خلاصه درس فصل ۹ علوم هفتم؛ درسنامه و نکات مهم

برای روشن شدن چراغ، حرکت خودرو یا گرم شدن خانه، به یک منبع انرژی نیاز داریم. خورشید سرچشمهٔ بیشتر انرژی‌هایی است که از آن‌ها استفاده می‌کنیم؛ اما همهٔ منابع انرژی به یک اندازه در دسترس نمی‌مانند.

نفت، گاز طبیعی و زغال‌سنگ را سوخت‌های فسیلی می‌نامیم. این سوخت‌ها از بقایای جانداران، زیر لایه‌های رسوب و در شرایط مناسب فشار و دما، طی میلیون‌ها سال تشکیل شده‌اند. مصرف آن‌ها بسیار سریع‌تر از تشکیل دوباره‌شان است؛ پس در مقیاس زندگی ما جایگزین نمی‌شوند.

سوخت هسته‌ای هم در گروه منابع تجدیدناپذیر قرار می‌گیرد. بنابراین تجدیدناپذیر بودن فقط به معنای فسیلی بودن نیست. افزون بر محدود بودن ذخیره‌ها، مصرف سوخت‌های فسیلی با آزاد شدن کربن دی‌اکسید و گازهای دیگر، به آلودگی و گرمایش جهانی کمک می‌کند.

در سوخت هسته‌ای می‌توان اتم‌های سوخت را به اتم‌های سبک‌تر تبدیل کرد. این فرایند را شکافت هسته‌ای می‌نامند و در آن مقدار زیادی انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود. پس نباید آن را با سوختن نفت یا گاز یکی بدانیم.

حالا مسیر تولید برق را دنبال کن: گرمای آزادشده برای تولید بخار به کار می‌رود؛ بخار، توربین را می‌چرخاند و توربین، مولد یا ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد. مولد، انرژی حرکت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

در نیروگاه بخاریِ سوخت فسیلی نیز بخار، توربین و مولد همین نقش‌ها را دارند؛ تفاوت مهم، راه تأمین گرما است. در یکی سوخت فسیلی می‌سوزد و در دیگری انرژی هسته‌ای آزاد می‌شود. ایران هم از نیروگاه هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کند.

آیا همهٔ انرژی سوخت سرانجام به برق قابل استفاده تبدیل می‌شود؟ نه. بازده نشان می‌دهد چه سهمی از انرژی ورودی به شکل انرژی مفیدِ موردنظر به دست می‌آید. بازده بیشتر نیروگاه‌های فسیلی و هسته‌ای حدود $35\%$ است؛ بنابراین نباید انرژی سوخت و برق تولیدشده را برابر بگیریم.

بخشی از انرژی در نیروگاه و بخشی هم هنگام انتقال برق به محیط داده می‌شود. منظور از «تلف شدن» این نیست که انرژی نابود شده است؛ یعنی دیگر به شکل مطلوب ما در دسترس نیست، مثلاً به صورت گرما در محیط پخش شده است.

به همین دلیل، خاموش کردن چراغ اتاق خالی فقط یک کار کوچک خانگی نیست؛ به کمتر شدن نیاز به تولید برق و مصرف سوخت کمک می‌کند. استفاده از وسایل کم‌مصرف هم همین هدف را دنبال می‌کند.

وقتی نیاز ما به انرژی بیشتر می‌شود، تکیه کردن فقط بر ذخیره‌های محدود کافی نیست. باید از منابعی هم استفاده کنیم که در طبیعت پیوسته جایگزین می‌شوند؛ به این‌ها منابع تجدیدپذیر می‌گوییم.

انرژی خورشید، باد، موج‌های دریا، جزر و مد، زمین‌گرمایی و سوخت‌های گیاهی از این گروه‌اند. گوناگونی این منابع کمک می‌کند برای مکان‌های متفاوت، راه‌های مناسب‌تری انتخاب کنیم؛ مثلاً در منطقه‌ای بادخیز می‌توان از انرژی باد بهره برد.

معیار دسته‌بندی را فراموش نکن: سؤال اصلی این است که «آیا منبع انرژی به‌طور مداوم جایگزین می‌شود؟» هسته‌ای بودن یا تولید برق، به‌تنهایی نشانهٔ تجدیدپذیری نیست. توجه به محدودیت سوخت‌ها و حفاظت از محیط‌زیست، از علت‌های مهم پژوهش و سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر است.

انرژی خورشید در مرکز آن و بر اثر فرایندی هسته‌ای به نام همجوشی تولید می‌شود. در همجوشی، هسته‌های سبک به هم می‌پیوندند و هستهٔ سنگین‌تری می‌سازند؛ این با شکافت سوخت در نیروگاه هسته‌ای فرق دارد. انرژی خورشید به صورت نور و گرما به زمین می‌رسد.

صفحهٔ خورشیدی می‌تواند انرژی نورانی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. در این روش، برای تولید برق لازم نیست نور ابتدا آب را به بخار تبدیل کند و توربینی را بچرخاند. ماشین‌حساب خورشیدی، چراغ راهنمایی و بام ساختمان‌ها نمونه‌هایی از کاربرد آن هستند.

بازده صفحه‌های خورشیدی جدید در کتاب حدود $25\%$ بیان شده است؛ پس آن‌ها هم همهٔ انرژی نور دریافتی را به برق تبدیل نمی‌کنند. «تجدیدپذیر بودن منبع» و «بازده تبدیل انرژی» دو ویژگی متفاوت‌اند.

خورشید فقط چیزی نیست که روزها آسمان را روشن می‌کند؛ منبع عظیمی از انرژی است. در مرکز آن، واکنش‌هایی پیوسته رخ می‌دهند و انرژی آزاد می‌کنند. این انرژی به سطح خورشید می‌رسد و سپس به صورت نور و گرما به زمین می‌آید.

وقتی کنار پنجرهٔ آفتاب‌گیر هم روشنایی می‌بینی و هم گرما احساس می‌کنی، با اثر همین انرژی روبه‌رو هستی. نکتهٔ اصلی این است که وسایل خورشیدی انرژی را از هیچ نمی‌سازند؛ آن‌ها انرژی رسیده از خورشید را دریافت می‌کنند و به شکل مورد نیاز ما درمی‌آورند.

صفحهٔ خورشیدی وسیله‌ای است که انرژی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برای همین، می‌توان از آن در ماشین‌حساب، چراغ راهنمایی، ماهواره یا روی بام ساختمان استفاده کرد. در همهٔ این نمونه‌ها، خروجی مورد نظر برق است.

اما تمام انرژی نورانیِ دریافتی به برق تبدیل نمی‌شود. بازدهٔ صفحه‌های جدید تقریباً $25\%$ است؛ یعنی حدود یک‌چهارم انرژی نورانی دریافتی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، نه همهٔ آن. پس «بازده» به ما می‌گوید چه سهمی از انرژی ورودی به خروجیِ مورد نظر تبدیل شده است؛ بازده، مدت روشن ماندن وسیله نیست.

برای استفاده از خورشید همیشه لازم نیست برق تولید کنیم. در آب‌گرم‌کن خورشیدیِ این درس، سطح تیرهٔ لوله‌های حاوی آب، انرژی پرتوهای خورشید را جذب می‌کند و آن را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند. سپس گرما به آبِ در حال گردش منتقل می‌شود و دمای آن بالا می‌رود.

اگر ظرف آبی را زیر آفتاب بگذاری، انتظار داری آب گرم‌تر شود؛ آب‌گرم‌کن خورشیدی هم از انرژی تابش برای گرم کردن آب بهره می‌برد، اما ساختار ویژه‌ای برای دریافت و انتقال گرما دارد. دمای آب در این آب‌گرم‌کن‌ها معمولاً می‌تواند به حدود $60$ تا $70$ درجهٔ سلسیوس برسد. تفاوت مهم با صفحهٔ خورشیدی این است که اینجا خروجی مورد نظر، آب گرم است نه برق.

در نمونهٔ نیروگاه خورشیدی شیراز، جمع‌کننده‌هایی با سطح بسیار صاف و آینه‌مانند، نور خورشید را بازتاب می‌دهند. این نور روی لولهٔ حاوی روغن متمرکز می‌شود؛ یعنی به جای پخش شدن، روی آن لوله جمع می‌شود و روغن را داغ می‌کند.

روغن داغ سپس انرژی گرمایی را به آبِ داخل یک مخزن می‌دهد و آب را به جوش می‌آورد. روغن پس از سرد شدن دوباره به لوله برمی‌گردد تا گرم شود. پس روغن در این مسیر، نقش جابه‌جا‌کنندهٔ گرما را دارد. اینجا هم مانند آب‌گرم‌کن، از اثر گرمایی تابش استفاده می‌شود؛ اما نور ابتدا با جمع‌کننده‌ها روی لوله متمرکز می‌شود.

باد، هوایی است که حرکت می‌کند. خورشید بخش‌های مختلف سطح زمین را یکسان گرم نمی‌کند؛ این تفاوتِ گرم شدن باعث به‌وجود آمدن جریان هوا می‌شود. پس انرژی باد، به‌طور غیرمستقیم از خورشید می‌آید.

ایرانیان در گذشته با آسیاهای بادی گندم را آرد می‌کردند یا آب را از چاه بالا می‌کشیدند. امروز توربین بادی از انرژی جنبشی باد برای تولید برق استفاده می‌کند: باد پره‌ها را می‌چرخاند و دستگاهِ تولید برق، این حرکت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

اگر فرفره‌ای را جلوی باد گرفته باشی، دیده‌ای که هوای متحرک می‌تواند چیزی را بچرخاند. البته فرفره به‌تنهایی برق تولید نمی‌کند؛ در توربین بادی، چرخش به دستگاه تولید برق منتقل می‌شود.

وقتی باد روی سطح دریا می‌وزد، بخشی از انرژی خود را به آب منتقل می‌کند و موج به وجود می‌آید. هرچه انرژی جنبشی باد بیشتر باشد، موج‌های بزرگ‌تر و پرانرژی‌تری شکل می‌گیرند. پس باد و موج، دو منبع کاملاً بی‌ارتباط نیستند؛ انرژی موج‌های مورد بحث ما از باد می‌آید.

برای تبدیل انرژی این موج‌ها به برق، دستگاه‌ها و توربین‌های ویژه لازم است. نمی‌توان هر توربین بادی را همان‌طور در آب گذاشت و انتظار داشت درست کار کند!

اگر کنار دریا باشی، حرکت پیاپی موج‌ها را می‌بینی. همین حرکت، انرژی دارد و می‌توان با دستگاه مناسب از آن بهره گرفت. مسیر را در ذهنت دنبال کن: خورشید، باد، موج دریا و سرانجام برق.

برای پیدا کردن همهٔ منابع انرژی نباید فقط به آسمان یا سطح زمین نگاه کنیم؛ زیر پای ما هم گرما ذخیره شده است. انرژی زمین‌گرمایی از گرمای سنگ‌های داغ اعماق زمین به دست می‌آید. چشمه‌های آب گرم و آب‌فشان‌ها از نشانه‌های وجود این انرژی‌اند.

با دسترسی به آب یا بخار داغِ زیر زمین، می‌توان توربین را به حرکت درآورد و برق تولید کرد. اما کاربرد این منبع فقط برق نیست: گرم کردن ساختمان‌ها، بعضی فعالیت‌های صنعتی و استفاده از آب‌های گرم در مراکز گردشگری هم از کاربردهای آن است.

بخش‌هایی از ایران در کمربند آتش‌فشانی قرار دارند؛ بنابراین بعضی نواحی برای بهره‌برداری از این انرژی مناسب‌اند. سبلان در استان اردبیل یکی از نمونه‌های مطرح‌شده در کتاب است. منشأ این انرژی را با گرمای نور خورشید اشتباه نگیر.

گیاهان هنگام فتوسنتز، انرژی خورشید را در مواد سازندهٔ خود ذخیره می‌کنند. سوخت‌های زیستی از مواد حاصل از این فرایند به دست می‌آیند؛ پس آن‌ها هم راهی برای استفادهٔ غیرمستقیم از انرژی خورشیدی‌اند.

سوخت زیستی فقط یک شکل ندارد. چوب نمونهٔ جامد آن است. از باقی‌مانده و تفالهٔ نیشکر می‌توان سوخت مایع تهیه کرد که در حمل‌ونقل کاربرد دارد. شکل گازی هم وجود دارد: اگر پسماند محصولات کشاورزی در شرایط بی‌هوازی، یعنی بدون هوا، قرار گیرد، پس از مدتی گازهای سوختنی تولید می‌شود. به این سوخت «زیست‌گاز» می‌گویند.

بنابراین باقی‌ماندهٔ محصولات یک مزرعه همیشه دورریختنیِ بی‌فایده نیست؛ می‌تواند مادهٔ اولیهٔ تولید سوخت برای مصرف خانگی یا صنعتی باشد. شرط نبود هوا را در تولید زیست‌گاز به خاطر بسپار.

آبِ جمع‌شده پشت سد بلند، به دلیل ارتفاعش انرژی پتانسیل گرانشی دارد. وقتی آب از مسیر نیروگاه به پایین جاری می‌شود، می‌تواند توربین را بچرخاند. توربین هم به مولد یا ژنراتور متصل است؛ مولد، انرژی حرکت را به برق تبدیل می‌کند.

این مسیر را مرحله‌به‌مرحله ببین: انرژی پتانسیل گرانشی آب، حرکت آب و توربین، و سپس انرژی الکتریکی. توربین و مولد یک کار انجام نمی‌دهند؛ توربین می‌چرخد و مولد از این حرکت برق تولید می‌کند.

در این روش برای تولید برق سوختی سوزانده نمی‌شود و کتاب آن را از پاک‌ترین روش‌های تولید برق معرفی می‌کند. خورشید نیز با پیش بردن چرخهٔ آب، به تأمین آب در ارتفاعات کمک می‌کند؛ پس برق‌آبی هم با انرژی خورشیدی ارتباط غیرمستقیم دارد.