين و بالاي جبه، لايه مذابي از صخره هاي مذاب معدني است که "ماگما" ناميده مي شوند و پوسته زمين روي اين لايه "ماگما" شناور است. اما هنگامي که ماگما از طريق آتشفشان ها از پوسته زمين عبور کرده و به سطح مي آيد آن را گدازه آتشفشاني مي ناميم.

براي مطالعه بيشتر،به ادامه مطلب مراجعه كنيد

انرژی زیست توده

زیست توده، ماده ای است که اغلب جزء زباله ها به شمار می رود. برخی از انواع زیست توده، چیزهایی هستند که در طبیعت روی زمین بر جای می مانند مواردی مانند: درختان مرده، شاخه های درختان، شاخ و برگ های هرس شده در باغچه حیاط، اضافه غلات در زمین های کشاورزی، خرده چوب ها ( مانند تصویری که در سمت راست مشاهده می کنید )، خاک اره و پوسته های درختان در چوب بری ها. زیست توده، حتی موادی نظیر لاستیک و کودهای گیاهی را نیز شامل می شود.

زباله های شما، فرآورده های کاغذی که قابلیت بازیافت به محصولات مفید دیگر را ندارند و سایر زباله های خانگی به طور معمول به مراکز زباله دانی شهرداری فرستاده می شوند. زباله های شما دارای انواعی از زیست توده هایی است که می توانند مجدداً مورد استفاده قرار گیرند. با بازیافت زیست توده ها به عنوان سوخت های فسیلی و سایر مصارف، دیگر به "مراکز زباله دانی" برای  نگهداری از آن ها نیازی نخواهد بود.

هیچ کس حتی تصور هم نمی کند که می توان از این مواد برای تولید برق، حرارت، کودهای آلی و یا سوخت های فسیلی استفاده کرد. کودهای آلی، گیاهان یا مواد غذایی فاسد شده ای هستند که به صورت یک تل کود با هم ترکیب شده و برای کمک به رشد گیاهان مورد استفاده قرار می گیرند.

برخی از کشورها سالانه بیش از 60 میلیون تن زیست توده خشک تولید می کنند. این زیست توده از پسماند چوب بری ها، چوب زباله های شهری و جنگل ها، پسماندهای کشاورزی و سایر انبارهای غذایی حاصل می شود.

اگر کل این مقدار مورد استفاده قرار گیرد، با 60 میلیون تن زیست توده می توان نزدیک به 2000 مگاوات برق یک شهر را که دارای جمعیت و اقتصاد رو به رشدی است، تأمین نمود. این انرژی برای تأمین مصرف برق حدود دو هزار خانه کافی خواهد بود!

نحوه استفاده از زیست توده بسیار ساده است. ضایعات چوب، شاخه های درختان، ته مانده غذاها و سایر پسماندها با هم در کامیون های بزرگ جمع آوری می شوند. این کامیون ها، پسماندها را از کارخانه ها و زمین های کشاورزی به نیروگاه های زیست توده منتقل می کنند. در آن جا زیست توده به مخازن بسیار بزرگی فرستاده می شود. پس از آن زیست توده وارد یک کوره شده و در آن سوزانده می شود. گرمای تولید شده برای جوشاندن آب کوره مورد استفاده قرار گرفته و انرژی بخار حاصل، توربین ها و ژنراتورها را به چرخش در می آورد ( می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر، مطلب سوخت های فسیلی را مطالعه نمایید ).

با سوزاندن فرآورده های مصرف شده در مراکز جمع آوری زباله، می توان از زیست توده بهره برداری کرد. وقتی زباله ها تجزیه می شوند، از آن ها گاز متان آزاد می شود. از مطالب سوخت های فسیلی و سیستم توزیع گاز طبیعی، به یاد دارید که گاز طبیعی از متان ساخته شده است. گاز متان تولید شده در مراکز جمع آوری زباله از طریق خطوط لوله کشی جمع آوری می شود. سپس از آن برای تولید برق در نیروگاه ها استفاده می شود. این نوع زیست توده، گاز زباله دانی نامیده می شود.

در مورد خوراک دام ها هم قضیه به همین شکل است. در جاهایی که تعداد زیادی حیوان مانند گاو ، گوسفند و حتی جوجه ها نگه داری می شوند، می توان کود تولید کرد. هنگامی که این کود تجزیه می شود، همانند زباله، گاز متان تولید می کند. از سوختن این گاز در مزرعه، می توان انرژی مورد نیاز زمین های کشاورزی را تأمین نمود.

استفاده از زیست توده ها، در مقایسه با نیروگاه های دارای سوخت فسیلی، به کاهش پدیده گرم شدن کره زمین کمک می کند. گیاهان به هنگام رشد، دی اکسید کربن (CO₂) را استفاده و ذخیره می کنند. گاز CO₂ ذخیره شده در گیاه، هنگام سوختن یا تجزیه شدن از آن آزاد می شود. با کاشت مجدد بذرها، گیاهان جدید می توانند گاز CO₂ حاصل از سوختن گیاهان را مصرف کنند. بنابراین استفاده از زیست توده و کاشت مجدد بذرها می تواند به چرخه طبیعی گاز دی اکسید کربن کمک کند. با این حال، اگر بذر گیاهان مجدداً کاشته نشود، گاز دی اکسید کربن حاصل از زیست توده می تواند سهم عمده ای در گرم شدن کره زمین داشته باشد.

بنابراین استفاده از زیست توده ها می تواند برای حفظ سلامت محیط زیست مفید باشد، زیرا زیست توده کاهش یافته، بازیافت شده و سپس مجدداً مورد استفاده قرار می گیرد. ضمن این که زیست توده یک منبع تجدید پذیر ( که در مطلب انرژی های برگشت پذیر و برگشت ناپذیر، به آن خواهیم پرداخت ) نیز است زیرا رشد گیاهانی که می توانند زیست توده تولید کنند پایان ناپذیر است.

امروزه هم چنان راه های جدیدی برای استفاده از زیست توده ها یافته می شود. یکی از این راه ها، استفاده از زیست توده برای تولید اتانول ( یک سوخت مایع الکلی ) است. اتانول را می توان در انواع خاصی از اتومبیل ها به جای بنزین به عنوان سوخت مورد استفاده قرار داد. الکل را با بنزین هم می توان ترکیب کرد. با این روش وابستگی ما به نفت که یک سوخت فسیلی تجدید ناپذیر است کاهش می یابد.

مترجم: سحر حمیدی

توربین ها، ژنراتورها و نیروگاه های برق

جریان برق از سیم ها عبور می کند تا چراغ ها، تلویزیون ها، کامپیوترها و دیگر وسایل برقی ما را روشن کند. اما این الکتریسیته از کجا می آید؟

نیروگاه های حرارتی دارای دیگ های بزرگی هستند که در آن ها با استفاده از یک سوخت فسیلی، گرما تولید می شود. دیگ بخار مانند قوری چای بر روی یک اجاق گاز است. هنگامی که آب می جوشد، بخار از طریق سوراخ کوچکی که در بالای لوله قوری قرار دارد، خارج می شود. بخار در حال حرکت صدای سوتی ایجاد می کند که به شما می گوید آب در حال جوشیدن است. در نیروگاه ها، آب در داخل دیگ های بزرگ به جوش می آید و سپس بخار آب از طریق لوله های خیلی ضخیم به توربین پمپاژ می شود.

در بیشتر دیگ های بخار برای تولید گرما، چوب، زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی در محفظه های ویژه ای سوزانده می شوند. در داخل و بالای این محفظه سوخت، مجموعه ای از لوله ها وجود دارند که در آن ها آب داغ جریان دارد. انرژی گرمایی به داخل لوله های فلزی هدایت می شود، آب داخل لوله ها را گرم کرده و به نقطه جوش می رساند. آب در نقطه 212 درجه فارنهایت یا 100 درجه سانتی گراد به بخار تبدیل می شود.

تصویر سمت چپ بالا، یک نیروگاه کوچک را نشان می دهد. قسمت سیاه رنگ سمت چپ نیروگاه زغال سنگ است. منبع انرژی در این نیروگاه، زغال سنگ است که با سوختن آن در دیگ های بخار می توان آب را گرم کرد.

در تصویر سمت چپ، شما می توانید توربین و ژنراتور نیروگاه MSU  آمریکا را مشاهده کنید. لوله بزرگ سمت چپ، ورودی بخار است. سمت راست توربین قسمتی است که بخار از آن خارج می شود. بخار تحت فشار بالا به توربین اعمال می شود. توربین می چرخد و محور آن به یک توربوژنراتور (دستگاه مولد برق) متصل است که انرژی مکانیکی حرکت چرخشی را به الکتریسیته تبدیل می کند.

تصویر زیر مربوط به فن (هواکش) توربین، قبل از قرار گرفتن در داخل محفظه توربین است. شما می توانید نمای نزدیک پره های توربین را در شکل چهارم مشاهده کنید. یک توربین دارای صدها پره است که زاویه قرار گرفتن آن ها مانند پره های یک پنکه است. وقتی که بخار به پره ها برخورد می کند، این پره ها محور توربین را که به انتهای آن ها متصل شده است به گردش در می آورند.

معمولاً بخار پس از عبور از داخل توربین، وارد یک برج خنک کننده می شود که در آن جا دمای بخار کاهش می یابد. بخار خنک شده بار دیگر به آب تبدیل می شود. وقتی که لوله های داغ در تماس با هوای خنک قرار می گیرند، قسمتی از بخار آب موجود در هوا گرم می شود و بخار آب از بالای برج های خنک کننده خارج می شود. به همین علت است که شما گاهی اوقات ابرهای سفید بزرگ را می بینید که از بالای برج های خنک کننده خارج می شوند. بدیهی است که این ابرهای سفید دود نیستند، بلکه بخار آب هستند. البته این بخار آب، بخاری نیست که در توربین استفاده می شود.

آب سرد مجدداً به دیگ بخار برمی گردد و در آن جا دوباره حرارت داده می شود، این فرآیند بارها و بارها تکرار می شود.

بیشتر نیروگاه ها مجهز به سیستم های پاکسازی هوا هستند و از سوختن گاز طبیعی، برق تولید می کنند. سایر نیروگاه ها برای گرم کردن آب از نفت و یا زغال سنگ استفاده می کنند. در نیروگاه های هسته ای برای تولید برق، از انرژی هسته ای، جهت گرم کردن آب استفاده می شود. هنوز هم برخی دیگر از نیروگاه ها تحت عنوان نیروگاه های ژئوترمال، بدون نیاز به سوخت فسیلی از بخار آب یا آب داغی که به طور طبیعی زیر سطح زمین یافت می شود، استفاده می کنند. در فصل های بعد به آن دسته از منابع انرژی خواهیم پرداخت.

ژنراتور چگونه کار می کند؟

توربین توسط یک محور به توربوژنراتور متصل شده است. روی محور ژنراتور یک سیم پیچ طویل وجود دارد که یک آهنربای بسیار بزرگ را در بر می گیرد. شما می توانید در تصویر سمت راست، داخل یک سیم پیچ ژنراتور را با تمام سیم های آن مشاهده کنید.

محوری که از توربین خارج می شود به ژنراتور متصل است. زمانی که توربین می چرخد، محور و موتور هم به چرخش در می آیند. هنگامی که محور داخل ژنراتور می چرخد، یک جریان الکتریکی در سیم تولید می شود. ژنراتور الکتریکی، انرژی حرکتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

اساس کار ژنراتور با استفاده از اصل "القای الکترومغناطیسی" است که در سال 1831 توسط دانشمند انگلیسی، مایکل فارادی کشف شد. فارادی کشف کرد که اگر یک رسانای الکتریکی، مانند یک سیم مسی، در یک میدان مغناطیسی حرکت کند، جریان الکتریکی در داخل رسانا برقرار (القا) خواهد شد. بنابراین انرژی مکانیکی سیم متحرک به انرژی الکتریکی جاری در سیم تبدیل می شود.

سپس الکتریسیته تولید شده توسط ژنراتور، در سیم های انتقال دهنده بسیار طویل جریان پیدا می کند و به این ترتیب جریان برق از نیروگاه به منازل ما، مدرسه ها و  مراکز تجاری منتقل می شود. برای دانستن مطالب بیشتر در مورد خطوط انتقال به فصل 7 مراجعه کنید.

همه نیروگاه ها توربین و ژنراتور دارند. برخی از توربین ها به وسیله باد ، بعضی با آب  و برخی دیگر  توسط بخار به حرکت در می آیند.

مترجم: سحر حمیدی

 مدار RC

در مدار زیر یك باتری 10 ولت یك مقاومت 100 کیلو اهم و یك خازن 100 میکرو فاراد وجود دارد. ابتدا خازن را شارژ می‏ كنیم. برای این منظور روی كلید در مدار تقه بزنید. چه مشاهده می‏كنید؟ آیا جریان مدار ثابت است یا شدت آن كاهش می‏یابد؟

    اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت چگونه تغییر می‏كند؟ برای پاسخ به این سوال، روی Reset تقه بزنید و مجدداً كلید مدار را وصل كنید. به اندازه ولتاژ دو سر مقاومت و خازن توجّه كنید، كدامیك كاهش می‏یابد؟ كدام زیاد می شود؟ (در این مدل سازی، نمودار ولتاژ خازن بر حسب جریان نیز رسم می‏شود.) پس از اطمینان از شارژ شدن خازن، وضعیت كلید را عوض كنید. برای این منظور روی كلید تقه بزنید.

    با جمع شدن بار روی صفحات خازن، اختلاف پتانسیل دو سر آن به تدریج زیاد ‌شده و جریان مدار كاهش می‌یابد. شارژ شدن خازن تا زمانی كه اختلاف پتانسیل آن برابر باتری شود، ادامه می‌یابد (در این شرایط اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت صفر خواهد بود).

   اغلب مدارهای الكتریكی، شامل خازن و مقاومت می باشند. یك مثال ساده از چنین مداری در شكل زیر مشاهده می‌شود.

   به این مدار اصطلاحاً ”مدار RC”‌ می‌گویند. وقتی كلید بسته می‌شود، الكترون ها از قطب منفی باتری خارج می‌شوند و از مسیر مقاومت R روی صفحه بالایی خازن جمع می‌گردند. این امر باعث می‌شود كه همان تعداد الكترون از صفحه پایین خازن رانده شده و به سمت قطب مثبت حركت كند، بنابراین صفحه پایینی خازن بار مثبت خواهد داشت.

میدان مغناطیسی حاصل از جریان

میدان مغناطیسی می‌تواند به سیم حامل جریان نیرو اعمال كند.  در این بخش ما پدیده‌ای متفاوت را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

به نظر شما اگر از سیمی جریانی عبور كند آیا پدیده مغناطیسی مشاهده می‌شود؟

  ظاهراً سیم حامل جریان می‌تواند میدان مغناطیسی تولید كند.  

 كشف اورستد (كه نشان داد سیم حامل جریان می‌تواند میدان مغناطیسی تولید كند) سرآغاز پیدایش دانش جدیدی به نام الكترومغناطیس شد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: مجید محسنی

تنظیم: نسیم گنجی منش