بخشی از مقاله
1 ) نیروی نامرئی :
ماشین ها و انسان ها برای انجام دادن کارهایی مثل حمل و نقل، غلتک زدن و مخلوط کردن مواد موردنیاز، به نیروی زیادی احتیاج دارند. همان گونه که همه ی ما می دانیم نیروی ما از ماهیچه ها سن و ماهیچه ها هم نیرویشان را از غذا به دست می آورند. این غذاست که برای او ساختن آجرها و مواد ساختمانی را، خارج از توانایی جسمی اش، ممکن می سازد. ماشین ها نیروی
خودشان را از منابع : گاز، نفت خام، بنزین، زغال چوب، زغال سنگ، نفت سفید و برق به دست می آورند. همبرگر، شیر، یک تکه نان و کره، بنزین، گاز و برق هر کدام منبعی برای ایجاد نیرو هستند. این نیروی نامرئی انرژی نامیده می شود. انسان های اولیه روزگار سختی داشته اند؛ دنیای وحشی آن ها را محاصره کرده بود؛ خطرات و بلاهای طبیعی آن ها را تهدید می کردند و پشتیبان در مبارزه با این دشمنان پرقدرت تنها از نیروی بازوان شان کمک می گرفتند. البته تنها
دست های فرز و پاهای تندرو نمی توانست در این نبرد به آنها کمک کند. در واقع سلاح اصلی انشان فکر هوشیارانه و دقیقش بود. وقتی در آسمان صاعقه می زند و جنگل آتش می گیرد حیوانات ناتوان، وحشت از جنگل فرار می کنند. تنها یک گروه کوچک از مردان تنومند که خودشا
ن را با پوست حیوانات پوشانده اند و در زمین های کنار جنگل ساکن شده اند با خوشحالی و اشتیاق فرار می کنند. چرا که آنها می دانند آتش به زودی خاموش می شود و در این میان،
انبوهی از زغال چوب های با ارزش باقی خواهند ماند. بعد یک نفر از آن ها فکر کرد که یک پشته از علف های خشک را بر دارد و برای رو زغال های زیر آتش بیندازد. این شاهد اولین آتشی
بود که توسط انسان به وجود آمد. حالا دیگر انسان آتش را در اختیار گرفته و کاملاً نیرومند شده بود. چرا؟ زیرا او منبع جدیدی از انرژی را به دست آورده بود.
2 ) انرژی چیست؟
تا حالا هیچ کس انرژی را ندیده است. انرژی رنگ، مزه یا بویی ندارد. حتی نمی توان آن را
لمس کرد. تنها یک راه برای دیدن انرژی وجود دارد و آن وقتی است که ما با آن کاری را انجام می دهیم. این ثابت شده که ما چیزی به نام انرژی به تنهایی نداریم. پنج نمونه از انرژی هایی که وجود دارند عبارتند از : انرژی شیمیایی، گرمایی، مکانیکی، الکتریکی و در آخر انرژی اتمی یا هسته ای. می خواهیم درباره ی ویژگی های مهم و توانایی های هرکدام از آن ها سخن بگوییم. ما تا این
جا اولین و مهم ترین آن ها را می دانیم؛ همه ی شکل های انرژی می توانند «کار» کنند و به این خاطر قبلاً انرژی به صورت خیلی ساده «کار» نامیده می شد. دومین ویژگی انرژی کاملاً جادویی است. انرژی می تواند از شکلی به شکل دیگر تغییر کند؛ انسان ها ماشین های مختلفی را که در آن ها انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود طراحی کرد و ساخته اند. در موقع لزوم ماشین ها در یک زنجیره ی تقویت کننده قرار می گیرند و به این ترتیب انرژی را به هم انتقال می دهند. امروزه همه ی شکل های انرژی به انرژی مکانیکی تبدیل می شوند. زیرا مردم به این شکل از انرژی احتیاج بیشتری دارند. انرژی مکانیکی موجب به جلو راندن ترن ها در طول راه ها، پرواز
هواپیماها و حرکت اتومبیل و ... می شود. هرچقدر که ما از انرژی استفاده کنیم انرژی همیشه باقی می ماند و فقط از شکلی به شکل دیگر تغییر می کند. بعد از اینکه انرژی در آهنگری حمل و نقل و حتی نشان دادن یک برنامه ی تلویزیونی به انسان کمک می کند، همیشه به گرما یا انرژی گرمایی تبدیل می شود. اصطکاک باعث گرم شدن اجسام می شود و این را به راحتی می توان نشان داد؛ با مالیدن کف دست هایتان به یکدیگر شما فوراً احساس گرما می کنید. پس آیا می
توان گفت : «حرکت قطارهای مسافرتی، راه ها و هوا را گرم می کند؟» بله، این اتفاق می افتد. گرمای ایجاد شده به طرف بالا می رود و در هوا پخش می شود. ولی چگونه این اتفاق می افتد؟ آیا زمین هوای اطرافش را گرم می کند؟ البته ولی هوای اطراف زمین نه تنها انرژی را از زمین می گیرد بلکه انرژی تابشی خورشید را هم به سوی ما می فرستد. این همان انرژی است که در
گیاهان ذخیره می شود و بعد به انرژی شیمیایی تبدیل می شود و پس از این که گیاهان می میرند، انرژی شان در نفت، گاز، زغال چوب و زغال سنگ باقی می ماند. امروزه منبع اصلی انرژی زمین، سوخت است و یا به طور دقیق تر، سوخت اصلی ترین منبع برای عصر ماست. سالانه از سوخت در مراکز استخراج زغال سنگ، اتاقک های بخار، نیروگاه های برق، موتور ماشین ها، کشتی ها و هواپیماها، در کوره های ذوب مواد و .... .
3 ) چگونه می توان از گرما استفاده کرد؟
وقتی آب در یک دیگ به جوش می آید و به بخار تبدیل می شود، اگر بر روی دیگ در محکم و خوبی قرار دهیم، بخارهای زیاد و زیادتر در آن جمع می شود. بخارها از همه طرف بر روی آب، جوانب
دیگ و در آخر بر در دیگ فشار می آورند.
بخار به دنبال راهی برای بیرون آمدن می گردد و سرانجام با فشار در را به طرف بالا هُل می دهد، به بیرون می رود و در هوای اطراف پخش می شود. در دیگ با صدا بسته می شود. بخارها درون دیگ جمع می شوند و دوباره بر درآن فشار وارد می آورند. احتمالاً شما بارها و بارها چنین چیزی را در آشپزخانه دیده اید. جیمز وات دویست سال پیش چنین چیزی را دید. بیش از یک صد سال ق
بل از اینکه وات متولد شود، دو مکانیک انگلیسی به نام ها «توماس نیوکامن» و «توماس ساوری» موتورهایی ساختند که از نیروی بخار استفاده می کرد. آنها نیروی زیادی نداشتند و کار آنها مشکل بود. در ضمن «اشتهای زیادی» هم داشتند. جیمز وات شانزده ساله بود که در یک کارگاه مخصوص تعمیرات موتور بخار طرحی عجیبی برای موتوربخار ارائه داد. این موتور شبیه یک دیگ با سه در ب
ود. موتور وات خیلی بهتر از موتورهای دیگر بود و آب و زغال چوب کمتری مصرف می کرد و کارایی بیشتری داشت. موتور وات آغاز کننده ی عصر بحار بود. دود از دودکش های کارخانه ها بلند شد و اولین کشتی بخار در رودخانه و دریاها به حرکت درآمدند. با اختراع ماشین بخار دنیا در برابر چشم انسان تغییر کرد. روزی مردی جوان اجازه ی ملاقات با «ناپلئون» را می گیرد. در این ملاقات او طرح خود را برای ساختن یک کشتی عجیب بدون بادبان یاد کلی بزرگ به ناپلئون ارائه می دهد. ناپلئون بدون اینکه به حرف های مخترع کشتی گوش کند، او را بیرون انداخت. فالتن مخترع کشتی بعد از
ملاقات با ناپلئون مستقیماً به انگلیس رفت و درآنجا از اختراع او استقبال شد. موتور بخار در روسیه توسط دو مکانیک برجسته به نام های «افیم کرپانُف» و پسرش «میرن» ساخته شده بود. تا یک قرن در هیچ جای دنیا ماشینی بهتر از ماشین وات ساخته نشد تا اینکه یک روز کشتی بسیار سریع در یک ماتور دریایی دیده شد. کاپیتان این کشتی کوچک یک مهندس به نام «چارلز پارسونز»
بود که بروی کشتی مسابقه ای خودش یک موتور جدید (یک توربین بخار) نصب کرده بود. امروزه وظیفه اصلی توربین ها در نیروگاه های برقی وقتی است که گرما به الکتریسیته تبدیل می شود. یک قرن پیش موتور دیگری ساخته شد که انرژی خود را از سوخت بدست می آورد؛ سوختی که به جای سوختن در کوره ها در خود موتور می سوخت و به همین خاطر این موتور را موتور درونسوز نامیدند.
مخترع این موتور یک مهندس آلمانی به نام «رادُلف» بود. کارگران و مهندسان کارخانه ی دیزل روسیه در همان زمان موتوری ساختند که علاوه بر این که کوچک تر و سبک تر بود، با سوخت
ارزانی مثل نفت کار می کرد. امروزه موتورهای درون سوز نمونه های اصلی موتورهایی هستند که در حمل و نقل از آن ها استفاده می شود. دویست سال پیش «پدربزرگ» اتومبیل های جدید امروزی در فرانسه ساخته شد که یک موتور بخار با یک دیگ بخار بر آن نصب شده بود. مسافرت های طولانی با این اتومبیل غیرممکن بود. چرا که راننده ای که اتومبیل را می داند، نمی توانست چرخ های اتومبیل را کنترل کند و اتومبیل او معمولاً با یک دیوار برخورد می کرد و منجر می شد. این اتومبیل به وسیله ی «ینکولاس ساجنات» ساخته شد. اولین اتومبیل واقعی در سال 1886 ساخته شد. یک مکانیک آلمانی به نام «گوتلیب دایملر» این اتومبیل را با دست های خودش ساخت. اولین هواپیما به وسیله افسر نیروی دریایی روسیه «موزهسیکی» ساخته شد که البته این هواپیما
سنگین تر از آن بود که پرواز کند. «موزهیسکی» به زودی فهمید که هیچ کس نمی تواند با یک ماشین بخار به راحتی در هوا پرواز کند و هواپیما برای پرواز، به یک موتور دیگر دموتوریسک تر و با قدرت خیلی بیشتر، نیاز دارد. در سال 1902 هواپیمایی با یک موتور بنزینی به پرواز درآمد. این هواپیما به وسیله ی برادران «رایت»، «اورویویل» و «ویابر» دو مکانیک جوان آمریکایی ساخته شده بود.
او این پرواز آنها منجر به شکست شده موتور درونسوز وارث یک نقض خطرناک از «مادربزرگش» موتوربخار است. هرچه قدرت موتور بیشتر باشد، لرزش موتور هم بیشتر است و در اکثر موارد زیر فشار پیستون بدنه ی موتور ترک بر می دارد. ولی توربین پیستونی که به موتور ضربه بزند ندارد و به همین خاطر خطر شکستن موتور توربین را تمدید نمی کند. بنابراین می توان توربینی با قدرت خیلی زیاد ساخت. مهندسان روی این مسأله بحث می کردند که : موتور درونسوز سبک و ساده است
ولی قدرت زیادی ندارد. از طرف دیگر توربین یک موتور شگفت انگیز است که احتیاج به دیگ بخار
دارد. به راستی آیا می توان موتوری ساخت که به سبکی و سادگی موتور درونسوز و با قدرت و سرعت یک توربین باشد؟ بالاخره در سال 1939 در شوروی سابق یک موتور از این نمونه طراحی و ساخته شد که آن را «توربین گازی» نامیدند. توربین گازی بسیار سبک و دارای موتوری قدرتمند و
سریع است. به نظر می رسد که توربین گازی برای هواپیماها طراحی شده باشد و عملاً هم آن را تقریباً در همه ی هواپیماها به کار می برند. اگر تا به حال با یک تفنگ واقعی شلیک کرده باشید؛ احتمالاً به خاطر می آورید که چگونه قنداق تفنگ به هنگام شلیک به شانه تان برخورد می کند.
نیرویی که هم بر تفنگ و هم بر شما وارد می شود «نیروی واکنشی» می گویند. حالا اگر شما گلوله را از تفنگ خارج کنید و بدون آن تیراندازی کنید. چه پیش می آید؟ طبق نیروی واکنش در تمام این حالت ها به طور دائم فشاری بر تفنگ وارد می شود و آن را به عقب می راند. در واقع این روش ساختن یک موتور واکنشی است که در موشک ها و هواپیماها استفاده می شود. همه ی موتورهایی که ما تا این جا درباره ی آن ها باعث کردیم، خویشاوندان نزدیک یکدیگرند همه ی آن ها برای کارکردن به سوخت نیاز دارند و وقتی این سوخت در آن ها سوزانده شود، انرژی گرمایی (حرارتی ) تولید می کند. به همین علت هم آن ها ماشین های حرارتی نامیده می شوند.
4 ) یک کیلوگرم اورانیوم چه مقدار انرژی تولید می کند؟
امروزه مردم به خوبی می دانند که چگونه از انرژی موجود در اتم استفاده کنند. از سال 1954 اولین نیروگاه برق اتمی دنیا در شهر کوچک «اُنبسنک» در شوروی سابق مورد بهره برداری قرار گرفت و مدت ها بعد از آن هم اولین کشتی یخ شکن اتمی در دنیا ساخته شد. کلمه ی «اتم» از زمان قدیم برای انسان ساخته شده بود. بیش از دو هزار سال پیش مرد دانشمندی در یونان باستان
زندگی می کرد؛ این مرد «دموکریتوس» نام داشت. او همیشه در مورد محیط طبیعی انسان به تفکر می پرداخت. او عقیده داشت که همه چیز در طبیعت از واحدهای کوچکی ساخته شده است. دموکریتوس بر عقیده داشت که آن ها کوچکترین جزء ماده در دنیا هستند و هرگز نمی توان آن ها را به واحدهای کوچکتری تقسیم کرد. دموکریتوس این ذره ها را اتم نامید. چندین قرن بعد معلوم شد که «دموکریتوس» اشتباه کرد. 100 سال پیش یک دانشمند به نام «هنری بکال» قبل از این که به خانه برود در آزمایشگاه یک تکه از اورانیوم روی فیلم عکس افتاد و از خودش اشعه خارج کرد. هنری فیلم را ظاهر کرد روی فیلم درست در جایی که تکه کوچک اورانیوم قرار گرفته بود لکه سیاهی دیده می شد. دو دانشمند دیگر به نام های «پی یر» و «ماری کوری» کوشش کردند که به راز این مسئله پی ببرند. آن ها با مواد گوناگون آزمایش کردند تا جایی که رادیوم و پلونیوم را کشف کردند و فهمیدند که ذراتی در اعماق اتم ها هستند که تقسیم ناپذیرند. در مرکز اتم هسته ای سنگین وجود دارد که الکترون ها به خاطر نیروی جاذبه هستند در مدارهایی در حال چرخشند. خود هسته از ذراتی به نام نوترون و پروتون ساخته شده. وقتی هسته شکافته شود ذرات پخش می شوند و انرژی زیادی آزاد می شود. هسته ی عناصر سنگین (اورانیوم و پلونونیوم) آسان تر منهدم و یا به اصطلاح شکافته می شوند. این عناصر «سنگین» نامیده می شوند.
اگر یکی از ذرات هسته به یکی از هسته های اتم دیگری برخورد کند اتم شکافته می شود. بهترین این ذره ها نوترون هستند. در این حالت انرژی آزاد می شود و در این صورت انرژی زیاد (گرمایی زیاد) تولید می شود. یک کیلوگرم اورانیوم گرمایی معادل 2000 تن زغال چوب تولید می کند! تنها یک یا دو جعبه ی سربی اورانیوم برای تأسیس یک نیروگاه بزرگ برق کافی خواهد بود. مهمترین
دستگاه در این نیروگاه رآکتور هسته ای است. رآکتور، ژنراتور بخار، توربین و دستگاه خنک کننده، یک دستگاه انرژی اتمی نامیده می شوند. این دستگاه توسط ماشین های اتوماتیک و انسان ها کار می کنند. از این نمونه دستگاه ها در نیروگاه های برق اتمی و کشتی های یخ شکن اتمی استفاده می شود. اگرچه اورانیوم از یک راه دقیق انرژی تولید می کند ولی برای حیات انسان بسیار خطرناک است. وقتی که هسته شکافته می شود ذرات با سرعت زیادی به همه طرف پراکنده می شوند. این حالت پرتوافکنی (تشعشع) نامیده می شود. پرتوافکنی برای هر موجود زنده ای مضر است و به همین خاطر است که رآکتور را همیشه با دیواره ی ضخیمی می پوشانند. این دیواره ی «حفاظت زیستی» نامیده می شود. «چی یرکوری» اوّلین کسی بود که تأثیرات پرتوافکنی را آزمایش کرد. این مرد شجاع برای چندین ساعت دست خودش را روی یک تکه از رادیوم قرار
داد. مدّتی بعد زخمی روی دستش ظاهر شد. اما با این حال مردم هنوز نیاز به مراقبت هنگام کارکردن با رادیوم و اورانیوم نکرده بودند. انرژی اتمی مردم را از طریق دیگر نیز کمک می کند. مخازن آب قابل استفاده موجود در زمین به سرعت در حال کاهش است. بزرگترین منابع آب بر روی زمین دریاها و اقیانوس ها هستند. امّا آب آن ها پر از نمک است. آب شور را هم می توان به آب خالص تبدیل کرد. این کار به سادگی امکان پذیر است آب را می جوشاند. وقتی بار دیگر نمک در کمتری جوشانده می شود، رسوباتی از آن در کتری به جای می ماند. رسوب محصول مفیدی است که شامل مواد گرانبهایی چون منگنز، سدیم، پتاسیم و گاهی هم طلا می شود. انرژی زیادی برای تبدیل آب شور به آب خالص موردنیاز است. این انرژی را می توان از نیروگاه های برق اتمی بدست آورد. البته در حال حاضر نیروگاه برق اتمی برقی کمتر از نیروگاههای گرمایی تولید می کند. امّا به زودی در 20 یا 30 سال دیگر، این نیروگاه های اتمی تنها منبع اصلی برای تولید انرژی بر روی زمین خواهند بود و این به خاطر دو دلیل است : اوّل این که هر سال که می گذرد سوخت کمتری در دسترس ما خواهد بود و دوم اینکه آن که ما اگر تمام سوخت را مصرف کنیم کار عاقلانه ای
نخواهیم کرد. چون چیزهای بهتری را می توان به دست آورد.
5)آیا آب می سوزد؟
آب نمی سوزد.این درست است.اما جالب این جاست که یکی از عناصر موجود در آب می سوزد و شگفت انگیز تر آنکه یکی از عناصرش آتش را تقویت می کند. این عناصرهیدروژن واکسیژن است.اما این مطلب بیش از این است.در بعضی مواقع ذرات هیدروژن مخصوصی در آب پیدا می شود.این
هیدروژن دوتایی به سنگینی یک هیدروژن معمولی است.این هیدروژن سنگین یا دوتریوم نامیده می شود. مدت هاست که معلوم شده است که اگر ده اتم هیدروژن باهم ترکیب شوندنتیجه ی آن عنصری به نام هلیم و مقداری زیادی انرژی می شود.یک کیلو گرم دو تریوم به اندازه سوختن 14 کیلو گرم زغال چوب انرژی تولید می کند.آیا شما می دانید چه مقدار دوتریوم در آب اقیا نوس ه
ا وجود دارد.این مقدار آن قدر زیاد است که حتی برای مصرف آخرین انسان تا 50میلیون سال دیگر کافی خواهد بود. البته برای ترکیب کردن دو اتم دوتریوم دمایی به معادل 200میلیون درجه سانتی گراد لازم است.اگرچه در چنین گرمایی هر چیزی در طبیعت به گاز(پلاسما)تبدیل می شود.حقیقت این است که پلاسما ازذرات و تکه های ریزی از مواد (الکترون ونوترون)ساخته شده است. همه ی این مواد بار الکتریکی دارند.
