تتواجد العديد من أنواع الطاقة ومصادرها المتنوعة، بما في ذلك الطاقة المتجددة وغير المتجددة. سنقوم هنا بإعداد دراسة شاملة حول الطاقة والتغيرات الكيميائية.
مقدمة الدراسة حول الطاقة والتغيرات الكيميائية
تعرف الطاقة على أنها القدرة على إحداث تغيير أو تنفيذ عمل، وهي تتواجد بأشكال متنوعة، وتكون مرتبطة بالحركة. يمكن نقل الطاقة من جسم إلى آخر أو تحويلها من شكل لآخر، حيث تُصنف الطاقة وفقًا للشكل الذي انتقلت إليه.
الطاقة لا تنشأ من العدم ولا تفنى، وهذا ما يُعرف بقانون حفظ الطاقة، أو ما يسمى بالقانون الأول للديناميكا الحرارية. وهناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تحويل الطاقة من شكل إلى آخر.
يمكن استخدام أجهزة متعددة مثل خلايا الوقود، والمولدات، والبطاريات، والمحركات الحرارية، حيث يُحرق الوقود لإنتاج الطاقة الكهربائية أو الطاقة الميكانيكية القابلة للاستخدام.
الأشكال المختلفة للطاقة
تتنوع أشكال الطاقة، ومن أبرزها:
الطاقة الكهربائية
”Electrical Energy“ تعد هذه الطاقة الأكثر استخدامًا في العصر الحديث، نظرًا لسهولة نقلها عبر المسافات البعيدة. يمكن تحويل هذه الطاقة إلى حرارية أو ضوئية أو ميكانيكية بسهولة.
يتم إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة المحركات الكهربائية، وساهم اختراع التوربين في إنتاج طاقة كهربائية على نطاق واسع من خلال الحركة الدورانية الناتجة عنها.
الطاقة النووية
”Nuclear Energy“ هي الطاقة الناتجة عن التغيرات في النوى الذرية أو عبر التفاعلات النووية، مما يوفر مصدرًا جديدًا لهذه الطاقة.
يمكن إنتاج البخار المستخدم في تشغيل المولد الكهربائي أو مراوح السفن الكبيرة والعديد من الآلات الأخرى من خلال التوربين، مستفيدين من الحرارة الناتجة عن المفاعلات النووية.
في عام 1999، ساهمت المفاعلات النووية في إنتاج نحو 23% من الكهرباء في الولايات المتحدة، رغم أن بناء هذه المفاعلات هناك ما زال محدودًا بسبب المخاوف من التعامل مع النفايات المشعة أو خطر الانهيارات النووية.
الطاقة الميكانيكية
”Mechanical Energy“ تنتج هذه الطاقة نتيجة الحركة أو موضع الجسم، بما في ذلك الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. فعلى سبيل المثال، السيارة في حالة الحركة تمتلك طاقة حركية، وعند صعودها إلى تلة، تمزج بين الطاقة الحركية والكامنة.
الطاقة الكيميائية
تنتج هذه الطاقة من تفاعل الذرات أو الجزيئات الكيميائية، وهي تشمل أنواعًا متعددة، مثل الطاقة الكهروكيميائية.
الطاقة الحرارية
”Thermal Energy“ تعكس هذه الطاقة الفروق الحرارية بين الأنظمة المختلفة، وهي تعبر عن الطاقة المخزنة نتيجة حركة الجزيئات بشكل عشوائي في المواد. يمكن نقل الحرارة بوسائل متعددة مثل الحمل أو التوصيل أو الإشعاع.
مصادر الطاقة
توجد نوعان رئيسيان من مصادر الطاقة:
الطاقة غير المتجددة
”Non-Renewable Energy Sources“ تُعرف هذه المصادر بعدم قدرتها على التجدد بسرعة. يتم استهلاك هذه المصادر بصورة أسرع من معدل إنتاجها. من أمثلة الطاقة غير المتجددة:
النفط
النفط هو مصدر غير شائع في محطات توليد الطاقة، لكنه يُستخدم على نطاق واسع كوقود عالمي، حيث يتم استخدامه في وسائل النقل المختلفة مثل الطائرات والقطارات والسيارات، ويستخدم أيضًا في تصنيع البلاستيك.
الفحم
قام الإنسان باستخدام الفحم كمصدر للطاقة غير المتجددة منذ العصور القديمة، نظرًا لرخص ثمنه وقدرته على إنتاج كميات كبيرة من الطاقة مقارنة بحجمه ووزنه. ومع ذلك، يعتبر من بين أكثر أنواع الوقود تلويثًا للهواء.
الغاز الطبيعي
يتكون الغاز الطبيعي بشكل رئيسي من الميثان، ويُستخدم في طهي الطعام، وتدفئة المنازل، وإنتاج الكهرباء. يُعتبر من الوقود الأحفوري الأكثر نظافة، حيث لا يترك نفايات بعد الاحتراق.
على الرغم من أن الغاز الطبيعي ينتج ثاني أكسيد الكربون بنسبة منخفضة تصل إلى 30% مقارنة بالنفط و45% مقارنة بالفحم، إلا أنه يسهل نقله وتكون تكلفته منخفضة. ومع ذلك، فإن لديه قابلية عالية للاشتعال ويحتاج إلى عمليات معالجة أكثر مقارنة بالنفط أو الفحم.
اليورانيوم
يُستخرج اليورانيوم من خامه الصلب، ليتم تحويله إلى وقود لمحطات الطاقة النووية.
مصادر الطاقة المتجددة
”Renewable Energy“ تتجدد هذه المصادر بشكل طبيعي، وقلما تتعرض للنفاد على مدار الأيام. لكن الكمية المتاحة لكل وحدة زمنية قد تقل. من بين أهم مصادر الطاقة المتجددة:
الطاقة الشمسية
تعد الطاقة الشمسية من المصادر المتجددة الأساسية، حيث يتم امتصاصها وتحويلها إلى كهرباء عبر الخلايا الشمسية التي تخزن في البطاريات لاستخدامها لاحقًا. هذه الطاقة صديقة للبيئة ولا تسبب تلوثًا أو ضوضاء.
طاقة الرياح
تنتج طاقة الرياح من الحركة الهوائية الناتجة عن ارتفاع الهواء الدافئ فوق الهواء البارد. تُستخدم هذه الطاقة في توليد الكهرباء عبر توربينات الرياح. تم استخدام طاقة الرياح لقرون في إبحار السفن وطحن الحبوب.
الطاقة الكهرومائية
تُعد المياه مصدرًا متجددًا يتم تغذيته باستمرار من خلال دورة المياه، حيث يُمكن لتدفق المياه في الأنهار أن يخلق طاقة كبيرة.
يمكن استخدام هذه الحركة لتشغيل العجلات الخاصة بالمياه التي تتحكم في العمليات الميكانيكية، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة المائية إلى كهرباء من خلال المولدات والتوربينات الموجودة في العديد من السدود حول العالم.
طاقة الحرارة الجوفية
تمثل الحرارة الكامنة داخل الأرض أحد أهم مصادر الطاقة المتجددة، حيث يتم استخدام الأبخرة والمياه الساخنة في توليد الطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى استخدامها في تدفئة المنازل أو في الصناعات المختلفة.
التغيرات الكيميائية
يُعرّف التغير الكيميائي على أنه العملية التي يتم خلالها تغيير التركيبة الخاصة بالمادة، أو تحويلها إلى مواد جديدة. ويعبر ذلك عن التفاعلات الكيميائية التي تشمل إعادة ترتيب الذرات.
بعد حدوث هذا التغيير، لا يمكن للمادة العودة إلى حالتها السابقة، وهو ما يختلف عن التغير الفيزيائي الذي يمكن فيه للمادة العودة إلى حالتها الأصلية.
علاقة التغير الكيميائي بالطاقة
التغير الكيميائي الذي يُنتج حرارة
ويعرف هذا التغير تحت مسمى التفاعلات الطاردة للحرارة.
التغير الكيميائي الذي يمتص الحرارة
ويتم تعريفه كالتفاعلات الماصة للحرارة.
فيما يلي بعض الأمثلة على التغيرات الكيميائية:
- تفاعل الصودا مع الخل الذي ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون.
- تفاعل المواد الحمضية مع المواد القاعدية.
- طهي البيض، احتراق الشمع، والمزيد من تفاعلات صدأ الحديد.
- إضافة الحرارة للهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء.
كيفية التعرف على التغير الكيميائي
يمكن اكتشاف التغير الكيميائي من خلال:
تغير درجات الحرارة
عادة ما يصاحب التفاعل الكيميائي تغير في درجات الحرارة. يمكن قياس ذلك لتحديد ما إذا كان هناك تغير كيميائي.
الضوء
يمكن أن ينتج عن بعض التفاعلات الكيميائية ضوء.
الفقاعات
تؤدي التفاعلات الكيميائية إلى إنتاج غازات تظهر على شكل فقاعات في المحلول.
تكون الرواسب
تنتج بعض التفاعلات الكيميائية جسيمات صلبة قد تبقى في المحلول أو تتحول إلى رواسب.
تغير اللون
يمكن أن تتسبب التفاعلات الكيميائية في تغيير اللون، مما يعد مؤشرًا جيدًا لحدوث التفاعل. وغالبًا ما تؤدي التفاعلات الكيميائية التي تشمل الفلزات الانتقالية إلى ظهور ألوان جديدة.
تغير الروائح
قد تُنتج التفاعلات الكيميائية مواد كيميائية تتسبب في انبعاث روائح مميزة.
التغير في التركيب
عند احتراق الطعام، يتغير إلى رماد، أو أن الطعام يتعفن عند تركه لفترة طويلة.
ملحوظة: قد تحدث تغيرات كيميائية دون ظهور هذه الظواهر لفترة طويلة، فقد يحتاج بعضها لوقت لتظهر آثار التغير على الرغم من استمرار العملية.
أنواع التغير الكيميائي
توجد ثلاثة أنواع رئيسية من التغيرات الكيميائية:
تغيرات كيميائية غير عضوية
هي التفاعلات الكيميائية التي لا تشمل عادةً عناصر الكربون، ومن أمثلتها تفاعلات الأحماض والقواعد، وعمليات الأكسدة والاحتراق، والاختزال.
تغيرات كيميائية عضوية
تشمل المركبات العضوية التي تحوي على كربون وهيدروجين، ومن أمثلتها عمليات تكسير الروابط المستخدمة في خام النفط.
تغيرات بيوكيميائية
تتعلق بالتغيرات الكيميائية العضوية التي تحدث في الكائنات الحية، حيث يتم التحكم في التفاعلات بواسطة الهرمونات والإنزيمات، مثل عمليات التخمير، وثبات النيتروجين، وعملية الهضم.
