انرژی

توانایی انجام دادن کار است. هواپیما برای پرواز کردن، آب برای جوشیدن، لامپ برای روشن شدن و شناگر برای شنا کردن به انرژی نیاز دارد. اگر انرژی نباشد، کاری انجام نمی گیرد.
انرژی یکی از اساسی ترین مفاهیم در علم است. ماده یکی دیگر از این مفاهیم اساسی است. هر آنچه در جهان یافت می شود یا ماده است یا انرژی. تا نخستین سالهای قرن بیستم میلادی دانشمندان انرژی و ماده را دو چیز کاملاً متفاوت می دانستند . اما در این زمان آلبرت اینشتین دریافت که انرژی و ماده به یکدیگر بستگی دارند، به طوری که ماده می تواند به انرژی و انرژی می تواند به ماده تبدیل شود. او رابطه میان انرژی و ماده انرژی و ماده را به صورت فرمول مشهور E=mc۲ بیان کرد، که در آن E مقدار انرژی و m مقدار ماده یا جرم، و c ‌سرعت نور است . چون مقدار مجذور سرعت نور بسیار بزرگ است طبق این فرمول مقدار کمی ماده می تواند به مقدار بسیار زیادی انرژی تبدیل شود، و بر عکس برای آنکه از انرژی بتوان ماده یا جرم قابل مشاهده ای به دست آورد، به مقدار بسیار زیادی انرژی نیاز است. در واکنش های هسته ای و شیمیایی تغییری در انرژی و تغییری در جرم ماده به وجود می آید. در هر دو نوع واکنش ممکن است مجموع جرم محصولات واکنش کمتر از مجموع جرم عامل های واکنش باشد. این جرم کاهش یافته به انرژی تبدیل می شود که معمولاً به صورت انرژی گرمایی آزاد می شود.
با توجه به تعریف علمی کار، به روش های گوناگون می توان کار انجام داد. در انجام دادن هر کاری انرژی مصرف می شود. برای مثال، با ضربه زدن با چکش بر روی میخ، می توان بر مقاومت یک قطعه چوب غلبه کرد و میخ را در چوب کوبید. در این کار حرکت وزنه چکش است که کار انجام می دهد . اگر چکش به آرامی روی سر میخ گذاشته شود نمی تواند آن را در چوب فرو ببرد و کاری انجام نمی گیرد. پس می توان گفت که جرم متحرک چکش دارای انرژی است. این نوع انرژی را انرژی جنبشی یا انرژی سنتیک می نامند. اگر جسمی را از سطح بالا ببریم، برای این جابجایی کار انجام می دهیم. این کار انجام شده در جسم به صورت نوعی انرژی ذخیره می شود که آن را انرژی پتانسیل گویند. هر اندازه وزن جسم بیشتر و فاصله آن از سطح زمین بالاتر باشد انرژی پتانسیل آن نسبت به سطح زمین بیشتر است .
اگر سنگی که در فاصله کافی بالای میخی نگه داشته شده است رها شود و آزادانه فرو افتد، می توان کار انجام دهد و مثلاً میخی تا حدی در چوب فرو کند، بنابراین، این سنگ دارای انرژی پتانسیل است. هر چه سنگ پایین تر می آید سرعت حرکتش بیشتر می شود . بنابراین، می توان گفت که در ضمن فرو افتادن سنگ، انرژی پتانسیل آن کاهش می یابد و انرژی جنبشی آن پیوسته زیادتر می شود. اگر مقاومت هوا ناچیز باشد، اندازه کاهش انرژی پتانسیل برابر افزایش انرژی جنبشی جسم است. مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی جسم را انرژی مکانیکی آن جسم می نامند.
یک فنر فشرده یا باز شده می تواند کار انجام دهد. بنابراین، دارای انرژی پتانسیل است. انرژی پتانسیل موجود در این فنر را انرژی پتانسیل کشسانی می نامند. انرژی پتانسیل می تواند به انرژی جنبشی تبدیل شود و ضمن این عمل کار انجام دهد. مثلاً وقتی که کش لاستیکی تیر کمان کشیده شود، در آن انرژی پتانسیل ذخیره می شود و اگر کش رها شود، انرژی پتانسیل آن بصورت انرژی جنبشی به تیر یا سنگی که در تیر کمان قرار دارد داده می شود و آن را به فاصله دور پرتاب می کند.
● صـورت های انـرژی: انرژی به صورت های گوناگون موجود است این صورتها عبارتند از : انرژی های گرمایی الکتریکی، شیمیایی، هسته ای و تابشی،
▪ انرژی گرمایی یکی از صورت های بسیار آشنای انرژی است که در واقع از انرژی جنبشی و پتانسیل ذرات ماده ناشی می شود. هر چه حرکت ذرات سریع تر باشد، انرژی گرمایی و دمای ماده بیشتر است . انرژی گرمایی نیز مانند همه صورتهای دیگر انرژی می تواند کار انجام دهد.
وقتی که به مایعی مانند آب گرما داده می شود، پس از مدتی مایع می جوشد و به بخار تبدیل می شود . به سبب حرکت و جابجایی بیشتر مولکول های بخار بر اثر گرفتن انرژی گرمایی، بخار نسبت به مایع اولیه حجم بیشتری را اشغال می کند. بنابراین، اگر بخار در ظرف یا محفظه بسته ای تولید شود، فشار زیادی به دیواره محفظه وارد می کند. این فشار می تواند کار انجام دهد. ترکیدن آبگرمکن یا دیگ زودپزی که دریچه اطمینان آن خراب است، به سبب افزایش فشار بخار آب استفاده می کنند و با آن ماشین هایی به نام توربین بخار را به کار می اندازند. این ماشین ها نیز ماشین های دیگری به نام ژنراتور یا مولد را می چرخانند که تولید الکتریسیته می کنند. نیروگاه هایی را که در آنها، با گرم کردن آب، بخار آب تولید می کنند و از فشار این بخار برای تولید الکتریسیته استفاده می کنند، نیروگاه های گرمایی یا حرارتی می نامند.
▪ انرژی الکتریکی یکی دیگر از مهمترین صورت های انرژی در دنیای امروزی است. جریان الکتریسیته می تواند موتورها و ماشین های الکتریکی را به کار اندازد. ماشین هایی مانند جاروبرقی، مته برقی، تلمبه برقی و ماشین لباسشویی وسایلی هستند که با مصرف کردن انرژی الکتریکی کار انجام می دهند و کار انسان را آسان می کنند.
انرژی الکتریکی به ساختار اساسی اتم مربوط است. هر اتم مرکز خود هسته ای سنگین با بار الکتریکی مثبت دارد که ممکن است دارای یک یا چند پروتون و نوترون باشد . در پیرامون هسته اتم یک یا چند الکترون گردش می کنند که با الکتریکی منفی دارند. هسته و الکترونها چون دارای بارهای ناهمنام هستند، یکدیگر را جذب می کنند. اما در بعضی از مواد، مانند فلزها، هسته های اتم ها نمی توانند همه الکترون های پیرامون خود را در کنار خود نگه دارند. در این گونه مواد، بعضی از الکترون ها می توانند در میان اتم ها حرکت کنند. همین حرکت الکترون های آزاد است که جریان الکتریسیته و انرژی الکتریکی را تامین می کند. کار ژنراتور و باتری ایجاد همین حرکت الکترون ها و تولید انرژی الکتریکی است. انرژی الکتریکی آثار گوناگونی دارد که یکی از آنها اثر مغناطیسی است. اگر جریان الکتریکی از سیمی که به دور میله ای آهنی پیچیده شده است عبور کند، در آن میله خاصیت مغناطیسی یا آهنربایی پدید می آید. آهنربا می تواند اجسام آهنی را بلند کند و کار انجام دهد، پس دارای صورتی از انرژی است. این صورت انرژی را انرژی مغناطیسی می نامند.
▪ انرژی شیمیایی صورت دیگر از انرژی است که در مواد شیمیایی که می توانند کار انجام دهند وجود دارد. برای مثال، باروت و یا دینامیت که مخلوطی از چند ماده شیمیایی هستند، بر اثر انفجار می تواند چیزها را خرد و پرتاب کنند، پس دارای انرژی شیمیایی هستند. بنزین نیز انرژی شیمیایی دارد و می تواند موتور اتومبیل را به کار اندازد. انرژی شیمیایی مواد مختلف متفاوت است. مثلاً ماده شیمیایی تی ان تی (تری نیترو تولوئن) دارای انرژی بسیار زیاد است. معمولاً از انرژی شیمیایی نمی توان به طور مستقیم برای انجام دادن کار استفاده کرد، و باید نخست آن را به انرژی دیگری تبدیل کرد. برای مثال، در نیروگاه گرمایی با سوزاندن زغال سنگ یا مواد نفتی، انرژی شیمیایی نهفته در این سوختها را به انرژی گرمایی تبدیل می کنند و از این گرما برای تولید بخار و به کار انداختن ژنراتورها استفاده می کنند. انرژی شیمیایی به ساختار اتم ها، مولکول ها، و واکنش های شیمیایی مربوط است. مولکول ها از ترکیب اتم های گوناگون در ضمن واکنش های شیمیایی تشکیل می شوند. در هنگام تشکیل بعضی از مولکول ها مقداری انرژی آزاد می شود، که ممکن است خیلی زیاد یا خیلی م باشد. آزاد شدن انرژی در واکنش های شیمیایی گوناگون، ناشی از گسسته شدن بعضی از پیوندهای شیمیایی پر انرژی و تشکیل پیوندهای جدیدی است که انرژی کمتری دارند این تفاوت در انرژی پیوند، مثلاً در ماده منفجره نیتروگلیسیرین مایع، به آسانی و به سرعت تبدیل به آب، دی اکسید کربن، نیتروژن (ازت) و اکسیژن می شود. این واکنش بسیار سریع انجام می گیرد و گازهایی که بطور ناگهانی در آن تولید می شوند فضایی را اشغال می کنند که بسیار بیشتر از حجم مایع نیتروگلیسیرین نخستین است .به همین سبب این واکنش به صورت انفجار ظاهر می شود. مواد غذایی نیز انرژی شیمیایی دارند. این انرژی به هنگام سوخت و ساز در بدن به آرامی آزاد می شود. انرژی شیمیایی موجود در موارد غذایی ادامه فعالیتهای زیستی بدن انسانها و حیوانها را امکانپذیر می کند. با مصرف کردن انرژی شیمیایی غذاست که انسانها و حیوانها می توانند کار کنند .
▪ انرژی هسته ای صورت دیگری از انرژی است که در هسته اتم ها نهفته است. هر اتم در مرکز خود هسته ای دارد که از ذرات ریزی به نام پروتون و نوترون تشکیل شده است. (هسته ئیدروژن فقط یک پروتون دارد). همان گونه که جاذبه میان اتمها پدید آورنده انرژی شیمیایی است، جاذبه بین ذرات درون هسته نیز پدید آورنده انرژی شیمیایی است، جاذبه بین ذرات درون هسته نیز پدیدآورنده انرژی هسته ای است، اما جاذبه بین ذرات درون هسته بسیار قویتر از جاذبه بین اتمهاست. بنابراین، انرژی نهفته در هسته اتم بسیار زیادتر از انرژی شیمیایی موجود در پیوندهای بین اتمهاست. به همین سبب است که بمب هسته ای بسیار پر قدرت از دینامیت و یا بمبهای معمولی است. بعضی از اتمها به طور خود به خودی انرژی هسته ای آزاد می کنند. این پدیده را رادیواکتیویته می نامید. برای مثال، هسته اتم رادیوم می تواند خود به خود دو نوترون و دو پروتون و نیز اشعه گاما آزاد کند. این ذرات و اشعه، انرژی را از هسته خارج می کنند و در نتیجه، هسته سبکتر و پایدارتر می شود. انرژی هسته ای را به طور مصنوعی نیز می توان از هسته اتم آزاد کرد. برای این کار دو روش وجود دارد.
در روش اول، هسته بعضی از اتمهای سنگین، مانند اورانیم را، می شکافند و به هسته های سبکتری تبدیل می کنند. این روش را روش شکافت هسته ای می گویند. برای شکافتن هسته اتم آن را با نوترونهای بسیار سریع بمباران می کنند. از آنجا که برای باقی ماندن این هسته کوچکتر در کنار یکدیگر به انرژی کمتری نیاز است، بر اثر این تبدیل هسته ای مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. در واکنش شکافتن هسته، تعدادی نوترون نیز آزاد می شود. این نوترونها با هسته های دیگری برخورد می کنند و آنها را می شکافند در نتیجه، مقدار زیادی انرژی و تعداد زیادی نوترون آزاد می شود. این واکنش را واکنش زنجیری می نامند، که می تواند با سرعت بسیار زیادی انجام گیرد و تا شکافته شده همه هسته های سنگین ادامه یابد .
در بمب اتمی یا هسته ای همین اتفاق می افتد و مقدار زیادی انرژی آزاد می شود که آثار ویران کننده و نابود کننده ای دارد. اما در راکتورهای هسته ای، با وارد کردن میله هایی از فلز کادمیم در میان ماده ای که هسته های آن شکافته می شوند، تعدادی از نوترونها را جذب و واکنش زنجیری را کندتر می کنند، بنابراین انرژی هسته ای کنترل می شود. در نیروگاه های هسته ای، از این انرژی برای تبدیل آب به بخار و تولید الکتریسیته استفاده می کنند. روش دوم تولید مصنوعی انرژی هسته ای پیوند دادن بعضی از هسته های بسیار سبک و به وجود آوردن هسته ای سنگین است . این روش را روش جوش هسته ای می نامند. این واکنش به گونه ای است که محصولات، یعنی مواد تولید شده آن، به انرژی کمتری نیاز دارند و بنابراین مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. در خورشید جوش هسته ای میان اتم های ئیدروژن انجام می گیرد. بر اثر این عمل چهار هسته ئیدروژن به یک هسته هلیم تبدیل می شود و مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می شود. سرچشمه تمام انرژی خورشید همین جوش هسته ای است. انرژی تولید شده در این واکنش بسیار بیشتر از انرژی ناشی از شکافت هسته ای است. اما چون ایجاد و کنترل این واکنش بسیار دشوارتر از واکنش شکافت هسته ای است . هنوز تولید گسترده انرژی هسته ای به این روش امکانپذیر نشده است. امروز از این واکنش فقط در ساختن بمب ئیدروژنی استفاده شده است که قدرت آن بسیار بیشتر از بمب اتمی است .
▪ انرژی تابشی صورت دیگری از انرژی است که می تواند علاوه بر بعضی از مواد، در فضای تهی یا خلاء نیز انتشار یابد. این انرژی ناشی از تغییر مکان بارهای الکتریکی یا تغییر میدانهای مغناطیسی یا الکتریکی است. حرکت این بارها و تغییر میدان ها سبب ایجاد امواجی می شوند که آنها را امواج الکترو مغناطیسی می نامند.
نور بخش از امواج الکترومغناطیسی است. موجهای رادیویی، اشعه فرو سرخ فرابنفش، اشعه ایکس و اشعه گاما بخش های دیگری از امواج الکترو مغناطیسی هستند. همه بخشهای امواج الکترو مغناطیسی دارای انرژی هستند و می توانند کار انجام دهند. برای مثال، نور در باتری خورشیدی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و وسایل الکتریکی را به کار می اندازد، و امواج رادیو به جریان های الکتریکی تبدیل می شوند.
تبـدیـل صـورتـهای انـرژی بـه یکـدیـگر : در کارهای روزانه و در اطراف خود می توانیم تبدیل صورت های انرژی به یکدیگر را مشاهده کنیم. شخصی که دری را باز می کند از انرژی شیمیایی ذخیره شده در بافت های ماهیچه هایش استفاده می کند، و آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. اگر این در به دیوار برخورد کند، بخشی از انرژی آن به انرژی صوتی تبدیل می شود. در بیشتر جاهایی که با مصرف انرژی کاری انجام می گیرد، معمولاً بخشی از انرژی به صورت انرژی گرمایی در می آید و به هدر می رود. برای مثال، می توان گرمای موتور اتومبیل، گرمای لنت ترمز به هنگام ترمز کردن، گرمای لامپ برق، گرمای گلوله تفنگ به هنگام برخورد با هدف را نام برد. در آونگ نیز می توان تبدیل انرژی را مشاهده کرد. هنگامی که وزنه آونگ در حرکت رفت و برگشتی به بالاترین ارتفاع خود می رسد، همه انرژی آن از نوع انرژی پتانسیل است. وقتی که وزنه آونگ به پایین حرکت می کند، انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در ادامه حرکت وزنه به بالا دوباره انرژی جنبشی کاهش و انرژی پتانسیل آن افزایش می یابد اگر اصطکاک در محور آونگ و مقاومت هوا وجود نداشتند، آونگ تا بی نهایت به رفت و برگشت ادامه می داد. اما دامنه رفت و برگشت های آونگ به تدریج کمتر می شود تا آنکه از حرکت می ایستد. در تمام مدت حرکت آونگ، پیوسته انرژی جنبشی و پتانسیل به یکدیگر تبدیل می شوند و در این میان همواره بخشی از انرژی بر اثر اصطکاک و مقاومت هوا از آونگ گرفته می شود. اما این انرژی از بین نمی رود، بلکه به صورت گرما وارد هوا می شود. می توان گفت که در حرکت آونگ مجموع انرژیهای پتانسیل و جنبشی و گرمایی همواره ثابت است، اگر چه مقدار هر کدام تغییر می کند. این مطلب را اصل بقای انرژی می نامند. براساس این اصل مقدار کل انرژی در جهان هستی همیشه ثابت است و انرژی را نمی توان به وجود آورد یا نابود کرد، اگر چه می توان آن را از صورتی به صورت دیگر تبدیل کرد. پس از شناختن رابطه ماده و انرژی در اوایل قرن بیستم و دریافتن این حقیقت که انرژی می تواند به ماده تبدیل شود و ماده را نیز می توان به انرژی تبدیل کرد، اصل بقای انرژی به اصل بقای ماده و انرژی تغییر یافت. براساس این اصل، مقدار کل ماده و انرژی در جهان همیشه ثابت است و اگر مقدار یکی تغییر کند حتماً به دیگری تبدیل شده است. ماده و انرژی را می توان به یکدیگر تبدیل کرد، ولی نمی توان به وجود آورد و یا نابود کرد.
● منابع انرژی: انسان از منابع گوناگون انرژی برای انجام دادن کارها استفاده می کند. انسانهای نخستین فقط از انرژی بدنی خود، که از غذا به دست می آمد، استفاده می کردند. پس از کشف آتش، انسان سوزاندن چوب و تبدیل انرژی شیمیایی آن به گرما و نور را آموخت. انسان از آتش برای ایجاد روشنایی در شب، گرم کردن خود، پختن غذا، ذوب کردن سنگهای معدنی و تهیه بعضی از فلزها استفاده می کرد.
انرژی شیمیایی چوب ناشی از انرژی خورشید است، زیرا چوب در گیاهان در نتیجه واکنش فتوسنتز ساخته می شود. انرژی زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی نیز، که سوختهای فسیلی نامیده می شوند، ناشی از انرژی خورشید است. سوختهای فسیلی طی میلیونها سال، از بقایای گیاهان، یا جانوران دریایی ریزی که از گیاهان تغذیه می کرده اند، به وجود آمده اند.
آدمیان برای انجام دادن کارهای خود از جانوران اهلی نیز بهره گرفتند، و چگونگی استفاده از جریان باد و آب را برای حرکت دادن کشتیها و گرداندن آسیابهای بادی و آبی آموختند. انرژی جریانهای باد و آب، خود ناشی از انرژی خورشید است. وقتی که خورشید می تابد، هوا گرم می شود و بالا می رود و فشار هوا در آن نقطه کاهش می یابد و هوای سرد اطراف به سوی این نقطه کم فشار حرکت می کند. این هوای متحرک را باد گویند. خورشید آب دریاها را نیز گرم و تبخیر می کند. این بخار آب بالا می رود و در شرایط مناسب به صورت برف و باران فرو می ریزد و آبشارها و رودخانه ها را به وجود می آورد.
در نخستین سالهای قرن هجدهم میلادی، با اختراع موتور بخار مرحله جدیدی در استفاده از انرژی و پیشرفت صنعت فرا رسید. کار این نوع موتورها بر این اساس است که با سوزاندن سوختهایی مانند چوب یا زغال سنگ آب را گرم می کنند و به شکل بخار در می آورند. بخار آب در اتاقکی جمع می شود. به تدریج که بخار بیشتری در این اتاقک جمع می شود، فشار زیادی به وجود می آید که می توان کار انجام دهد. به این ترتیب، از انرژی شیمیایی سوختها می توان برای به حرکت در آوردن ماشینها، لوکوموتیوها و کشتیها استفاده کرد. این نوع موتورها را موتورهای حرارتی گویند.
در نخستین سالهای قرن نوزدهم میلادی موتورهای اختراع شدند که در آنها سوخت مایع مانند بنزین، مصرف می شده. در این نوع موتورها سوخت مایع مخلوط با هوا در استوانه ای وارد و متراکم می شود. در این حالت این سوخت که به حالت این سوخت که به حالت بخار متراکم در آمده است به کمک جرقه الکتریکی منفجر می شود و گازهای پر فشاری به وجود می آورد که نیروی آنها کار انجام می دهد. این نوع موتورها را موتورهای انفجاری می نامند. از موتور انفجاری در اتومبیل و هواپیما و بسیاری از وسیله های دیگر برای انجام دادن کار استفاده می شود.
اختراع مولدهای الکتریسیته راه مهم دیگری را برای استفاده از انرژی باز کرد. امروزه، الکتریسیته ای که توسط مولدها در نیروگاههای حرارتی و آبی و هسته ای تولید می شود، از مهمترین منبعهای انرژی برای انسان است.
در نیمه قرن بیستم میلادی، با ابداع روشهایی برای تولید انرژی هسته ای، عصر جدیدی در کاربرد انرژی آغاز شد. از آنجا که مهمترین منابع انرژی زندگی امروزی انسان، یعنی سوختهای فسیلی، ذخایر محدودی دارند و نیازهای انسان به انرژی نیز پیوسته رو به افزایش است، ممکن است روزی انسان دچار کمبود انرژی شود. از این رو دانشمندان در جستجوی منابع جدید انرژی، به جای منابع رو به پایان سوختهای فسیلی هستند. شاید انرژی هسته ای در آینده بتواند پاسخگوی نیازهای روزافزون انسان به انرژی باشد. امروزه گذشته از سوختهای فسیلی، بخشی از انرژی مورد نیاز انسان از نیروی آب، انرژی هسته ای، باد خورشید جزر و مد، و گرمای زمین به دست می آید. منابع دیگری از انرژی که در مرحله آزمایشی هستند عبارتند از ئیدروژن، زباله های جامد، پیلهای سوختی و مولدهای مگنتوئیدرودینامیکی . سوختهای فسیلی به ترتیب مقدار مصرف در دنیا شامل نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی هستند. نفت در حدود ۴۰ درصد انرژی مورد مصرف انسان را تامین می کند. استخراج آن آسانتر از استخراج زغال سنگ است و می توان آن را با لوله انتقال داد. نفت دارای ناخالصیهایی است که سبب آلودگی هوا می شود . در پالایشگاهها بسیاری از این مواد آلوده کننده را از نفت خام جدا می کنند. نفت خام در عملیات پالایش به صورت فرآوردهایی مانند بنزین، نفت سفید، گازوئیل و نفت کوره در می آید. این فرآورده ها هر یک محل مصرف معینی دارند. زغال سنگ در حدود ۳۵ درصد انرژی مصرفی دنیا را تامین می کند. مهمترین مصرف کنندگان این ماده، صنایع فولادسازی و نیروگاههای برق هستند. در بسیاری از کشورها از زغال سنگ برای گرم کردن خانه ها استفاده می کنند. استخراج، حمل و نقل و سوزاندن زغال سنگ دشواریها و مسائل زیادی به همراه دارد . شیمی دانان روشهای گوناگون برای تبدیل زغال سنگ به سوخت مایع یا گاز ابداع کرده اند . زغال سنگ مایع شده را می توان برای تولید بنزین مصنوعی بکار برد . زغال سنگ گازی شده می تواند جایگزین گاز طبیعی شود . این دو فرآورده زغال سنگی را می توان با لوله منتقل کرد. تبدیل زغال سنگ به سوخت مایع یا گاز بسیار پرهزینه است . گاز طبیعی در حدود۲۰% انرژی مصرفی دنیا را تامین می کند از گاز طبیعی بعنوان سوخت برای گرم کردن آب و هوا ، پختن غذا، و در نیروگاه ها برای تولید الکتریسیته استفاده می شود. گاز طبیعی تمیزترین سوخت فسیلی است تقریباً هیچ گونه آلودگی در هوا تولید نمی کند و از طریق لوله به آسانی می توان آن را به هرجا منتقل کرد. چوب زمانی سوخت اصلی انسان بوده است. امروزه درصد کمی از انرژی مصرفی دنیا از چوب فراهم می شود . اهمیت چوب به عنوان منبع انرژی به تدریج کم شده است و احتمالاً کمتر نیز خواهد شد .
نیروی آب درصد ناچیزی از انرژی مورد نیاز انسان را تامین می کند. استفاده از انرژی آب آلودگی ایجاد نمی کند. در نیروگاههای آبی، از انرژی آب برای گرداندن چرخها یا توربینهای آبی استفاده می کنند. توربینها نیز ژنراتورها را می گردانند. نیروگاههای آبی به سد نیاز دارند، این سدها در محلهای مناسب و با هزینه زیاد ساخته می شوند. اما محلهای مناسب برای ساختن سد در جهان فراوان نیست.
انرژی هسته ای نیز درصد ناچیزی از انرژی مورد نیاز انسان را تامین می کند. امروزه این انرژی از شکافتن هسته اتم بعضی از عنصرها مانند اورانیم در رئاکتورهای هسته ای به دست می آید. در واکنش شکافت هسته ای مقدار بسیار زیادی گرما تولید می شود که در نیروگاههای هسته ای از آن برای تولید بخار و در نهایت تولید الکتریسیته به وسیله توربینهای بخار و مولدها استفاده می کنند.
تولید انرژی هسته ای با مسائل علمی و فنی بسیاری رو به روست. هزینه ساختن نیروگاه هسته ای بسیار زیاد است. نگرانی زیاد درباره احتمال آسیب دیدن نیروگاه و پخش شدن تابشهای رادیواکتیو وجود دارد . هنوز روشی مطمئن و ایمن برای دفن زباله های رادیواکتیو نیروگاه اتمی پیدا نشده است. گذشته از اینها، ذخیره طبیعی اورانیم نیز مانند سوختهای فسیلی محدود است. شاید در آینده تولید انرژی هسته ای به روش جوش هسته ای بتواند مشکل انرژی دنیا را حل کند. در این روش از یکی از ایزوتوپهای ئیدروژن به نام دوتریم استفاده می شود که در اقیانوسها فراوان است گذشته از این، جوش هسته ای از لحاظ انفجار و تابشهای رادیواکتیو کم خطرتر است. از آنجا که بیشتر محصولات واکنش جوش هسته ای رادیواکتیو نیستند، زباله های نیروگاه مشکلی ایجاد نمی کند. از انرژی خورشید در سراسر کره زمین برای انجام دادن کارهای کوچک گوناگون استفاده می شود. آبگرمکن های خورشیدی که برای گرم کردن آب و محیط داخل ساختمانها به کار می روند و با باتریهای خورشیدی که نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند نمونه هایی از وسایلی هستند که از انرژی خورشید استفاده می کنند. انرژی خورشید رایگان و فراوان است و مصرف آن محیط را آلوده نمی کند. اما استفاده از آن در مقیاس زیاد به محل و تاسیسات بزرگ احتیاج دارد. گذشته از این، تاریکی شب و وجود این مانع بهره گیری پیوسته از این منبع انرژی می شوند.
نیروی باد آسیابهای بادی را می گرداند و قایقهای بادبانی را پیش می راند. باد رایگان است و استفاده از آن سبب آلودگی نمی شود. از جریان باد برای کار اندازی مولدهای الکتریکی نیز استفاده می کنند. استفاده از نیروی باد فقط در جاهای امکانپذیر است که باد به طور پیوسته و با شدت می وزد.
یکی دیگر از منابع انرژی جزر و مد دریاهاست. آب هنگام مد بالا می آید و می توان آن را در پشت سد ذخیره کرد. هنگام جزر که آب دریا پایین می رود از انرژی آب ذخیره شده در پشت سد می توان استفاده کرد و توربین آبی و مولد الکتریکی را گرداند.
انرژی جزر و مد را در جاهایی می توان مهار کرد و به کار برد که اختلاف سطح آب در دو حالت جزر و مد زیاد باشد، و آب بالا آمده در هنگام مد را بتوان در پشت سد انباشت. نخستین نیروگاه جزر و مدی در سال ۱۹۶۶ م در فرانسه به کار افتاد. نیروگاه جزر و مدی فقط در زمانهای معینی و به مدتی کوتاه می تواند الکتریسیته تولید کند. گذشته از این، محلهای مناسب برای ساختن چنین نیروگاههای بسیار اندک است.
انرژی گرمایی زمین، یا انرژی زمین گرمایی در جاهایی از زمین بدست می آید که آب در تماس با سنگ های داغ زمین قرار گرفته و تبدیل به بخار شده باشد. این بخار را استخراج می کنند و از آن برای گرم کردن خانه ها یا برای تولید الکتریسیته در نیروگاههای بخاری استفاده می کنند. در جاهایی که بخار آب طبیعی در اعماق زمین وجود ندارد، آب را به داخل سنگهای داغ زمین تزریق می کنند و سپس بخار آب تولید شده را از زمین پس می گیرد. به کارگیری انرژی زمین گرمایی، سبب آلودگی هوا و آب نمی شود. الکتریسیته که با استفاده از انرژی زمین گرمایی در نیروگاههای بخاری تولید می شود، ارزانتر از الکتریسیته ای است که از نیروگاههای دیگر به دست می آید. امروزه در چندین کشور جهان از جمله ایتالیا، ژاپن، ایسلند، انگلستان، فلیپین، زلندنو و ایالات متحد امریکا از انرژی زمین گرمایی استفاده می شود. این کشورها دارای ذخایر طبیعی بخار و آب گرم هستند.
ئیدروژن می تواند با اکسیژن ترکیب شود و آب و مقدار زیادی گرما تولید کند، و به همین سبب شاید روزی ئیدروژن به عنوان سوخت جایگزین نفت و گاز بشود. امروزه از ئیدروژن مایع به عنوان سوخت در فضا پیماها استفاده می کنند، و نمونه هایی از هواپیما و اتومبیل های ئیدروژن سوز نیز ساخته اند. ئیدروژن را می توان از آب دریاها به روش الکترولیز تهیه کرد .اما این روش به مقدار زیادی انرژی الکتریکی نیاز دارد .
زباله را نیز می توان به عنوان منبع انرژی به کار برد. زباله را می توان سوزاند و از گرمای به دست آمده برای تولید بخار مورد نیاز نیروگاه مولد الکتریسیته یا برای گرم کردن ساختمانها استفاده کرد. در بعضی از کشورها، به روشهای شیمیایی از زباله، سوختهایی مانند نفت، گاز و الکل متیلیک تهیه می کنند. در شهرهای بزرگی که زباله زیادی تولید می کنند، بهتر می توان از انرژی زباله بهره گرفت.
پیل سوختی وسیله ای باتری مانند است که در آن سوختهای مایع یا گاز به طور شیمیایی با اکسیژن یا هوا ترکیب می شوند و انرژی شیمیایی آنها مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می شود. در فضا پیمای آپولو از نوعی پیل سوختی استفاده شده بود که بر اثر واکنش ئیدروژن و اکسیژن الکتریسیته تولید می کرد. در صورت استفاده از مقدار مساوی سوخت، الکتریسیته ای که در پیلهای سوختی تولید می شود، بسیار بیشتر از الکتریسیته ای که در مولدهای معمولی تولید می شود. در پیلهای سوختی از الکل متیلیک، منوکسید کربن و ئیدرازین نیز به عنوان سوخت استفاده می شود. آلودگی ناشی از این پیلها بسیار کم است.
مولدهای مگنتو ئیدرو دینامیکی انرژی سوخت را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کنند در این مولدها، زغال سنگ یا سوخت فسیلی دیگری در دماهای بسیار زیاد سوزانده می شود، تا گازی بدست آید که رسانای الکتریسیته است. در دماها و فشارهای معمولی، گازها از مولکولها و اتم هایی تشکیل می شوند که از لحاظ الکتریکی خنثی هستند. به همین سبب، این گازها رسانای الکتریسیته نیستند. اما در دماهای بسیار زیاد، مثلاً چند هزار درجه سلسیوس، تحرک ذرات گازی آن قدر شدید می شود که بعضی از الکترونهای مدار خارجی اتم می توانند از اتم خارج شوند و اتم را به ذره ای با بار الکتریکی مثبت تبدیل کنند. این ذره های باردار را یون و گاز به دست آمده را گاز پوینده یا پلاسما می نامند. در مولد مگنتوئیدرودینامیکی عبور گاز یونیده از درون مجرایی که میدان مغناطیسی در آن وجود دارد، سبب ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو طرف متقابل مجرا می شود. از گازی که از مجرا خارج می شود می توان برای گرداندن توربین و مولد الکتریسیته استفاده کرد و به این ترتیب، باز هم الکتریسیته تولید کرد. هنوز همه مسائل فنی مولدهای مگنتوئیدرودینامیکی حل نشده اند و این مولدها کاربرد گسترده ای نیافته اند.
اینکه در آینده کدام یک از منابع انرژی بیشترین کاربرد را خواهد یافت، معلوم نیست. احتمالاً در آینده نیز انسان به منابع گوناگون انرژی وابسته خواهد بود. در جایی ممکن است باد مهمترین منبع انرژی باشد و در جایی دیگر ممکن است نفت و گاز و یا انرژی خورشید بیشترین مصرف را داشته باشد. شاید در آینده، ساکنان نواحی ساحلی بیشتر از انرژی جزر و مدی استفاده کنند. اما چیزی که مهم است استفاده درست از منابع انرژی موجود و یافتن منابع جدید انرژی است که بدون آلوده کردن محیط انجام دادن کارها را آسان کنند.

تهیه و تنظیم: کیانا روانخواه - تهران

منبع : ایرانیکا