بحث عن مفهوم الطاقة .تعريف الطاقة . تصنيف الطاقة

بحث ... مفهوم... الطاقة ...تعريف ...الطاقة . تصنيف.... الطاقة

لقد عرف الإنسان الطاقة كيف يتحكّم بالماء والريح ، وقد خطا خطوات في مجالتسخير الطاقة ، فاخترع الآلة البخاريّة مهيئاً بذلك وسيلة لاستغلال الطاقةترتبّ عليها تحقيق عدد كبير من المنجزات في مجال الصناعة ثم اكتشف مصادرهائلة من النفط .

حيث أننا نجد الطاقة في أشكالها المختلفة سواءً أكانت فحماً أو غازاً أو نفطاً أو كهرباء ........الخ .

فأصبح بعد ذلك النفط من المصادر الرئيسية للطاقة في هذا الوقت ، ولكن نجدأن مصادر هذه الطاقة قابلة للنضوب على الرغم من وجود احتياطي كبير .

وبالتالي لابد من البحث عن مصادر جديدة للطاقة .

لذلك قد بدأ العلماء في البحث عن بدائل للوقود الأحفوري سميت بالطاقةالمتجددة تتميز عن الوقود الأحفوري بأنها لا تنضب مقارنة مع النفط الذييتوقع له أن ينضب خلال القرن القادم .

كما أن استغلال الطاقة النووية في توليد الكهرباء محفوف بالمخاطر البيئيةإضافة إلى أن مصادر اليورانيوم في العالم محدودة ولكن تكفي لمدة طويلة .

واستغلال الطاقة المتجددة ومنها الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة الكتلةالحيوية وطاقة المساقط المائية والطاقة الحرارية وطاقة المدّ والجزر وطاقةالهيدروجين .

ربما تفي ببعض احتياجات البشر من الطاقة لفترة طويلة من الزمن ، وإن كانتمساهمة هذه الأنواع في توليد الطاقة من إجمالي الطاقة المستهلكة في العالملا يزال محدوداً لأن هذه الأنواع من الطاقة المتجددة تحتاج إلى مزيد منالتطور التقني لتحسين التكلفة الاقتصادية وبالتالي يتوقع أن تساهم الطاقةالمتجددة بصورة فعّالة في ترشيد الكهرباء وكذلك في التنقل .

وقد تطرقنا في هذا البحث عن مصادر الطاقة وأنواعها وكيفية الاستفادة من الطاقة المتجددة وطرق البحث عن تلك الطاقة الغير ناضبة .



أولاً:تعريف الطاقة
لقد فكر الإنسان بثلاث مراحل كبيرة في تصوره للطاقة وهي :

المرحلة الأولى :

كان مفهوم الطاقة ممزوجاً مع الطاقة الروحية كما هو في مفهوم النفس والروح.

المرحلة الثانية :

رأى الإنسان أن بعض المواد الجامدة قادرة على أن تنشأ الحركة دون تكوين الحياة .

المرحلة الثالثة :

بدأت بعد انشتاين وتلامذته ، فالطاقة ليست بالنسبة لنا مادة خاصة وإنما هيصفة ملازمة لكل مادة جامدة أو حية تجعلها قادرة على أن تتحول وأن تتغيروأن تولد حالات فيزيائية وكيميائية جديدة , وأن تؤثر على غيرها من الموادفي هذه العملية .

ففي مرحلة انشتاين , اختفت الحدود بين المادة الجامدة والحياة , وتركت المجال لعدد كبير من الحالات المبهمة .

إذاً الطاقة هي كيان مجرد لا يُعرف إلا من خلال تحولاته .

وتعرف الطاقة بأنها هي عبارة عن كمية فيزيائية تظهر على شكل حرارة أو علىشكل حركة ميكانيكية أو كطاقة ربط في أنويه الذرة بين البروتون والنيترون .

وكذلك يمكن حساب الطاقة الناتجة من تحويل الكتلة إلى طاقة وذلك حسب علاقة انشتاين النسبية كالتالي:

الطاقة = الكتلة × مربع السرعة


حيث أن E هي الطاقة .

وm كتلة المادة التي يمكن تحويلها إلى طاقة .

وc سرعة الضوء وتساوي .

وتقاس الطاقة بوحدات متعددة ففي الوحدات الدولية SI تقاس بالجول ، حيث أنالطاقة لا تستحدث ولا تفنى وإنما تتحول إلى شكل آخر سواء كلياً أو جزئياً، أي بمعنى آخر إذا تغيرت الطاقة الداخلية لمجموعة معزولة فإن الطاقةالداخلية الكلية تظل ثابتة ، فعند تشغيل جهاز كهربي مثل المضخة فإن الطاقةالكهربية تتحول إلى طاقة ميكانيكية بالإضافة إلى طاقة حرارية وهو عبارة عنجزء ضئيل يعمل على تسخين تلك المضخة .

أنواع الطاقة :

تصنف الطاقة إلى عدة أنواع وهي :

1- طاقة كيميائية .

2- طاقة ميكانيكية.

3- طاقة حرارية.

4- طاقة شمسية.

5- طاقة نووية.

6- طاقة كهربية .

7- طاقة ضوئية.



ومن الملاحظ أن هذه الأشكال من الطاقة يستلزم جميعها الحركة ، فالحرارة هيعبارة عن هياج للجزيئات ، والتفاعلات الكيميائية تقتضي اتحاد أو تفككالذرات والإلكترونات التي تربط بينها ,أي أنها حركة , وكذلك الطاقةالنووية هي إعادة تنظيم للنويات التي تدخل إلى نواة الذرة أو تخرج منها ,وبالتالي فالطاقة تُنقل وتُحمل بشكل حركة أو اصطدامات تعطي الحركة بشكلدائم ، وكل شيء في الكون هو عبارة عن حركة .

فنور الشمس يتحول إلى حرارة بعدما كان قد تخزن داخل المواد بشكل كيميائي ،والجدير بالذكر أن كل ما استعمله الإنسان من طاقة حتى اليوم كان ناتجاً عنهذا التحول .

والطاقة النووية بحد ذاتها تقسم إلى شكلين مختلفين هما :

الانشطار والانصهار , ويمثل الانشطار التحول النووي – النووي ،أما الانصهار فيمثل الانصهار التحول الحراري – النووي .

لقد أصبح من البديهي أن نسبة نمو السكان الحالية على الأرض لن تستطيع أنتحافظ على معدل ثابت وبالتالي يؤدي ذلك إلى زيادة الطاقة ، فتظهر الحاجةهنا إلى البحث عن مصادر بديلة عن مصادر الطاقة الغير متجددة .



(1) الطاقة الكيميائية :

هذا النوع من الطاقة متوفر في الطبيعة ومن أهم أنواع الوقود الموجود مثلالنفط والفحم والغاز الطبيعي وكذلك الخشب ، والطاقة الكيميائية هي الطاقةالتي تربط بين ذرات الجزيء الواحد بعضها ببعض في المركبات الكيميائية أومكونات النواة في العناصر التي تدخل ضمن تفاعلات الانشطار والاندماجالنووي .

وتتم عملية تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية عن طريق إحداث تفاعلكامل بين المركب الكيميائي وبين الأكسجين لتتم عملية الحرق وينتج من ذلكالحرارة . وحيث أن كل جزيء في أي مركب لديه مخزون من الطاقة يسمى بالمحتوىالحراري وهو عبارة عن مجموعة من طاقة الجهد الناتجة عن قوى التجاذبوالطاقة الحركية الناتجة عن الحركة الانتقالية للجزيئات .

فإن جميع المواد الهيدروكربونية يرافق تفاعلها مع الأكسجين انبعاث حراري وهي تصلح وقوداً.



(2) الطاقة الميكانيكية :

وهي الطاقة الناتجة من حركة الأجسام من مكان إلى آخر حيث أنها قادرة نتيجةلهذه الحركة على بذل شغل ويصاحب هذا الانتقال اختلاف في طاقة الوضعPotential Energy ، وطاقة حركية Kinetic Energy ، والأمثلة الطبيعية لهذاالنوع من الطاقة هي :

حركة الرياح ، و ظاهرة المد والجزر ، ويمكن أن تنشأ الطاقة الميكانيكيةبتحويل نوع من الطاقة إلى آخر ، فقد تستخدم المروحة الكهربية في تحويلالطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية .

ووحدة قياس الطاقة الميكانيكية هي الجول. ويوجد هناك نوع آخر من الطاقة الميكانيكية هي:

الطاقة الصوتية ويحدث الصوت عند اهتزاز مصدر صوتي بتردد معين ، وتنتقلطاقة منه إلى وسط مادي مجاور بصورة دورية حتى تصل إلى أذن السامع ، والصوتلا ينتقل في الفراغ وإنما يحتاج إلى وسط مادي لكي تنتقل الموجةالميكانيكية .

والصوت ينتشر على شكل أمواج ميكانيكية تؤثر في الوسط الذي ينتشر فيه مما ينتج عنه اضطراب دوري تتولد تبعاً لذلك طاقة صوتية .

وللطاقة الصوتية لها استخدامات كثيرة فيمكن أن تستخدم في المجال العسكريلإحداث ضوضاء في البنية التحتية ، ويحاول الإنسان حالياً استخدام الطاقةالصوتية للهجوم العسكري.

وكذلك تستخدم الطاقة الصوتية في المجال الطبي .



(3) الطاقة الحرارية :

تعتبر الطاقة الحرارية من الصور الأساسية للطاقة التي يمكن أن تتحول كلصور الطاقة إليها ، والطاقة الحرارية هي عبارة عن الطاقة الحركية التيتمتلكها جزيئات وذرات المادة .

فعند تشغيل الآلات المختلفة باستخدام الوقود الهيدروكربونية تكون أول خطوةهي حرق الوقود ، والحصول على طاقة حرارية تحول بعد ذلك إلى طاقة ميكانيكيةأو إلى أي نوع من أنواع الطاقة.

ولا تتوفر الطاقة الحرارية بصورة مباشرة في الطبيعة إلا في مصادر الحرارةالجوفية ، ومن المعروف أن جزيئات المادة لها كتلة وسرعة ، ومن ثم تكون لهاطاقة حركية وطاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين تعرف بالطاقة الداخلية له .

وكذلك الاستفادة من الطاقة الحرارية من أشعة الشمس ويتم ذلك عن طريق تحويل الطاقة الإشعاعية إلى طاقة حرارية .

والطاقة الحرارية لها القدرة على الاختراق والنفاذ خلال الأوساط المادية التي تنقسم إلى ثلاثة أنواع وهي :

(أ) وسط شفاف حراري : وهو الوسط الذي يسمح بنفاذ الإشعاعات الحرارية .

(ب) وسط نصف شفاف: وهو الوسط الذي يسمح بنفاذ بعض الإشعاعات الحراريةوتستخدم هذه الظاهرة في تشييد البيوت المحمية التي تستخدم في زراعة بعضالمحاصيل الزراعية التي تكون مصنوعة من الزجاج الذي يسمح بنفاذ بعض من تلكالإشعاعات الحرارية .

(ج) وسط معتم حرارياً : وهو الوسط الذي لا تنفذ منه الإشعاعات الحرارية بليمتص معظمها من الأجسام الساخنة المحيطة به . وترتفع درجة حرارته مما يؤديذلك إلى زيادة في الطاقة الداخلية ، التي بدورها تتحول إلى طاقة حراريةويصبح مصدراً لانبعاث الإشعاعات الحرارية .



(4) الطاقة الشمسية :

الطاقة الشمسية هي مصدر للطاقة لا ينضب ولكنها تصل إلينا بشك مبعثر إذيبلغ منها بواسطة الإشعاع أو الانعكاس أكثر من 77% وبالتالي لا يمكن إلااسترجاع قسم ضئيل منها .

والطاقة الشمسية طاقة نظيفة فلا ينتج عن استعمالها غازات أو نواتج ضارة بالبيئة كما هي الحال في أنواع الوقود التقليدي .



(5) الطاقة النووية :

هي الطاقة التي تربط بين مكونات النواة أي ( بروتونات أو نيترونات ) وهيتنتج نتيجة تكسر تلك الرابطة وتؤدي إلى إنتاج طاقة حرارية كبيرة جداً وذلكحسب علاقة انشتاين كما تقدم .





(6) الطاقة الكهربية :

لا يوجد مصدر طبيعي للكهرباء ، والسبب في ذلك أن جميع المواد تكون متعادلةكهربائياً ، والطاقة الكهربية لا تنشأ إلا بتحويل نوع من أنواع الطاقة إلىطاقة كهربية .ومثال على ذلك تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربية كماهو الحال في المولد الكهربائي.

كما توجد أنواع أخرى لتوليد الطاقة الكهربية بتحويل الطاقة النووية إلىطاقة كهربية ، أو استخدام الطاقة الشمسية وذلك عن طريق الخلاياالكهروضوئية ، أو تحويل الطاقة الكيميائية كما هو في البطاريات .



(7) الطاقة الضوئية :

يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى أنواع أخرى من الطاقة وذلك حسب الحاجةالمراد بها، مثل الطاقة الكهربية في الخلايا الضوئية ، أو الطاقة الحراريةفي عمليات التسخين الحراري كما هو الحال في تسخين المياه .

ويستخدم النبات الطاقة الضوئية مباشرة لعمليات التمثيل البنائي لإنتاج مركبات عضوية تختزن طاقة كيميائية .

والطاقة الضوئية هي عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تحتوي كل منها على حزم من الفوتونات تعطى بالعلاقة التالية :



حيث أن هي الطاقة .

و ثابت بلانك ويساوي

و تردد الحركة الموجية المصاحبة لحركة الفوتون .

وتختلف الموجات الكهرومغناطيسية في خواصها الفيزيائية باختلاف الأطوالالموجية ، فمثلاً نجد أن الموجات ذات الطول الموجي الذي يتراوح بين عدةكيلومترات إلى عدة سنتيمترات يستخدم في الدوائر الإلكترونية ومحطاتالإرسال والاستقبال التلفزيوني ، بينما يشغل الطيف المرئي للعين البشريةطولا موجياً يتراوح بين إلى .

وتتميز الأشعة السينية x-ray وأشعة جاما بتردد عالي جداً وبالتالي تكون ذات طاقة عالية لها القدرة على النفاذ خلال الأوساط المادية .



الأشعة السينية : وهي عبارة عن أشعة غير مرئية ذات طول موجي قصير جداً ،وتستخدم في المجال الطبي وكذلك في دراسة البلورات لمعرفة خصائصها .



أشعة جاما : وهي عبارة عن أشعة لا تتأثر بالمجالات الكهربية أو المغناطيسية ولها القدرة على النفاذ وهي تعتبر من الأشعة الخطرة .



ثانياً :

تقسيم مصادر الطاقة

من خلال تعريف الطاقة نجد أن مصادر الطاقة يمكن أن تقسم إلى مصدرين رئيسيين هما:



1- مصادر غير متجددة . 2- مصادر متجددة

أولاً :

مصادر الطاقة الغير متجددة :

وهي عبارة عن المصادر الناضبة أي أنها سوف تنتهي عبر زمن معين لكثرةالاستخدام ، وهي متوفرة في الطبيعة بكميات محدودة وغير متجددة وتشملالوقود الأحفوري مثل النفط والغاز والفحم بكل الأنواع التي تكونت عبرالسنين الماضية في جوف الأرض .

وهي ذات أهمية لأنها تختزن طاقة كيميائية من السهل إطلاقها كطاقة حرارية أثناء عملية الاحتراق .

وتشمل هذه المصادر الطاقة النووية التي تستخدم في عملية توليد الكهرباء عنطريق استخدام الحرارة الناتجة عن عمليات الانشطار النووي في المفاعلاتالنووية .

وكذلك نجد أن مصادر هذه الطاقة بجانب أنها ناضبة فإنها ملوثة للبيئة .



ثانياً :

مصادر الطاقة المتجددة :

وهي عبارة مصادر طبيعية دائمة وغير ناضبة ومتوفرة في الطبيعة سواء أكانتمحدودة أو غير محدودة ولكنها متجددة باستمرار ، وهي نظيفة لا ينتج عناستخدامها تلوث بيئي ومن أهم هذه المصادر الطاقة الشمسية التي تعتبر فيالأصل هي الطاقة الرئيسية في تكوّن مصادر الطاقة وكذلك طاقة الرياح وطاقةالمد والجزر والأمواج والطاقة الحرارية الجوفية والطاقة وطاقة المساقطالمائية وطاقة البناء الضوئي والطاقة المائية للبحار والمحيطات .

وكذلك نلاحظ أن المصادر المائية وطاقة المد والجزر وطاقة الرياح هي عبارة مصادر طبيعية للطاقة الميكانيكية .

وسوف نتكلم عن تلك المصادر بالتفصيل



المصادر الغير متجددة

أولاً:

الوقود الأحفوري:

وهو يشمل النفط والغاز الطبيعي والفحم وتعرف بمصادر غير متجددة لأنها ناضبة .

والوقود الأحفوري هو عبارة المركبات العضوية الناتجة عن عمليات البناءالضوئي حيث أن المواد العضوية للنباتات والحيوانات لم تتحلل تحليلاً كامل، بل طمرت تحت طبقات من التربة الرملية والطينية والجيرية ، مما نتج عنهتكوّن النفط والغاز الطبيعي والفحم الحجري وطاقة الوقود الأحفوري هي طاقةكيميائية كامنة في البترول والغاز الطبيعي والفحم المخزون في باطن الأرضوهذه الطاقة هي أصلاً من الطاقة الشمسية التي قامت عليها النباتات بواسطةعملية البناء الضوئي منذ ملايين السنين .

وقد كان الفحم من أهم المصادر الطبيعية للطاقة خلال القرن الماضي ومازاليستعمل حتى يومنا هذا ، ويساهم حالياً بحوالي 28 % من الطاقة من الاستهلاكالعالمي .

حيث يقدر الفحم الموجود داخل الأرض بعدة مئات من البلايين من الأطنان .



(أ) الفحم الحجري :

وهو من أهم مصادر الطاقة الأحفورية من حيث حجم احتياطه ، فالفحم الحجرييتكون داخل باطن الأرض على مدى ملايين السنين وذلك بسبب تحلل مصادر نباتيةبسب العمليات البيولوجية في أماكن ذات الضغط الشديد والحرارة ومعزولة عنالهواء .

ويعتبر النفط أكبر منافس للفحم الحجري ، ومن أسباب قلة استخدام الفحمالحجري مصدراً للطاقة هو أن مصادره تتركز في عدد قليل من الدول .

كما أن استخدام الفحم الحجري وقوداً مباشرة يستلزم أموال باهظة التكلفةلمحطات التوليد . ومن الأسباب في عدم استخدام الفحم على نطاق واسع هو أثرهالسيء على البيئة والإنسان إذ أنه مصدر رئيسي لتلوث الهواء وما يسببه منمشاكل صحية .

والتعدين السطحي للفحم الحجري يخلّف وراءه أراضي وعرة مما تؤدي إلى تشويهالتربة وعدم صلاحيتها للزراعة كما أن احتراق الفحم الحجري قد يؤدي إلىتجمع غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجو وهيتعتبر من المشاكل الرئيسية التي تواجه سكان العالم وذلك بسبب ما يعرفبالاحتباس الحراري .

ويوضح الجدول التالي :

احتياطات الفحم الحجري في العالم

البلدان
1986

مجموع دول العالم
1017,6(طن)

أمريكا الشمالية
70,6 (طن)

أمريكا الجنوبية
7,0 (طن)

أوربا الغربية
95,4 (طن)

أفريقيا
65,4(طن)

آسيا وأستراليا
578,7 (طن)