درسنامه آموزشی علوم تجربی کلاس هفتم

در فصل قبل با انرژی و تبدیل‌های آن از شکلی به شکل دیگر آشنا شدیم. آیا می‌دانید منابع انرژی و استفادۀ درست از آنها در تداوم زندگی بشر چه نقش مهمی دارد؟ آیا می‌دانید دست‌یابی به منابع انرژی و استفادۀ بهینه از آنها یکی از مهم‌ترین نشانه‌های توسعۀ هر کشوری است؟ در این فصل با منابع انرژی و اهمیت آن دردنیای امروز آشنا خواهیم شد.

منابع انرژی گوناگون‌اند

تقریباً منبع همهٔ انرژی‌هایی که از آنها استفاده می‌کنیم، خورشید است. خورشید یکی از منابع خدادادی است. نور و گرما از سطح خورشید به زمین می‌رسد و حیات را امکان‌پذیر می‌کند.

منابع انرژی می‌توانند تمام شوند

همان‌طور که در فعّالیت بالا دیدید، نزدیک به 90 درصد انرژی مصرفی کل جهان از منابعی تأمین می‌شود که برای تشکیل آنها میلیون‌ها سال زمان صرف شده است. به همین دلیل جایگزینی آنها پس از مصرف، تقریباً غیرممکن است. این منابع انرژی را منابع تجدیدناپذیر می‌نامند. سوخت‌های فسیلی (شامل نفت، گاز و زغال سنگ) و سوخت‌های هسته‌ای از جمله منابع انرژی تجدیدناپذیر به شمار می‌روند.

سوخت‌های فسیلی

تشکیل سوخت‌های فسیلی به میلیون‌ها سال پیش باز می‌گردد. بقایای برخی گیاهان و جانداران (ذره‌بینی) که روی زمین و به‌ویژه دریاها زندگی می‌کردند با لایه‌هایی از گل و لای پوشیده شدند. با گذشت زمانی طولانی این لایه‌ها بیشتر و بیشتر متراکم شدند و در اثر فشارهای زیاد و دمای مناسب، این بقایا به سوخت‌های فسیلی تبدیل شدند.

سوخت‌های هسته‌ای

می‌توان اتم‌های تشکیل دهندۀ سوخت هسته‌ای را به اتم‌های سبک‌تر تبدیل کرد. در این تبدیل مقدار قابل توجهی انرژی گرمایی آزاد می‌شود. در بسیاری از کشورهای توسعه‌ یافته، از این فرایند برای تولید برق (انرژی الکتریکی) در نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شود.

منابع انرژی می‌توانند جایگزین شوند

همان‌طور که دیدید، اکنون بیش از 85 درصد از انرژی مورد نیاز بشر از طریق سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود. افزون بر اینکه سوخت‌های فسیلی با گذشت زمان به‌سادگی جایگزین نمی‌شوند، باعث آلودگی زمین، اقیانوس‌ها و هوا نیز می‌شوند.

برای برآوردن نیاز رو به افزایش بشر به انرژی و داشتن محیطی سالم و پاک، باید در جست‌وجوی انرژی‌های جایگزین باشیم. این انرژی‌ها، که به منابع انرژی تجدیدپذیر موسوم‌اند، زمین را آلوده نمی‌کنند و همچنین باعث گرمایش جهانی نمی‌شوند.

منابع انرژی تجدیدپذیر، انواع بسیاری دارد و می‌توانند به‌طور مداوم جایگزین شوند و هیچ‌وقت تمام نمی‌شوند. انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی موج‌های دریا، انرژی جزر و مدی، انرژی زمین گرمایی و انرژی ناشی از سوخت‌های گیاهی از جمله منابع انرژی تجدیدپذیر به‌شمار می‌روند.

انرژی خورشیدی

در مرکز خورشید به‌طور مداوم واکنش‌هایی رخ می‌دهند. این واکنش‌ها مقدار بسیار عظیمی انرژی آزاد می‌کنند. این انرژی به سطح خورشید می‌آید و به شکل نور و گرما به زمین می‌رسد.

می‌توانیم انرژی نور خورشید را با استفاده از صفحه‌های خورشیدی به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم.

صفحه‌های خورشیدی را می‌توان در وسیله‌های مختلفی مانند ماشین حساب‌ها، ماهواره‌ها، چراغ راهنمایی و رانندگی و همچنین بام و نمای ساختمان‌ها به کار برد.

بیشتر صفحه‌های خورشیدی که اکنون به کار می‌روند، تنها یک پنجم یا 20 درصد انرژی نورانی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

یکی دیگر از کاربردهای انرژی خورشیدی در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی است که تولید و بهره‌برداری از آنها در جهان و از جمله در ایران روبه گسترش است.

در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، سطح لوله‌های تیره رنگ لوله‌های حاوی آب، انرژی حاصل از پرتوهای نور خورشید را جذب و به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند. گرما به آبی که در لوله‌ها در گردش است، منتقل و سبب افزایش دمای آب می‌شود. معمولاً دمای آب در این آب‌گرم‌کن‌ها به حدود 60 تا 70 درجهٔ سلسیوس نیز می‌رسد.

انرژی باد

بشر از هزاران سال پیش انرژی باد را به کار گرفته است. ایرانیان دوران باستان آسیاهای بادی را اختراع کرده بودند که برای آرد کردن گندم و بالا کشیدن آب از چاه به کار می‌رفت. با گذشت زمان، آسیاهای بادی به گونه‌ای تغییر کردند تا انرژی بیشتری فراهم کنند. امروزه به این آسیا‌های بادی «توربین‌های بادی» می‌گویند که برای تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد به کار می‌روند.

باد همان هوای در حرکت است که در اثر گرم شدن نابرابر سطح زمین به وجود می‌آید. توربین‌های بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

انرژی موج‌های دریا

وزش باد در سطح آب دریا سبب ایجاد موج می‌شود. هرچه انرژی جنبشی باد بیشتر باشد، موج‌های بزرگ‌تر و پر انرژی‌تری به وجود می‌آیند.

برای استفاده از انرژی موج‌های دریا به توربین‌های ویژه‌ای نیاز داریم. شکل زیر یکی از توربین‌های تولید انرژی از طریق موج‌های دریا را نشان می‌دهد که در سواحل کشور پرتغال به کار گرفته شده است.

انرژی زمین گرمایی

انرژی گرمایی ذخیره شده در زیر سطح زمین را انرژی زمین‌گرمایی می‌نامند. این انرژی حاصل از گرمای سنگ‌های داغ اعماق زمین است که در نواحی آتش فشانی وجود دارند. از نشانه‌های وجود انرژی زمین گرمایی می‌توان به چشمه‌های آب گرم و آب‌های داغ در حال فوران (آب‌فشان) در برخی از نقاط کرهٔ زمین اشاره کرد.

انرژی زمین گرمایی، افزون بر تولید انرژی الکتریکی، کاربردهای دیگری از قبیل گرمایش ساختمان‌ها، فعالیت‌های صنعتی و ایجاد مراکز گردشگری برای بهره‌مندی از خواص درمانی آب‌های گرم درون زمین دارد.

با توجه به قرار گرفتن بخش نسبتاً بزرگی از ایران در یک کمربند آتش‌فشانی، امکان بهره‌برداری از این انرژی در برخی از نواحی ایران وجود دارد.

اجرای نخستین نیروگاه زمین گرمایی ایران در استان اردبیل و در دامنهٔ کوه سبلان به اواسط دههٔ 1370 بر می‌گردد (شکل زیر).

سوخت‌های زیستی

اصطلاح «سوخت زیستی» برای توصیف یک رشته محصولاتی به‌کار می‌رود که از طریق فتوسنتز به‌دست می‌آیند.

هر سال از طریق فتوسنتز، معادل چندین برابر مصرف سالانهٔ جهانی انرژی، انرژی خورشیدی در برگ‌ها، تنه‌ها و شاخه‌های درختان و گیاهان ذخیره می‌شود. بنابراین در میان انواع منابع انرژی تجدیدپذیر، سوخت‌های زیستی از نظر ذخیره انرژی خورشیدی منحصر به فردند.

از سوخت‌های زیستی می‌توان به شکل‌های جامد، مایع و گاز استفاده کرد. شکل جامد آن چوب یا زغال است که قدیمی‌ترین شکل انرژی مورد استفادهٔ بشر به شمار می‌رود. شکل مایع سوخت‌های زیستی را معمولاً از باقی مانده و تفاله‌های نیشکر به‌دست می‌آورند که از آن می‌توان در خودروها برای حمل و نقل استفاده کرد.

هرگاه پسماند یا باقی ماندهٔ محصولات کشاورزی در شرایط بی‌هوازی (نبود هوا) قرار گیرد، پس از مدتی گازهایی از آن متصاعد می‌شود (شکل بالا). از این گاز که آن را «زیست‌گاز» می‌نامند، می‌توان برای مصرف‌های خانگی و صنعتی بهره گرفت.

انرژی برق آبی (انرژی پاک)

آب ذخیره شده پشت یک سد بلند، انرژی پتانسیل گرانشی زیادی دارد. بهره‌برداری از این انرژی و تبدیل آن به انرژی الکتریکی، یکی از پاک‌ترین روش‌های تولید برق است که به آن «انرژی برق آبی» گفته می‌شود.