تحويل الطاقة

بشكل عام، يدرس علم الديناميكا الحرارية تحولات الطاقة من خلال منظور الدورات، أو المسارات المغلقة المكونة من خطوات عملية ضمن فضاء طوري لمتغيرين ديناميكيين حراريين. ^{[ 6 ]} تُسمى الدورة التي تستخدم انتقال الحرارة من الساخن إلى البارد لتوليد شغل محركًا حراريًا أو دورة طاقة. يمكن تصنيف المحركات الحرارية بناءً على نوع الدورة التي تُطبقها. من أمثلة الدورات التي يمكن استخدامها كمحركات حرارية: دورة كارنو ، ودورة رانكين ، ودورة برايتون ، ودورة ستيرلينغ . تختلف الدورات في كفاءتها القصوى، وقد تكون أكثر أو أقل عملية للتطبيق في تطبيقات محددة. ^{[ 7 ]} يسعى التحليل الديناميكي الحراري للمحرك الحراري عادةً إلى حساب كميات مثل الشغل المُنجز في كل خطوة من خطوات العملية، ومدخلات الحرارة، والكفاءة الإجمالية لتحول الطاقة. يتم توليد الطاقة للشبكة الكهربائية في أنظمة مثل محطات البخار ، ومحطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم ، ومحركات التوربينات الغازية ، والتي يمكن وصفها جميعًا بأنها أنواع مختلفة من المحركات الحرارية. ^{[ 6 ]}

كما ذُكر سابقًا، فإن كمية الطاقة الحرة المتاحة إما ثابتة أو متناقصة، نظرًا لعدم إمكانية تحويل الحرارة إلى شغل بكفاءة تامة. مع ذلك، فإن تحويل الطاقة الحرة إلى أنواع أخرى من الطاقة الحرة مقيد فقط بقانون حفظ الطاقة، لذا يُمكن نظريًا أن يحدث بكفاءة تامة. ^{[ 8 ]} تُسمى العملية التي لا تُفقد فيها الطاقة الحرة بالتحول العكوس، بينما تُسمى العمليات التي تُفقد فيها الطاقة بالتحولات غير العكوسة. ^{[ 6 ]} نظرًا للعلاقة الوثيقة بين الديناميكا الحرارية وعلم المعلومات ، تلعب العكوسية دورًا هامًا في الحوسبة، لا سيما في الحوسبة الكمومية حيث يُعد توليد الحرارة أمرًا غير مرغوب فيه على الإطلاق. ^{[ 9 ]} معظم عمليات تحويل الطاقة غير عكوسة، ومن المصائر الافتراضية للكون أن تتحول جميع الطاقة الحرة في النهاية إلى حرارة منتشرة ومتوازنة بلا فائدة. يُعرف هذا المصير باسم " الموت الحراري " أو "التجمد العظيم". ^{[ 10 ]}

عمليًا، يمكن ملاحظة تحويل الطاقة الحرة إلى حرارة على شكل احتكاك ، أو مقاومة، أو مقاومة كهربائية ، أو توليد مباشر لإشعاع كهرومغناطيسي طويل الموجة ، أو عمليات مشابهة. يكون الاحتكاك والمقاومة في حدهما الأدنى في الفراغ ، حيث يمكن، على سبيل المثال، تحويل طاقة الوضع التثاقلية من وإلى طاقة حركية مع فقد ضئيل جدًا أثناء دوران الأجرام السماوية في الفضاء الخارجي - إذ تفترض قوانين كبلر أساسًا عدم فقدان أي طاقة حرة. ^{[ 11 ]} وبالمثل، لا تُظهر الموصلات الفائقة أي مقاومة للتيار المستمر ، ومقاومة منخفضة للتيارات المترددة ، لذا يمكن استخدام الطاقة الكهربائية لإجراء حسابات عكسية في الكيوبتات فائقة التوصيل . ^{[ 9 ]}

في المحرك الحراري، يمكن تحويل الحرارة إلى شغل من خلال الاستفادة من فرق درجة الحرارة بين منطقتين. إحدى طرق صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية هي بدلالة الإنتروبيا. تنص هذه الصيغة على أن التغير الكلي في الإنتروبيا الناتج عن أي عملية معينة يتكون من عنصرين،${\textstyle (dS)_{f}}$و${\textstyle (dS)_{g}}$^{[6 ]} ، وهو ما يتوافق مع تدفق الإنتروبيا إلى النظام من بيئته والإنتروبيا المتولدة داخل النظام، على التوالي. ^{[ 6} ] ولأن الإنتروبيا الكلية لا يمكن أن تنخفض،${\textstyle (dS)_{g}}$تكون دائمًا أكبر من أو تساوي صفرًا. يرتبط تدفق الإنتروبيا ارتباطًا وثيقًا بتدفق الحرارة.${\textstyle \delta Q}$ودرجة حرارة العملية:

${\displaystyle (dS)_{f}={\frac {\delta Q}{T}}}$.

يؤدي تدفق الحرارة المستخدم لتوليد الإنتروبيا إلى تقليل كمية الحرارة المتاحة لأداء الشغل، وبالتالي تقليل كفاءة المحرك. وتشير هذه المعادلة أيضًا إلى أنه عندما يكون النظام في حالة توازن حراري ، أي عندما يتوقف تدفق الحرارة وتبقى الطاقة ثابتة، تكون الإنتروبيا في أعلى مستوياتها. ^{[ 6 ]}

لتحسين كفاءة تحويل الطاقة، يُفضّل تقليل عدد خطوات تحويل الحرارة إلى شغل. فعلى سبيل المثال، تبلغ كفاءة المفاعلات النووية، حيث تُحوّل الطاقة الحركية للنوى أولًا إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة كهربائية، حوالي 35%. ^{[ 12 ] [ 13 ]} ويمكن تحسين كفاءة عملية تحويل الطاقة بشكل كبير من خلال التحويل المباشر للطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية، وذلك بإلغاء مرحلة تحويل الطاقة الحرارية الوسيطة. ^{[ 14 ]}

يحدث تحول مباشر للطاقة عندما يتجمع الهيدروجين الناتج عن الانفجار العظيم في هياكل مثل الكواكب، في عملية يتحول خلالها جزء من طاقة الجاذبية مباشرةً إلى حرارة. ففي كوكب المشتري وزحل ونبتون ، على سبيل المثال، تستمر هذه الحرارة الناتجة عن الانهيار المستمر لأغلفة الغاز الكبيرة لهذه الكواكب في تحريك معظم أنظمتها الجوية. وتعتمد هذه الأنظمة، التي تتكون من أحزمة جوية ورياح وعواصف قوية، جزئيًا فقط على ضوء الشمس. أما على كوكب أورانوس ، فلا يحدث إلا القليل من هذه العملية. ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الكوكب ينبعث منه القليل جدًا من الحرارة الداخلية مقارنةً بالكواكب الغازية العملاقة الأخرى، ربما بسبب اصطدام هائل سابق أطلق جزءًا كبيرًا من حرارته البدائية، أو بسبب بنية داخلية تعيق نقل الحرارة بكفاءة. ^{[ 15 ]}

على الأرض ، يُعزى جزء كبير من الحرارة المنبعثة من باطن الكوكب، والتي تقدر بنحو ثلث إلى نصف الإجمالي، إلى الانهيار البطيء للمواد الكوكبية إلى حجم أصغر، مما يولد الحرارة.

من الأمثلة الشائعة الأخرى على عمليات تحويل الطاقة من الانفجار العظيم ، التحلل النووي، الذي يُطلق طاقة كانت مُخزّنة في الأصل في نظائر ثقيلة ، مثل اليورانيوم والثوريوم . وقد خُزّنت هذه الطاقة أثناء عملية التخليق النووي لهذه العناصر. تستخدم هذه العملية طاقة الوضع التثاقلية المنبعثة من انهيار المستعرات العظمى من النوع الثاني لتكوين هذه العناصر الثقيلة قبل اندماجها في أنظمة نجمية مثل النظام الشمسي والأرض. تُطلق الطاقة المُخزّنة في اليورانيوم تلقائيًا خلال معظم أنواع التحلل الإشعاعي ، ويمكن إطلاقها فجأة في القنابل النووية الانشطارية . في كلتا الحالتين، يُطلق جزء من الطاقة التي تربط النوى الذرية معًا على شكل حرارة.

في سلسلة تحولات مماثلة بدأت مع فجر الكون، يُطلق الاندماج النووي للهيدروجين في الشمس مخزونًا آخر من الطاقة الكامنة التي نشأت عند الانفجار العظيم. في ذلك الوقت، ووفقًا لإحدى النظريات ، تمدد الفضاء وبرد الكون بسرعة كبيرة جدًا بحيث لم يتمكن الهيدروجين من الاندماج الكامل إلى عناصر أثقل. نتج عن ذلك أن الهيدروجين يُمثل مخزونًا من الطاقة الكامنة التي يُمكن إطلاقها عن طريق الاندماج النووي. تُحفز عملية الاندماج هذه بفعل الحرارة والضغط الناتجين عن الانهيار الجذبي لسحب الهيدروجين عند تكوينها للنجوم، ثم يتحول جزء من طاقة الاندماج إلى ضوء النجوم. وبالنظر إلى النظام الشمسي، قد يُخزن ضوء النجوم، ومعظمه من الشمس، مرة أخرى كطاقة كامنة جاذبية بعد وصوله إلى الأرض. يحدث هذا في حالة الانهيارات الثلجية ، أو عندما يتبخر الماء من المحيطات ويترسب على شكل هطول على ارتفاعات شاهقة فوق مستوى سطح البحر (حيث يُمكن استخدامه، بعد إطلاقه من سد كهرومائي ، لتشغيل التوربينات/المولدات لإنتاج الكهرباء).

يُساهم ضوء الشمس أيضًا في إحداث العديد من الظواهر الجوية على الأرض. ومن الأمثلة على ذلك الأعاصير ، التي تحدث عندما تُطلق مساحات شاسعة غير مستقرة من المحيط الدافئ، والتي تسخن على مدى شهور، جزءًا من طاقتها الحرارية فجأةً لتوليد حركة هوائية عنيفة لبضعة أيام. كما تمتص النباتات ضوء الشمس كطاقة كامنة كيميائية عبر عملية التمثيل الضوئي ، حيث يتحول ثاني أكسيد الكربون والماء إلى مزيج قابل للاحتراق من الكربوهيدرات والدهون والأكسجين. وقد يُحفز إطلاق هذه الطاقة على شكل حرارة وضوء فجأةً بشرارة، كما في حرائق الغابات؛ أو قد تكون متاحة ببطء لعمليات الأيض لدى الحيوانات أو البشر عند تناول هذه الجزيئات، حيث يُحفز الهدم بفعل الإنزيمات.

خلال جميع سلاسل التحول هذه، تُطلق الطاقة الكامنة المخزنة وقت الانفجار العظيم لاحقًا عبر أحداث وسيطة، وتُخزن أحيانًا بطرق مختلفة لفترات طويلة بين عمليات الإطلاق، على شكل طاقة أكثر نشاطًا. تتضمن جميع هذه الأحداث تحويل نوع من الطاقة إلى أنواع أخرى، بما في ذلك الحرارة.

تتضمن محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم تحولات الطاقة التالية: ^{[ 16 ] [ 17 ]}

1. يتم تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الفحم إلى طاقة حرارية عن طريق حرق الفحم في غلاية لإنتاج غازات العادم.
2. يتم تحويل الطاقة الحرارية لغازات العادم في الغلاية إلى طاقة حرارية وطاقة حركية للبخار عالي الضغط من خلال التبادل الحراري بين الغازات ومياه الغلاية.
3. تتحول الطاقة الحركية للبخار إلى طاقة ميكانيكية عندما يتدفق البخار إلى التوربين.
4. يتم تحويل الطاقة الميكانيكية للتوربين إلى طاقة كهربائية عن طريق تدوير المولد. وهذا هو الناتج النهائي.

في مثل هذا النظام، تتسم الخطوتان الأولى والرابعة بكفاءة عالية، بينما تتسم الخطوتان الثانية والثالثة بكفاءة أقل. ويمكن لأنواع أخرى من محطات توليد الطاقة أن تكون أكثر كفاءة. فعلى سبيل المثال، حوّلت محطات الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة عام 2019 ما مجموعه 45% من الطاقة المخزنة في الوقود إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. ^{[ 18 ]} في المقابل، حوّلت محطات الفحم 33% فقط من الطاقة المخزنة إلى طاقة كهربائية.

في السيارات التقليدية ، تحدث تحولات الطاقة التالية:

1. تتحول الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى طاقة حركية للغاز المتمدد عن طريق الاحتراق.
2. الطاقة الحركية للغاز المتمدد تتحول إلى حركة مكبس خطية
3. تم تحويل حركة المكبس الخطية إلى حركة عمود مرفقي دوارة
4. تنتقل حركة عمود المرفق الدوار إلى مجموعة ناقل الحركة
5. تم تمرير الحركة الدورانية من مجموعة ناقل الحركة
6. تمر الحركة الدورانية عبر ترس تفاضلي
7. تنتقل الحركة الدورانية من الترس التفاضلي إلى عجلات القيادة
8. يتم تحويل الحركة الدورانية لعجلات القيادة إلى حركة خطية للمركبة

توجد العديد من الأنظمة المختلفة، الطبيعية منها والمصنعة، التي تعمل كمحولات طاقة تحول شكلاً من أشكال الطاقة إلى آخر. ^{[ 19 ]} فيما يلي قائمة مختصرة ببعض الأمثلة:

• تحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (الطاقة الكيميائية في الأدينوسين ثلاثي الفوسفات → الطاقة الميكانيكية)
• البطارية (الكهرباء) (الطاقة الكيميائية ← الطاقة الكهربائية)
• مولد كهربائي ( طاقة حركية أو شغل ميكانيكي ← طاقة كهربائية)
• سخان كهربائي (طاقة كهربائية ← حرارة)
• النار (طاقة كيميائية ← حرارة وضوء)
• الاحتكاك (الطاقة الحركية ← حرارة)
• خلية الوقود ( طاقة كيميائية ← طاقة كهربائية)
• الطاقة الحرارية الأرضية (الحرارة ← الطاقة الكهربائية)
• المحركات الحرارية ، مثل محرك الاحتراق الداخلي المستخدم في السيارات، أو المحرك البخاري (الحرارة ← الطاقة الميكانيكية)
• سد كهرومائي ( طاقة الوضع الجاذبية ← طاقة كهربائية)
• المصباح الكهربائي (الطاقة الكهربائية ← حرارة وضوء)
• الميكروفون (صوت ← طاقة كهربائية)
• الطاقة الحرارية للمحيطات (الحرارة ← الطاقة الكهربائية)
• عملية التمثيل الضوئي (الإشعاع الكهرومغناطيسي ← الطاقة الكيميائية)
• المواد الكهروإجهادية (الإجهاد ← الطاقة الكهربائية)
• أجهزة الإرسال اللاسلكي (الطاقة الكهربائية ← طاقة الموجات الكهرومغناطيسية)
• الطاقة الحرارية الكهربائية ( الحرارة ← الطاقة الكهربائية )
• طاقة الأمواج (طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية)
• طاحونة هوائية ( طاقة الرياح ← طاقة كهربائية أو طاقة ميكانيكية)