_{تالیف: دکتر سلطانی نژاد}

"بنام خداوند بزرگ"

قوانین حاکم بر انرژی و مواد موجود در محیط زیست

 

بعد از کتابت این فصل موارد ذیل روشن خواهد شد.

1- اهمیت قوانین حفاظت برای دوستداران محیط زیست.

2- محدودیت هائی که قوانین ترمودینامیک بر حفاظت انرژی تحمیل می کنند.

3- تفاوتهای اساسی بین تغییرات هسته ئی، فیزیکی و شیمیائی در مواد، قابل تفکیک و تشخیص خواهد شد.

4- موجودیت قوانین آنتروپی در طبیعت و زندگی روزانه ما نیز روشن میگردد.

5- انواع انرژیهای موجود که در زندگی روزانه انسان و موجودات زنده نقش دارند نیز به تصویر کشیده می شوند.

 

 

 

"بنام خداوند بزرگ"

قوانین حاکم بر انرژی و مواد موجود در محیط زیست

 

بعد از کتابت این فصل موارد ذیل روشن خواهد شد.

1- اهمیت قوانین حفاظت برای دوستداران محیط زیست.

2- محدودیت هائی که قوانین ترمودینامیک بر حفاظت انرژی تحمیل می کنند.

3- تفاوتهای اساسی بین تغییرات هسته ئی، فیزیکی و شیمیائی در مواد، قابل تفکیک و تشخیص خواهد شد.

4- موجودیت قوانین آنتروپی در طبیعت و زندگی روزانه ما نیز روشن میگردد.

5- انواع انرژیهای موجود که در زندگی روزانه انسان و موجودات زنده نقش دارند نیز به تصویر کشیده می شوند.

ماده در محیط زیستL (عناصر و ترکیبات محیط زیست)

ماده در واقع مواد فیزیکی هستی است. هر چیزی که وزن داشته باشد و فضا را اشغال کند، ماده نام دارد.

هر چیزی که ما احساس می کنیم و آنرا لمس می کنیم، دقیقاً مثل سایر چیزهائی که در حواس ما حضور کمتری دارند، نیز در جایگاه ماده هستند.

بعنوان مثال، یک ماشین، قدری خاک، یک دفترچه و یا درختان بزرگ و تنومند در ردیف ماده قرار دارند.

حتی گاز طبیعی را که شما می توانید با حس شامه تشخیص دهید علی رغم آنکه آنرا نمی بینید و در منازل خود از آن استفاده می کنید نیز در زمره ماده است.

ماده در اشکال مختلفی در سیاره زمین و محیط زیست وجود دارد. زنده، غیر زنده، سنگین، سبک، مرئی، نامرئی، مایع، جامد و غیره از اشکال ماده بشمار می روند.

مواد از بلوکهائی ساختمانی  واساسی بنام عناصر (elements)تشکیل شده اند. عناصر نمی توانند با مکانیزمهای عادی و معمولی شیمیائی به مواد دیگر تبدیل شوند. و شکست آنها بسیار مشکل است.

مثلاً چوب که یک عنصر نیست، براحتی قابل سوزاندن است، تولید خاکستر می کند و گازهای نامرئی تولید می کند.

در عوض طلا که عنصر است ، به هیچ چیز دیگری قابل تبدیل نیست و شکست مولوکولی آن مشکل است.

کربن(جزء اصلی خاکستر) آهن، طلا، هیدروژن (سبک تر از گاز هوا) و اکسیژن همه  در ردیف عناصر قرار دارند. تا بحال 116 عنصر کشف شده است که 92 تای آنها در جهان طبیعی یافت می شوند، هزاران سال است که طلا، نقره، مس و کربن شناخته شده اند.

سایر عناصر مانند، می تنریم(meitnerum)، دارم ستادیم(Darmstadium)،       ان ان کوادیوم(ununquadium) اخیراً کشف شده اند. هر عنصر یک یا دو سمبل دارد و غالباً از نام انگلیسی آن عنصر مشتق گردیده است.

بعنوان مثال: H برای هیدروژن، C برای کربن و سایر سمبل ها(علائم و نشانه ها) از نام لاتین یا آلمانی  عناصر مشتق شده اند، برای نمونه علامت سدیم Na است که از کلمه لاتین ناتریم(Natrium) مشتق گردیده است.

عناصر به میزان معینی با هم ترکیب گشته و تشکیل ترکیبات را می دهند.

بعنوان مثال: نمک طعام که کلرید سدیم (Nacl)نام دارد، ترکیبی است که از عنصر سدیم (Na) و کلر (Cl) بوجود است.

سدیم خالص یک فلز است . کلر (Chlorine) خالص یک گاز سمی می باشد که در جنگ جهانی اول بعنوان یک ابزار کشنده از آن استفاده گردید.

در هر صورت عناصر وقتی، با هم ترکیب می شوند، ترکیبات غیر سمی و قابل استفاده از آنها بدست می آید، ولی به تنهائی غالباً غیر قابل استفاده هستند.

این موضوع بیانگر ویژه گیهای مهم یک ترکیب(ماده مرکب) است.

لذا، مواد مرکب خاصیتهائی کاملاً متفاوت از عناصر جداگانه خود دارند.

نسبت های ترکیب کردن عناصر با هم نیز متفاوت است، مثلاً برای بوجود آوردن CO2، به میزان یک نسبت کربن و دو نسبت اکسیژن (O2)نیاز داریم یعنی 1:2 یا برای بدست آوردن آمونیاک به میزان یک نسبت نیتروژن(n) وسه نسبت هیدروژن احتیاج داریم، یعنی نسبت نیتروژن به هیدروژن در تشکیل آمونیاک یک به سه است که تشکیل NH3 را می دهد.

 

عناصر ضرورت حیات در روی کره:

عناصر شیمیائی که برای حیات و زندگی کردن روی زمین ضروری هستند، مواد غذائی نام(Nutrients) دارند.

در حدود 25 تا از 92 عنصر شناخته شده که بصورت طبیعی وجود دارند، توسط گیاهان و حیوانات مورد استفاده قرار می گیرند، این مواد که  به مواد غذائی معروفند برای رشد و تداوم حیات موجودات زنده از جمله انسان، بسیار اساسی و ضروری هستند.

از این 25 عنصر، کربن، اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن، 96% بدن اغلب موجودات را تشکیل می دهند.

سولفور و فسفر عناصری هستند که به مواد غذائی کلان (macronutrients)معروفند و برای تداوم حیات در بدن موجودات مورد نیاز می باشند.

کربن ماده غذائی اصلی کلانی است که مورد نیاز همه موجودات زنده است و تقریباً یک تا دو سوم وزن خشک گیاه یا حیوان را تشکیل می دهد.

وزن خشک، وزنی است که تمام آب موجود در بدن موجود زنده، گرفته شده است.

موجودات زنده نیز به مقدار بسیار ناچیزی از سایر عناصر مانند منگنز(Mn)، ید(I)و سلنیوم(Se) نیاز دارند، گر چه نیاز به این مواد در بدن موجودات زنده بسیار ناچیز است، ولی این مواد برای سلامتی و تندرستی موجودات زنده بسیار اساسی و ضروری می باشند.

بعضی از عناصر مانند آهن(Fe)به مقداربسیار کمی مورد نیاز همه موجودات زنده هستند، و فقط بعضی از موجودات نیاز به سایر عناصر نیز دارند، مثلاً مهره داران(vertebrates) (حیوانات با ستون فقرات) به عنصر ید نیاز دارند و ید برای ساخت هورمون غده تیروئید  مهره داران مورد استفاده قرار می گیرد. مقدار مصرف روزانه  ید فقط 0.15 میلی گرم است که فعالیت طبیعی غده تیروئید را بهمراه دارد و اگر این مقدار استفاده نشود غده تیروئید دچار اختلال شده و بی اندازه بزرگ می گردد ،بزرگی غده تیروئید، گواتر نام دارد.

نمک یددار مشکل بزرگ غده تیروئید را حل کرده و از گواتر جلوگیری می کند.

براساس مطالعات انجام شده و آنالیز شیمیائی  جامع بدن انسان و سایر موجودات زنده روی سیاره زمین، مشخص گردیده است که عناصر غیر ضروری برای رشد و توسعه اندامهای موجودات زنده، در دسر مواد غذائی قرار نمی گیرند.

این عناصر غیر ضروری از طریق هوا، آب، خاک وارد بدن انسان و موجودات زنده شده و ناهنجاریهای فیزیولوژیک، نیورولوژیک و غیره بوجود می آورند، بعضی از این عناصر حتی به میزان بسیار کم مانند سرب، فوق العاده سمی بوده و مشکلات نرم افزاری و سخت افزاری زیادی برای انسان ایجاد می کند.

سایر فلزات سنگین مانند کادمیم(Cd) ، آلومینیم(Al) شدیداً سمی هستند و اگر وارد بخش های مختلف محیط زیست شوند، در زنجیره غذائی انسان و سایر موجودات زنده نفوذ کرده و موجبات امراض صعب العلاج را فراهم می کنند.

عناصر دیگر مانند مس(Cu) و روی(Zn) به مقدار بسیار کم برای موجودات زنده ضروری هستند، ولی اگر غلظت این عناصر بسیار بالا باشد، حالت سمیت بخود گرفته و اختلالات عمده ای در بدن موجودات زنده از جمله انسان  ایجاد می نمایند.

معادن مس و ریخته گریها، مقادیر زیادی مس به داخل هوا، آب و خاک رها می نمایند که باعث تخریب پوشش گیاهی منطقه و آب راهه ها می گردد.

درصد عناصر در بدن انسان

 

موجودی عناصر در قشر زمین:

قشر زمین لایه خارجی و سطحی آن است و همه عناصر شناخته شده، که بصورت طبیعی وجود دارند را در خود جای داده است. بیشتر عناصر موجود در قشر زمین از میزان

فوق العاده کمی برخوردارند.

در حقیقت فقط ده عنصر هستند که 99 درصد قشر زمین را آرایش می دهند.

اکثر انرژی  و منابع طبیعی که توسط جوامع مورد استفاده قرار می گیرد، اساساً عناصر فلزی همانند مس، آهن، اورانیوم، نیکل و عناصر غیر فلزی مانند فسفر، سولفور، سیلیکون و ترکیباتی نظیر سوخت های هیدروکربنی مثل ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی می باشند.

اصطلاح هیدروکربن  بدین منظور است که این مواد عمدتاً دارای هیدروژن و کربن هستند.

 

جدول ذیل میزان عناصر موجود در قشر زمین را نشان می دهد:

 

 

انسانها در طول حیات خود تمام 92 عنصر طبیعی موجود در قشر زمین را برای استفاده های مختلف معدن کاوی می کنند.

اغلب این عناصر در زندگی روزانه ما انسانها، کاربرد فراوان دارند، مثلاً از آهن برای تولید استیل و از آلومینیم برای قوطی های آلومینیمی استفاده می کنیم.

بعنوان مثال: برای تولید یک خودرو عناصر مختلفی با درصد های معینی مورد استفاده قرار می گیرد.

درصد مواد بکار رفته در یک دستگاه خودرو

 

علاوه بر آهن و آلومینیم، عناصری همانند روی و کادمیوم برای تولید استیل مورد استفاده قرار می گیرند، عنصر نیتروژن برای قسمت پلاستیکی خودرو و سیلیکون برای بخش های الکترونیکی و شیشه ها و نهایتاً سولفور برای تهیه لاستیک در خودروها مورد استفاده قرار می گیرد. عناصر زیاد دیگری هم ممکن است در تولید خودرو مورد استفاده قرار گیرند.

 

فلزات سنگین و سمی مانند سرب چگونه وارد محیط زیست می شوند؟

اولین مرحله در درک اثرات محیط زیستی و بهداشتی یک ماده سمی همانند فلز سرب(Pb)، لازم است راههای ورود این ماده سمی را به داخل جامعه شناسائی کنیم.

به عنوان مثال باید بدانیم که ،استخراج، مصرف، بازیافت و نهایتاً رهاسازی سرب  در محیط زیست چگونه صورت گرفته است. این بررسی نیازمند یک چشم انداز سیستمی است.

بدین معنی که جامعه به لحاظ جریان انرژی و موادی همچون سرب ، با محیط زیست ارتباط تنگاتنگ و عمیق دارند.

رهاسازی سرب در محیط زیست هر زمان که ماده(سرب) را بلحاظ فیزیکی و شیمیائی تغییر دهیم، اتفاق می افتد.

در مرحله استخراج، سرب از صخره کنده می شود، سپس خرد شده و برای جداسازی آماده می گردد. در مرحله بعد پالایشگاه ها سرب را ذوب کرده و با تصفیه شمیائی آنرا خالص می کنند، درهمه فرآیندهای فوق مقداری سرب وارد اتمسفر و خاک می گردد.

در مرحله بعد، کارخانه ها ئیکه این سرب را برای تولید باطری، بنزین سرب دار، رنگ و سایر محصولات استفاده می کنند مقداری سرب  نیز در محیط زیست رها می گردد.

در حدود 65 درصد سرب موجود در باطریها هر ساله بازیافت می شود و با توجه به اینکه استفاده از بنزین سرب دار در کشورها ممنوع شده است ، ولی هنوز بعضی از کشورها از بنزین سرب دار استفاده می کنند که این موضوع برای مردم، اقتصاد و محیط زیست بسیار خطرآفرین است.

به محض اینکه سرب وارد محیط زیست گردد، از طریق هوا، آب و غذا وارد بدن انسان و سایر موجودات زنده می گردد.

بزرگسالان سرب را عمدتاً از طریق غذا، دریافت می کنند، سبزیجات آلوده به سرب، میوه ها و یا ذرات خاک چسبیده به سایر اقلام خوراکی، منابع دریافت سرب به بدن بزرگسالان می باشند.

بچه ها سرب را از گرد و خاک موجود در هوا و چسبیده به سایر اشیاء دریافت می کنند، منابع سرب در محیط شهری و حومه شهرها، در واقع رنگ های بر پایه سرب و بنزین سرب دار هستند.

سرب را نه تنها مردم بلکه سایر موجودات زنده نیز دریافت می کنند، پرندگان معمولاً زباله های آلوده به سرب را تغذیه کرده و دچار انواع بیماریها می شوند

سرب بر همه چیز از جمله گیاهان نیز اثر می گذارد. اثرات مخرب سرب بر انسان،عبارت است از، حمله بر سیستمهای عصبی  است که اختلال در عملکرد سیستم مرکزی عصبی (CNS)و کندی ذهن را باعث میگردد سایر ناهنجاریهای فیزیولوژیک از جمله ناراحتی گرده ها نیز گزارش شده است.

اتمها: بلوکهای ساختمانی عناصر:atoms

واحدهای درونی مواد اتمها نام دارد، اتمها کوچکترین ذرات یک عنصر محسوب می شوند.

اتمهای عناصر با هم ترکیب شده و در واکنشهای شمیائی شرکت می کنند. اتمها بسیار ریز هستند و بیش از یک میلیون از آنها می توانند در هر لحظه ای شکل گیرند.

بعنوان مثال: اکسیژن یک عنصر است و اتم منفرد آنهم نیز اکسیژن نام دارد، همه عناصر، اتم منفردشان بنام همان عنصر قابل ثبت است.

در عوض یک مولکول(molecule) از اجتماع دو یا چند اتم که کاملاً بهم چسبیده باشند بوجود می آید. بسته اتمها همانند یک شئی منحصر به فرد عمل می کند، یعنی اینکه در نوع خود بی خطر است، اغلب عناصر در طبیعت در شکل مولکولی یافت می شوند.

بعنوان مثال: اکسیژن که به صورت عادی و معمولی در هوا یافت می شود، مولکولهائی دارد که دارای دو اتم اکسیژن هستند.

این شکل مولکولی اکسیژن با فرمول شیمیائی O₂ قابل شناسائی است که نشان دهنده دو اتم اکسیژن است.

ذرات درون اتم:

اتم کوچکترین واحدی است که ویژه گیهای فیزیکی و شیمیائی مخصوص به خود را دارا است.

ولی این ذرات بسیار ریز ماده (subatomic particles)حتی از قسمت های بسیار ریزتر دیگری که ذرات درون اتمی نام دارند، تشکیل یافته اند.

فیزیک دانها می گویند صدها ذره در درون اتم وجود داد، ولی برای اهداف محیط زیستی که من دنبال می کنم، سه تا از این صدها ذره در درون اتم، بسیار مهم هستند، این ذرات عبارتند از: پروتونها (protons)، نوترونها (neutrons) و الکترونها (electrons).

پروتونها بار مثبت دارند و واحد جرمی آنها یک است، نوترنها بار ندارند و واحد جرمی آنها نیز یک است و الکترونها بار منفی دارند و واحد جرمی آنها خیلی کم است. پروتونها و نوترونها در هسته و در مرکز اتم جای دارند.

الکترون ها با سرعت نور) 311000 کیلومتر در ثانیه( به دور هسته می دوند، تعداد ذرات درون اتمی، اتمهای عناصر مختلف را تعیین می کنند.

در یک عنصر به اندازه اتمها پروتون وجود دارد. پروتونها در هسته قرار دارد و تعداد آنها در سمت چپ سمبل عنصر مورد نظر نوشته می شود. این مقدار عدد اتمی

atomic number نام دارد.

 

بعنوان مثال: اختصاری C 6 به ما می گوید که عنصر کربن دارای 6 پروتون است که در هسته آن قرار دارند، می توانیم مقدار نوترنهای یک عنصر را از مقادیر دوم همان عنصر کم کنیم.

جرم اتمیatomic mass، جمع تعداد پرتونها بعلاوه نوترنها در هسته اتم است. معمولاً جرم اتمی را در بالای سمت چپ سمبل عنصر می نویسند.

بعنوان مثال: کربن C دارای عدد اتمی 6 و جرم اتمی 12 است و یک اتم آهنFe دارای 26 پروتون و 30 نوترون و 26 الکترون است.

اتمهای یک عنصر دارای همان تعداد پروتون نیز هستند. بعبارتی دیگر، به اندازه اتمها در یک عنصر پروتون وجود دارد.

ولی بدلیل تفاوتها در تعداد نوترونها یا الکترونها جرم آنها متفاوت می گردد، لذا عناصر با عدد اتمی یکسان ولی جرم اتمی متفاوت، ایزوتوپ(Isotope) نام دارند، در طبیعت عناصر زیادی بصورت ایزوتوپ موجود است.

بعنوان مثال: دو ایزوتوپ معمول اورانیوم با عدد اتمی 92 وجود دارد، یعنی اورانیوم 235 و اورانیوم 238، اورانیومهای با جرم اتمی متفاوت و عدد اتمی یکسان ایزوتوپ هستند.

ایزوتوپها در علم پزشکی بسیار مهم هستند و در درمان بیماریها فوق العاده با اهمیت میباشند. کشف ایزوتوپ در سال 1913 توسط یک شیمیدان انگلیسی بنام فردریک سودی (Frederic Soddy) صورت گرفت و منجر به پیشرفتی بنیادین در علم و داروسازی گردید. در واقع رادیو داروها از این طریق بدست می آیند.

سالانه میلیاردها مقدار پول رایج کشورها از طریق آزمایشهای مربوط به درمان و تشخیص های پزشکی از طریق ایزوتوپ های رادیو اکتیو، بدست می آید، درمان بیماریها و مطالعات مربوط به تغییرات اقلیمی، چرخه های اقیانوسی عمیق، تولید و تکامل انفجارات آتشفشانی، چرخه موادغذائی در جنگل و کشف معادن معدنی نیز از طریق ایزوتوپ های رادیواکتیو قابل پی گیری است.

 

 

تغییرات و دگرگونی ماده در محیط زیست:

مواد در محیط زیست تحت سه تغییر عمده قرار می گیرند:

1-فیزیکی. 2-شیمیائی. 3- هسته ای.

تغییرات فیزیکی:

در این حالت تغییر فقط در شکل و وضعیت ظاهری ماده صورت می پذیرد. مثلاً قطعه قطعه کردن یک ورقه استیل و آنرا به اشکال مختلف در آوردن، در واقه یک تغییر فیزیکی است.

در حالی که  ترکیب شیمیائی این قطعات فلزی هیچ گونه تغییری نکرده است، یا مثلاً هنگامیکه آب از حالت مایع به یخ و یا بخار تبدیل می شود، اساساً تغییر حالت فیزیکی می دهد، بدون اینکه تغییری در وضعیت و حالت شیمیائی آن پدیدار گردد.

با توصیف فوق، مواد بلحاظ فیزیکی دارای سه حالت هستند: گاز، مایع و جامد.

تغییرات شیمیائی:

این تغییرات عمدتاً توسط واکنش های شیمیائی (chemical reactions)به وجود می آیند. در این تغییر یک ماده قادر است تبدیل به مواد مختلف گشته و ترکیبات شیمیائی آن تغییر می کند.

بعنوان مثال: از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن آب بوجود می آید. این واکنش که هیدروژن و اکسیژن را برای تشکیل آب با هم ترکیب می کند ،یک تغییر شیمیائی است.

2H₂+O₂ 2H₂O

هنگامیکه عناصر با هم ترکیب می شوند ماده از بین نمی رود و در تمام حالات حفظ می گردد، تنها کاری که انجام می شود در واکنش های شیمیائی ماده تغییر حالت می دهد و بصورت دیگری پیکر بندی می شود.

بعضی از واکنش های شیمیائی ،تولید انرژی می کنند و برای اینکه بتوانیم انرژی انبار شده در واکنش ها را پایدارتر کنیم، باید حالت های آنها را تغییر دهیم.

مثلاً بعضی از واکنش ها سوخت(fuels) نام دارند. سوخت ها موادی هستند که می شود آنها را سوزاند و به گرمای مفید تبدیل کرد.

همه سوخت های معمول(چوب، ذغال، نفت و گاز طبیعی) ترکیبات کربن داری هستند که از طریق سوختن ،انرژی خود را آزاد و رها می کنند.

اکسیداسیون کامل یک ماده از طریق استفاده از هوا (اکسیژن گیری) یا O2 انجام می گردد. لذا سوزاندن سوخت های فسیلی همانند گاز طبیعی (CH4) تولید آب ، انرژی و دی اکسید کربن می نماید.CH4+ 2O2 CO2+2H2O+210 kcals

کیلو کالری واحد انرژی است و یک کیلو کالری معادل مقداری انرژی است که یک کیلوگرم آب  را تا یک درجه سانتی گراد گرم میکند.

تمام سوختهائیکه بر پایه کربن استوارند، هنگامیکه می سوزند ، انرژی آزاد کرده و  تغییرات شیمیائی همسانی دارند.

سوزاندن سوخت های فسیلی و نظیر، اثرات بسیار مهم بیولوژیکی، اجتماعی و محیط زیستی دارد. گرمای آزاد شده ناشی از سوخت برای نیرو دادن و به حرکت درآوردن خودروها، گرم کردن خانه ها و تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد. رها سازی دی اکسید کربن(CO2) در فرآیند سوختن بسیار مهم  و خطر آفرین است. CO2 رهاشده ، بتدریج در اتمسفر زمین جمع می شود و این تجمیع باعث ایجاد  گرما و نهایتنا تغییرات وسیع اقلیمی در سیاره زمین می گردد.

 

اغلب موجودات زنده، سوخت ها را در بدن خود می سوزانند، بعنوان مثال گلوکز (C6H12O6)در بدن موجودات می سوزد تا گرمای لازم را برای حرکت کردن، رشد و توسعه در موجود زنده فراهم آورد، این پدیده از منظر علوم زیستی متابولیسم(metabolism)نام دارد.

 

 

 

 

تغییرات هسته ئی(Nuclear change)

در اواخر قرن نوزده میلادی، دانشمندان معتقد بودند که تمام خصوصیات و ویژه گیهای مهم ماده را شناخته اند.

ولی در سال 1898 میلادی یک دانشمند فرانسوی بنام هنری بکیورل(Henry Becquerl) متوجه شد، هنگامیکه یک صخره حاوی عنصر اورانیوم نزدیک فیلم عکاسی قرار گیرد، فیلم ظاهر می شود.

در ابتدا دانشمندان قادر نبودند تشخیص دهند که دقیقاً چه اتفاقی می افتد، و چرا تشعشع ساطع شده از صخره باعث بوجود آمدن پدیده ظهور فیلم می شود.

در همان سال فرانسوی دیگری بنام ماری کوری(Marie Curie) ویژه گیهای منحصر به فرد رادیو اکتیویته را شناسائی و نام گذاری نمود.

رادیو اکتیویته چیست:

فرآیندی است که بعضی از اتمها بصورت طبیعی ذرات یا اشعه هائی با انرژیهای خیلی بالا از خود ساطع می کنند.

بیش از پنجاه ایزوتوپ  رادیو اکتیو و رادیوایزوتوپ شناسائی شده اند، تمام عناصزی که عدد اتمی بیشتر از 83 را دارا باشند، بلاشک رادیو اکتیو(Radioactive) هستند.

تا کنون سه نوع اشعه رادیو اکتیو کشف شده است، آلفا(Alpha)، بتا(Beta) و گاما(Gamma).

اشعه آلفا از ذراتی تشکیل می شود که دارای دو پروتون و دو نوترون هستند.

هنگامیکه یک اتم رادیواکتیو، اشعه یا زره آلفا ساطع می کنند، عدد اتمی آن تا دو واحد کاهش پیدا کرده و عدد جرمی آن (جرم اتمی) نیز تا 4 واحد کاهش پیدا می کند.

این فرآیند، نقصان سازی، تخریب و بی مقدار سازی (واپاشی) هسته ای          (Nuclear decay) نام دارد.

برای مثال: واپاشی پلوتونیم(Plutonium) به اورانیوم (Uranium) بشرح ذیل است:

---

235/92U +4/2 Alpha paticle+energy=PU239/94

 

ذرات بتا، الکترونهائی هستند که از یک اتم رادیو اکتیو ساطع شده و با سرعت خیلی بالا حرکت می کنند.

اشعه های گاما، هیج گونه بار و جرمی ندارند، و در واقع اشعه های ناشناخته ای که به اندازه سرعت نور (سیصد هزار کیلو متر بر ثانیه) حرکت می کنند.

تمام عناصر رادیو اکتیو دارای خصوصیات نیمه عمر تشعشعی هستند و نیمه عمر تشعشعی مدت زمانی است که فرآیند واپاشی رادیو اکتیو نصف اتمهای یک عنصر را به اتمهای عنصر دیگر تبدیل می کند.

هر ایزوتوپ خصوصیات نیمه عمر مربوط به خود را دارا است.

برای مثال: پلوتونیم- 235 نیمه عمری معادل 24000 سال دارد. یعنی اگر ما 10 گرم از پلوتونیم – 235 را داشته باشیم، بعد از 24000 سال به 5 گرم تبدیل می شود؟؟؟!!!

نیمه های عمر اتمهای رادیواکتیو دامنه ائی از میلیونها ثانیه تا میلیاردها سال دارند.

به جدول ذیل توجه کنید:

نیمه عمر بعضی از ایزوتوپهای رادیواکتیو

 

 

نیمه عمرهای مواد رادیواکتیو توسط عملیات فیزیکی مانند گرما ، سرما و  یا واکنش های شیمیائی از بین نمیروند، لذا برای تعیین طول عمر آثار باستانی استفاده از طول عمر کربنتحت عنوان ساعت باستان شناسی(archaeological clock) استفاده میشود .این روش برای تعیین سن صدف ها، استخوانها و فسیل ها بسیار مناسب تشخیص داده شده است.

با توجه به توضیحات مربوط به نیمه عمر مواد رادیواکتیو، انسان نمی تواند مواد رادیو اکتیو استفاده شده در جامعه را (ضایعات و پسماندهای رادیو اکتیو بیمارستانی و نیروگاههای هسته ای) در محیط زیست رها کند، این ضایعات با واکنش های شیمیائی و سایر پاکسازیهای معمول از بین نمی روند.

تمام آنچه را که بشر در این خصوص(ضایعات رادیواکتیو) می تواند انجام دهد، در واقع صبر کردن است، تا اینکه این مواد خود به خود دچار واپاشی شده و نقصان کیفیت یابند.

این موضوع بدین معنی است که احتیاطات ویژه ای باید برای جداکردن این مواد از سایر ضایعات صورت پذیرد.

در تغییرات هسته ای ماده، مقادیر انرژی بسیار زیادی  نیز تولید می گردد.

دو تغییر عمده که باعث تولید فراوان انرژی در ماده می گردد عبارتند از:

1- شکافت هسته ای.nuclear fission

2- گداخت هسته ای.nuclear fusion

شکافت هسته ای:

زمانیکه یک ایزوتوپ سنگین مثل اورانیوم 235 به دو ایزوتوپ سبک تر، تقسیم گشته و دو نیم می شود، اساساً شکافت بوجود آمده است، لذا هنگام شکافت اورانیوم، نوترنهای بیشتری آزاد گشته و انرژی بسیار بالائی نیز تولید می گردد.

نوترنهای آزاد شده ناشی از فرآیند شکافت بصورت بسیار آزادانه ای مجدداً با دیگر هسته های سنگین برخورد کرده و بصورت مداوم نوترونها و انرژی بیشتری تولید می کنند.

اگر سیستم تحت کنترل نباشد، واکنش های شکافت و انرژی آزاد شده قادر است، بسرعت افزایش یافته و در نتیجه یک انفجار بسیار شدید  در راکتور بوجود می آید.

واکنش هائی که بدین صورت حاصل می گردند، در واقع واکنش های زنجیره ائی نام دارند.

این واکنشهای زنجیره ئی  نیز قادرند ، بمب های شکافت هسته ای بسیار تخریب گر را تولید کنند.

در نیروگاههای برقی که با سوخت شکافت هسته ای کار می کنند، واکنش های زنجیره ائی برای کنترل میزان شکافت  کند و آرام می شوند و بدین ترتیب انرژی تولیدی مهار گشته و تبدیل به برق می گردد.

گداخت هسته ائی:

هنگامیکه هسته های دو عنصر سبک با هم ترکیب می شوند و تشکیل هسته ای سنگین تر را بوجود می آورند در واقع گداخت(بهم پیوند خوردن) هسته ئی ایجاد شده است.

در این فرآیند مقدار بسیار کمی ماده تخریب گشته و در عوض میزان بسیار بسیار زیادی انرژی تولید می گردد.

گداخت دو هسته هیدروژن و در نتیجه تشکیل یک هسته هلیوم، در واقع تغییر هسته ای است. خورشید ما و سایر ستارگان را نیز از گداخت هسته ئی بهره برده و به منظومه های  خود نیرو می بخشند.

گداخت هسته ئی  نسبت به شکافت هسته ئی  انرژی بسیار بیشتری تولید می کند، ولی گداخت دو هسته هیدروژن نیازمند متجاوز 100 میلیون درجه سانتیگراد است.

لذا مهار کردن انرژی حاصل از گداخت ستاره زمین (خورشید) فوق العاده مشکل است . در جهان سیاره زمین تا کنون اقداماتی در خصوص تولید انرژی ناشی از گداخت صورت گرفته است ولی همگی آنها علی رغم صرف هزینه های بسیار بالا، ناموفق بوده اند. دانشمندان معتقدند، در زمانی، در آینده، گداخت قادر خواهد بود انرژِی ارزان و فراوانی را در اختیار ساکنان کره زمین قرار دهد.

 

 

 

 

 

قوانین بقاء ماده:

در بخش پیش مشخص کردیم که همه اتمها ی عناصر واکنش گر مسئول تولید محصولات مختلف می باشند، یعنی اینکه در یک واکنش شیمیائی مقدار ماده هرگز از بین نرفته و همواره حفظ می گردد ،این حفاظت منجر به تولید محصولات مختلف میشود.

لاوازیه در سال 1789 این ویژه گی بسیار مهم ماده را از طریق انگور و تبدیل  آن به شراب کشف کرده وبخوبی آنرا را توضیح داد.

او بیان کرد که اگر چه مواد در واکنش ها(آب، شکر و خمیر مایه) به لحاظ شیمیائی تغییر شکل داده اند، ولی کل مقدارآنها تغییر نیافته است.

این دانشمند فرانسوی که نام دقیق آن (Antoine Lavoisier) است، توضیح داد که شکر، آب و خمیر مایه به دی اکسید کربن یا الکل و سایر محصولات تغییر یافته اند، اما مقدار کل هر عنصر در آغاز آزمایش دقیقاً برابر مقدار کل همان عنصر در پایان آزمایش است.

لذا تحقیقات لاوازیه ،اساس و بنیاد قانون  حفظ و بقاء ماده گردید.

بدین ترتیب ماده در نقل و انتقالات فیزیکی و شیمیائی نه ایجاد می گردد و نه از بین می رود، تمام آن چیزی را که تغییر می کند، شکل، حالت و کیفیت آن است.

دانشمندان دریافته اند که قانون بقاء ماده بر همه تغییرات فیزیکی و شیمیائی آن در سرتاسر هستی مدیریت دارد، این قانون کاربردهای فراوانی در جامعه بشری و محیط زیست  نیز دارد.

کالاها و خدمات باری به هر جهت و به آسانی بدست نمی آیند، مردم نمی توانند مواد را ایجاد کرده و یا کاملاً از بین ببرند.

ما عناصر را از محیط زیست استخراج و آنها را بصورت فیزیکی و شیمیائی تبدیل به مواد و محصولات مفید و قابل استفاده  تبدیل می نمائیم. ولی در انجام این عمل ما  نه ماده را ایجاد و نه آنرا تخریب می نمائیم. بلکه آنرا از شکلی به شکل دیگر تبدیل نموده و به استفاده می رسانیم.

این مهم بدین معنی است که میزان و مقدار هر عنصر در قشر زمین ، اقیانوسها و یا اتمسفر(جو)  ثابت است  و همه آنچیزی را که ما مجبور به زندگی با آن هستیم همین موجودی میباشد  که در دل این سیاره نهفته  است.

این وضعیت(موجودی مواد در کره زمین) محدودیتی وسیع و منحصر بفرد را در توانمندی ما برای تولید کالا و خدمات ایجاد می نماید.

قانون حفظ و بقاء ماده نیز بیان می دارد، تمام عناصری را که یک جامعه استخراج می کند، پس از استفاده به آب، خاک، هوا برگشت داده می شوند.

عناصری که برای محیط زیست بسیار سمی و خطرناک هستند نیز در این طبقه بندی قرار می گیرند. بدین ترتیب قانون بقاء ماده، کاربردهای فراوانی در جامعه و محیط زیست دارد.

اندکی توجه به آن، اهمیت مواد در محیط زیست را فوق العاده بر جسته می کند، انسان مواد را از محیط زیست استخراج کرده و بطرق شیمیائی و فیزیکی آنها را به اقلام و کالاهای قابل استفاده تبدیل می کند.

لذا باید بکوشیم تا با شیوه های متنوع علمی و کم خطر برای محیط زیست از منابع و مواهب آن با توجه به حفظ اصول عملیاتی پایداری استفاده کنیم.

 

اهمیت انرژی در محیط زیست:

انرژی عبارت از استعداد و توانمندی انجام کار، بدین لحاظ، انرژی نقش بسیار اساسی در جامعه دارد.

انرژی برای سامان و سازمان دادن مواد به شکلی که بشود از آنها  استفاده کرد، بکار میرود.

مثلاً کادمیوم تبدیل کالاهای مورد نیاز انسان گشته و در زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرد.

انرژی نیز گرما، نور و سایر خدمات مفید دیگر را برای انسان و محیط زیست فراهم می نماید، انرژیِ در محیط های طبیعی(natural environments) آب را تبخیر، گیاهان را واردار به رشد و صفحه های بزرگ قشر زمین را بحرکت در می آورد.

انواع انرژی: انرژی در اشکال متفاوتی وجود دارد، برق، گاز، نفت، بنزین و سایر .

ولی همه اشکال انرژی معادلهای گرمائی (heat equivalents) دارند یعنی مقدار انرژی که هر یک اشکال انرژی در هنگام تبدیل شدن به گرمای کامل رها و آزاد می کنند، در واقع ارزش گرمائی آنها محسوب می گردد.

من در سرتاسر این بحث طولانی و گسترده برای اندازه گیری هر نوع انرژی ازکیلوکالری(kcals)استفاده می کنم.

برای مثال: یک گالن بنزین معادل 79.3 لیتر و در حدود 31254 کیلوکالری است و یا یک کیلووات ساعت انرژی برق در حدود 860 کیلوکالری انرژی دارد. و بالاخره یک فوت گاز طبیعی معادل در حدود 260 کیلوکالری انرژی دارد.

لذا تبدیل انرژی به گرما، به انسان این امکان را می دهد که مقادیر اشکال مختلف انرژی را با هم مقایسه کند، انرژی از منظر دیگر نیز بر محمل های فراوانی سوار است، مثلاً:

1-انرژی تشعشعی یا الکترومغناطیسی .(electromagnetic radiation)

این انرژی عمدتاً بر نور سوار است، یعنی توسط نور حمل می شود. انرژی که توسط خورشید تولید می گردد، شکلی از انرژی تشعشعی است که در ساحت علمی، انرژی خورشیدی(solar energy) نام دارد.

انرژی تشعشعی تولید شده توسط نور خورشید، در شکل امواج الکترومغناطیس با طول موج ها و میزانهای انرژی متفاوتی در فضای لایتنای پخش می گردد.

اشعه های گاما، X، موجهای ماورابنفش، نورمرئی مادون قرمز ، امواج رادیوئی، تلویزیونی  و سایر امواج میکرو(ریز) بواسطه موجهائی که دارند تعریف می گردند.

بعضی از اشکال انرژی تشعشعی برای انسان آشنا هستند و بسیاری دیگر اینگونه نمی باشند.

مثلاً نور سفید قابل رویت که به زمین می رسد اگر از یک منشور عبور داده شود، طیف کاملی از رنگها را از قرمز تا آبی را تولید می کند.

آن بخش از طیف الکترومغناطیس که ما می توانیم آنرا مشاهده کنیم، در واقع طیف قابل رویت(visible spectrum)نام گرفته است.

ولی گرمائی که ما از خورشید احساس می کنیم، انرژی ئی است که از قسمت های طیف الکترومغناطیسی که برای ما غیر قابل رویت(invisible spectrum) در یافت می شود.

انرژی تشعشعی که باعث سوختگی بدن می شود، از قسمت ماورائ بنفش طیف الکترومغناطیس است و نسبت به نور مرئی از طول موج کوتاهتری برخوردار است.

بطور کلی هر اندازه که طول موج اشعه الکترومغناطیس کوتاهتر باشد، محتوای انرژتیک بیشتری ساطع می کند.(انرژی آن بیشتر است)

سیاره ما روزانه به میزان 21بتوان10× 1.3 کیلوکاری انرژی تشعشعی از خورشید را بخود اختصاص می دهد، این میزان در حدود 90000 هزار برابر مقدار سوخت فسیلی است که در سال 2006 در کل جوامع انسانی در کره زمین استفاده گردید.

در حقیقت، میزان کل مواد نفت خام، گاز طبیعی، ذغال و سایر سوخت های فسیلی موجود در قشر زمین فقط به اندازه 11 روز تابش نور خورشید است؟؟!!! سبحان ا...

این موضوع بیانگر یک جنبه فوق العاده مهم از انرژی خورشیدی است. در واقع کل مقدار انرژی تولید شده توسط خورشید فراوان است، ولی در کل فضای لاینتهائی(بسیار بزرگ) پخش می شود و مقداری که به کره زمین می رسد، فوق العاده کم است.

این وضعیت چالشی بسیار مهم برای بشریت که می خواهد از انرژی خورشیدی برای انجام فعالیت های اقتصادی، صنعتی استفاده کند را ایجاد می نماید.

2-انرژی مکانیکیmechnical energy:

انرژی حاصل از حرکت سازمان یافته مواد است، این انرژی نوعاً از کارهای انجام شده توسط ماشین ها مشتق می گردد.

انرژی مکانیکی شامل: انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی یا دینامیک است.

 

 

 

 

3- انرژی جنبشی(kinetic):

در واقع انرژی حرکتی است و مثالهای آن عبارتند از: انرژی جریان، انرژیِ ماشین هائی که در خیابانها حرکت می کنند و انرژی که ما با آن راه می رویم، همه از نوع انرژی جنبشی هستند.

4- انرژی پتانسیلpotential energy:

یک انرژی بالقوه است که در موضعیposition مشخص جای دارد. مثلاً آب انبار شده در پشت نهرها یک

انرژی پتانسل جاذبه ای و گرانشی(gravitational &potential energy) دارد.

اگر آب از سد رها و آزاد گردد، انرژی پتانسیل و بالقوه آن به انرژی جنبشی تبدیل گشته و در آب ساری می گردد.

5- انرژی شیمیائی(chemical energy):

انرژی است که در ترکیب و آرایش (arrangement)عناصر نهفته است، این انرژی، در سوخت های فسیلی و هیدراتهای کربن وجود دارد.

انرژی موجود در بنزین و هیدراتهای کربن (گلوکز)در پیوندهای شیمیائی بین اتمهای ترکیبات مهار و انبار گشته است و هنگامی که این مواد می سوزند، پیوندها شکسته و انرژی رها می گردد، این انرژی یک انرژی شیمیائی بالقوه است و استعداد آن را دارد تا در ماشین ها یا بدن موجودات زنده بسوزد و کار مفید انجام دهد.

6- انرژی هسته ایnuclear energy:

انرژی هسته ئی در واقع آن نوع انرژی است که پروتونها و نوترنها را در هسته اتمها با هم دیگر پیوند می دهد.

هنگامیکه این انرژی پیوندی آزاد می شود، انرژی گرمائی بسیار زیادی تولید می گردد. این نوع انرژی برای تولید برق در نیروگاههای هسته مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

 

7- انرژی الکتریکی(electrical energy):

این انرژی اساساً نیروی ذرات بارداری است که روی هم دیگر سوار می شوند، بعنوان مثال: یک جریان الکتریکی توسط جریانهای شارژ و بارهای الکتریکی ایجاد می گردد.

در سیستمها و وسایل برقی(الکتریکی)، جریان انرژی توسط جریان رفت و برگشت الکترونها بوجود می آید.

8- گرما(heat):

گرما، به واقع یک انرژی جنبشی(kinetic) است. این انرژی از حرکات تصادفی اتمها و مولکولها بوجود می آید، و درجه حرارت میانگین سرعت اتمها و مولکولها را در یک ماده در مدت زمان معینی اندازه گیری می کند.

گرما شکل بسیار مهمی از انرژی است و تمام اشکال انرژی معادل گرمائی مربوط به خود را دارند.

برای مثال: بنزین، یک انرژی بالقوه شیمیائی است و یک لیتر آن هنگامیکه می سوزد به میزان 8246 کیلوکالری انرژی به شکل گرما تولید می کند و اورانیوم(uranium) که یک عنصر سوخت هسته ای است، هنگامیکه در نیروگاههای هسته ای بعنوان سوخت مورد استفاده قرار می گیرد، یک کیلوگرم آن، به میزان 4 میلیارد کیلوکالری گرما تولید می کند.

 

جدول معادلهای گرمای بعضی از اشکال انرژی

- نیروی برق آبی برای تولید برق – انرژِی تجدید پذیر تولید میکند.

- انرژی زمین گرمائی، تجدید پذیر برای تولید برق و گرما مورد استفاده قرار میگیرد.

- انرژی باد تجدید پذیر برای تولید برق استفاده میشود.

- انرژی خورشیدی، برای نور، گرما و تولید برق مورد استفاده قرار گرفته و  تجدید پذیر است.

 

انرژی و کار:

انرژی عبارت از نیرو x مسافت یک شی، یعنی نیروی وارده بر یک شی ضربدر مسافت طی شده توسط شیئ مورد نظر.

مسافت x نیرو = کار

لذا کارهائی که توسط  انرژی انجام می شود، محیط های فیزیکی و بیولوژیکی انسان و موجودات زنده  را شکل می دهند.

یکی از مهمترین مثالها در این خصوص مربوط به تغییرات فازی ماده است که غالباً نیازمند انرژی فراوانی میباشد.

گذار بین فازهای جامد، مایع و گاز نیازمند انجام کار فراوانی است و انرژی زیادی نیز لازم دارد. مثلاً گرمای ذوب شدن آب، مقدار انرژی مورد نیازی است که یک گرم آب را از حالت جامد به حالت مایع(بدون اینکه تغییری در درجه حرارت آن بدهد) در آورد.

گرمای ذوبی آب در حدود 80 کالری در هر گرم می باشد. از طرف دیگر گرمای تبخیر آب، انرژی مورد نیازی است که یک گرم آب را در 100 سانتی گراد به حالت گاز در آورد. این مقدار انرژی معادل 539 کالری برای هر گرم آب است.

این اوزان فراتر از آن چیزی که اکثر مواد در روی زمین دارند، و این موضوع یکی از مهمترین دلایلی است که آب را در میان همه مواد دیگر، منحصر به فرد کرده است.

در واقع گرمای بالای تبخیر آب، آنرا یک خنک کننده موثر برای بدن انسان، می سازد، این تبخیر عمدتاً از طریق تعریق صورت می پذیرد و بدین ترتیب دامنه درجه حرارت هائی که انسان می تواند زندگی را گسترش دهد وسیع است.

دقیقاً به همین دلیل است که از آب بعنوان یک خنک کننده بسیار عالی در نیروگاههای برق استفاده میشود. و نیز انرژی لازم برای راه اندازی تغییرات فازی در آب، این توضیح را بیان می دارد،  که چرا اقیانوسها نقش بسیار مهمی در اقلیم سیاره زمین بازی می کنند.

لذا برای انجام کار، انرژی باید از یک شکل به شکل دیگری تبدیل گردد. یک مبدل انرژی وسیله  است که انرژی را به کار تبدیل می نماید.

به جدول ذیل توجه کنید:

 

لذا یک مبدل انرژی، انرژی را گرفته و آنرا برای انجام کار مورد استفاده قرار می دهد، باید بدانیم که مبدلها انرژی را  بصورت صددرصد به کار تبدیل نمی کنند.

همیشه مقداری از انرژی ورودی به گرمای ضایعاتی نقصان درجه یافته ئی  تبدیل می گردد. لذا گیاهان انرژی تشعشعی (خورشیدی) را به انرژی شیمیائی (هیدراتهای کربن) و گرما تبدیل می کنند.

بدن انسان و سایر موجودات زنده انرژی شیمیائی را به انرژی مکانیکی و گرمائی تبدیل می نمایند.

موتور احتراق داخلی در یک خودرو، انرژی بالقوه شیمیائی را(بنزین موتور) به انرژی جنبشی و گرما تبدیل می کند.

در هر یک از موارد فوق، مبدلهای انرژی(گیاه، بدن انسان و موتور) انرژی را برای انجام کار مفید(فتو سنتز، حرکت و حمل و نقل) مورد استفاده قرار می دهند.

 

 

 

انرژی و توان:

توان در واقع میزان انجام کار است.

لذا  میزانی که انرژی مورد استفاده قرار می گیرد، توان نام دارد.

مقدار کار انجام یافته یا مقدار انرژی استفاده شد=توان

زمان مورد نیاز برای انجام کار

توان ماشین ها و موتورها، غالباً با توان اسب بخار اندازه گیری می گردد.

این اصطلاع قبل از صنعتی شدن جوامع رایج بوده، آن هنگام اسبها نیروی غالب کار بودند . مطالعات کاری انجام یافته روی اسبها، نشان، که یک اسب متوسط می تواند در هر دقیقه به میزان 11 کیلوکالری برای مدت زمانی طولانی کار کند.

لذا این تعریف بعنوان یک اسب بخار یا توان اسب مورد قبول واقع و همچنان ادامه دارند.

در صورتیکه ماشین امروزی متجاوز از 1700 اسب بخار نیرو دارند. امروزه ماشینهای فراوانی وجود دارند که از توانهای بسیار بالائی برخوردارند و این ماشینها زندگی روزانه افراد جامعه را از منظر انرژی و توان شکل می دهند، در صورتیکه در طبیعت توان فرآیندهای طبیعی بسیار کند و پائین است و کند بودن توان یکی از مکانیزمهای مهم و پایداری تلقی می گردد.

البته قدرت توان بعضی از حوادث غیر منتظره طبیعی بسیار بالا است و این موضوع بخاطر شکل دادن سیمای طبیعی محیط زیست ، معماری زمین و نهایتاً حمایت و حفاظت موجودات زنده روی زمین است، بعنوان مثال:

انفجارات اتشفشانی، رعد و برق، طوفان و زلزله همگی مکانیزمهای پرقدرت انرژتیکی هستند که برای بهتر کردن وضعیت محیط زیست بکار می روند، این مکانیزمها در طبیعت، حلقه های بازخورد منفی هستند و در تعدیل ناملایمات محیط زیستی نقش بسیار اساسی دارند، مسائلی از قبیل حاصل خیز کردن خاک، حفظ آب و پیش گیری از بیماریهای محیط زیستی و شکل دادن منظر محیط زیست از جمله مزایای حوادث طبیعی تلقی می گردند.

ولی همواره قدرت و توان پائین فرآیندهای طبیعی محیط زیستی از منظر حفاظت محیط زیست دارای اصالت بوده و بنیاد پایداری را محقق می سازند.

 

توان و قدرت حوادث در طبیعت

 

فتوسنتز(گیاهان) در مقایسه با انفجارات آتشفشانی و زلزله، از قدرت بسیار بسیار پائینتری برخوردار است، ولی این قدرت کم بطرز حیرت آوری مفرح ذات و منبع حیات و پایداری همه موجودات در روی زمین به همراه دارد.

 

قوانین ترمودینامیک:

قوانین نیروگرمائی به ما این اجازه را می دهند که استفاده از انرژی را در فرآیندهای کاری رد یابی و تعقیب نمائیم.

دقیقاً به همان نحی که قانون حفاظت از ماده برای ردیابی مواد مورد استفاده قرار میگیرد، امکان ردیابی آنها توسط قانون فراهم می آید.

علم ترمودینامیک یا نیروگرمائی در طول انقلاب صنعتی که بشر از سوختهای فسیلی در موتورهای پرقدرت برای تولید کالا و محصولات استفاده می کرد، پدیدار گشت.

این علم برای درک هر جنبه ای از انرژی در زندگی روزانه بشر مورد استفاده قرار     می گیرد. از روشی که برای بلعیدن غذا استفاده کنیم تا  طریقی که   بنزین   را در خودروهای خود، مورد استفاده قرار می دهیم، میتوانیم از ترمودینامیک بهره گیریم.

اولین قانون ترودینامیک بدین معنی است که مقدار انرژی در هر فرآیند تبدیل ،ثابت باقی می مانند و بدین ترتیب انرژی نه ایجاد می گردد و نه از بین می رود و بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود.

در ضمن قانون ترمودینامیک بیان می دارد، در تمام فرآیندهای تبدیلات مربوط به انرژی، انرژی قدرت انجام کار را از دست می دهد و بدین ترتیب تنزل درجه یافته و نقصان کیفیت می گیرد.

بعنوان مثال: انرژی یک ماشین بخار، انرژی بالقوه شیمیائی را به گرمای ضایعاتی تبدیل کرده، قدرت خود را برای انجام کار کارمفید از دست داده و بدین ترتیب تنزل درجه یافته و نقصان کیفیت گرفته است یا کیفیت آن ساقط گشته است.

هر گونه فرآیند تبدیل انرژِی توسط کارائی آن قابل تعریف است. کارائی عبارت است از میزان انرژی مفید یا خروجی کار در مقایسه با کل انرژی ورودی.

کارائی=مقدار کیلو کالری خروجی/کل کیلو کالری انرژی تبدیل شده(ورودی)*100

کارائی معمولاً بصورت درصد بیان می گردد. لذا قانون دوم ترودینامیک به ما می گوید که هیج پروسه تبدیل انرژی بصورت صددرصد کارائی ندارد و همیشه مقداری انرژی مفید بشکل گرمای ضایعاتی از بین می رود.

ماشینهای بخار اولیه کمتر از یک درصد کارائی داشتند، ولی بهبود های بعدی کارائی آنها را در قرن بیستم تا حدود 20 درصد بالا برد.

یک خودروی مدرن امروزی فقط 15 تا 20 درصد سوخت بنزین خود را به کار مفید تبدیل می کند و 80 درصد بقیه در شکل گرمای هدر رفته، در فضا پراکنده می گردد.

انسان فقط 20 درصد انرژی غذائی را به کار مفید تبدیل می کند، یعنی 20 درصد کارائی و بقیه 80 درصد ، در شکل گرمای ضایعاتی، بر باد می رود.

در حقیقت یک انسان حتی در زمان استراحت، در حدود یک لامپ صدوات گرما را در شکل گرمای ضایعاتی، در فضا رها می کند.

 

 

جدول ذیل کارائی انرژیهای مختلف را نشان می دهد:

 

لذا هنگامیکه انرژیهای شیمیائی نهفته(Concentrated) در موادی نظیر چوب، نفت، ذغال سنگ و گاز طبیعی می سوزند، از حالت آنتروپی پائین(کیفیت بالا) به حالت آنتروپی بالا(کیفیت پائین) تغییر شکل داده و دچار در هم ریختگی و بی نظمی می گردند.

این مواد عمدتاً به CO2، H2O، انرژی گرمائی هدر رفته، خاکستر و مقداری انرژی قابل استفاده تبدیل می شوند

آنتروپی وسیله ای برای اندازه گیری کیفیت انرژی و مواد در محیط زیست:

فیزیک دان آلمانی بنام رودولف کلوسیوس (Rodolph Clausius German Physicist) بعد از تکرار آزمایشات مشاهده کرد که تغییرات کمی و کیفی فراوانی در شکل سوخت بوجود آمده است که می توان آنها را در شکل درجه نظم یا سازمان دهی (organization)توضیح داد.

دانشمند فوق مشاهده کرد که انرژی بالقوه شیمیائی بسیار مفید و کاملاً سازمان دهی شدهئی که در ذغال سنگ و چوب وجود دارد، هنگامی که میسوزد به حالتی بسیار درهم و برهم و فوق العاده نامنظم  ،که  گرمای هدر رفته نام دارد، تبدیل می گردد.

نهایتاً این فیزیکدان آلمانی نتیجه گرفت که اقدامات و فعالیت های ماشین بخار می تواند تحت عنوان تبدیل انرژی از یک حالت منظم سازمان بندی شده به حالت بسیار نامنظم و    و بهم ریخته،تبدیل گردد.

این اصل که توسط کلوسیوس(Clausius) شناسائی گردید، آنتروپی(Entropy) نام گرفت.

بدین ترتیب، آنتروپی درجه نظم و سازمان دهی در یک سیستم را بیان میدارد.

بدین ترتیب مفهوم آنتروپی در همه تغییرات مربوط به انرژی و مواد کاربرد فراوان دارد.

همه می دانیم که ماده و انرژی که بصورت کاملاً منظم و سازمان دهی شده ائی باشند،از درجه نظم بالائی برخوردار بوده و آنتروپی آنها فوق العاده کم خواهد بود. در عوض ماده و انرژی که کاملاً نامنظم و نامرتب باشند، از درجه بی نظمی بالائی برخوردار بوده و بدین ترتیب آنتروپی آنها بسیار بالا خواهد بود.

همه می دانیم که نظم و بی نظمی چیست، اگر شما کتابهایتان را مرتب در قفسه ای بچینید، این نشان از نظم و ترتیب است، ولی  اگر همین کتابها  در داخل خانه پخش شود این موضوع در حد بالای بی نظمی است.

بر اساس قانون دوم توان گرمائی(ترودینامیک) ساختارهای منظم، الگوها، ترتیبات سازمان دهی شده انرژی و مواد، همگی از درون بسوی بی نظمی حرکت می کنند. واین جوشش درونی توسط خودشان انجام می شود.

این حرکت درونی که انرژی و ماده  را بسوی آنتروپی فوق العاده بالا هل می دهد، توسط هیج نیروئی از خارج حمایت نمی شود.

بدین ترتیب تمایل انرژی و ماده از حالت بی نظمی و در هم ریختگی، یعنی آنتروپی بسیار بالا فرآیندی خلق الساعه و خود بخودی(Spontaneous Process) است. بنظر می رسد این فرآیند خود انگیخته، در کل هستی ساری و جاری باشد و در کل ،جهان هستی بسوی بی نظمی در حال حرکت است، پایان و فرجام جهان هستی در واقع تلاش و در هم ریختگی ماده و انرژی خواهد بود، اینکه پس از این فرآیند چه اتفاق دیگری رخ می دهد تا حدود بسیار زیادی ناشناخته است.

لذا موتور یک خودرو(automobile) بصورت خود انگیخته ئی  انرژی بالقوه شیمیائی با آنتروپی پائین ناشی از مصرف بنزین را به انرژی تنزل درجه یافته(گرمای هدر رفته) تبدیل می کند و آنتروپی آنرا بالا می برد.

به همین ترتیب سایر انرژیهای بالقوه شیمیائی با آنتروپی پائین، بصورت خود بخودی تبدیل  به گرمای ضایعاتی گشته و بدین ترتیب آنتروپی آنها بالا می رود.

لازم به توضیح است که قانون آنتروپی(The entropy law) و فرآیند تغییرات خود انگیخته  در خصوص مواد نیز کاربرد دارد.

بدین ترتیب  هر ماده در طبیعت توسط نیروهای آنتروپی از  حالت نظم به بی نظمی تنزل درجه یافته و نقصان کیفیت می گیرد، لذا آنتروپی آنها  بالا می رود، موادی که تحت این فرآیند خودبخودی تخریب می شوند، مجدداً و بصورت خود انگیخته ئی  به نظم و سازماندهی بر نمی گردند، مگر اینکه نیروی دیگری از برون آنها را بسوی نظم و سازمان دهی هدایت و بازسازی کند، این چنین فرآیندی، پروسه ی به نظم در اوری

(nonspontaneous process) نام دارد.

لذا انسان و سایر موجودات زنده می توانند تحت شرایطی خاص و با بکارگیری فرآیندهائی، از هم درفتگی انرژی و مواد(آنتروپی بالا)  را تا حدودی و بصورت نسبی، سازمان بندی و دوباره سازی(آنتروپی پائین) کنند، لذا بازیافت و تبدیل ضایعات به مواد اولیه قابل استفاده بخشی از این پروسه تلقی می گردد.

 

بالانس و تعادل ماده و انرژی در محیط زیست:

قانون بقاء ماده، قوانین توان گرمائی و قانون بسیار مهم آنتروپی (Entropy) نقش بسیار مهم و اساسی در برقرارسازی پایداری در محیط زیست دارند. و می توانند در برطرف کردن مشکلات محیط زیستی پایه و اساس تحقیقات باشند.

مسائلی از قبیل آلودگی،کاهش منابع طبیعی و تحلیل  ضایعات  همگی در برگیرنده، جریان انرژی و مواد بین جامعه و محیط زیست میباشند.

تهی کردن منابع طبیعی و رهاسازی انواع آلاینده ها همگی به واسطه استخراج و فرآوری انرژی و ماده برای تولید کالاها و خدمات است.

این فرآیندها همگی توسط قوانین فیزیکی و شیمیائی حاکم بر طبیعت قابل تبیین می باشد. و تمام نقل و انتقالاتی که بر انرژی و ماده حاکم است، تحت پیگیری شدید قوانین طبیعی قرار دارند. روشی که برای روشن کردن وضعیت ماده و انرژی در محیط زیست مورد استفاده قرار می گیرد. روش بالانس و تعادل ماده و انرژی نام دارد.

بالانس و تعادل توسط حفاظت ماده و انرژی قابل تعریف است، بدین معنی که مقدار انرژی و موادی که در یک فرآیند وارد می شود(ورودی) باید معادل و مساوی مقدار ماده و انرژی باشد که از آن پروسه(خروجی) خارج می گردد.

از آنجائیکه انرژی و ماده غالباً با هم برای تولید کالا و محصولات مورد استفاده قرار می گیرند.

لذا مفهوم بالانس و تعادل در خصوص هر دو کاربرد دارد، مثال ذیل بالانس ماده و انرژی  در یک نیروگاه  ، که با سوخت ذغال سنگ کار می کند، را نشان می دهد:

الف)بالانس و تعادل مواد:

فرض کنید در این نیروگاه به میزان 280 گرم کربن، 45 گرم خاکستر و 9 گرم سولفور بعنوان ماده ورودی، وارد می گردد، لذا داریم:

کل مواد ورودی334=9+45+280

مواد خروجی از نیروگاه بقرار ذیل است:  280  گرم کربن از دودکش نیروگاه خارج می شود، 13.5 گرم خاکستر در ته کوره باقی مانده(خروجی) و 31.4 گرم نیز پراخاکستر از حذف کننده ذرات بعنوان خروجی بعدی باقی می مانند و نهایتا0.1 گرم پراخاکستر دیگر از دودکش خارج می گردد.

7.6 گرم سولفور از دستگاه حذف کننذه سلوفور خارج می شود و 1.4 گرم سولفور هم از دودکش ها خارج می گردد، لذا داریم :

گرم ماده خروجی334=1.4+7.6+0.1+31.4+13.5+280

بطور کلی داریم 334 خروجی = 334 ورودی.

ب) بالانس و تعادل انرژی:

در این نیروگاه به مقدار 2581 کیلوکالری ذغال سنگ وارد نیروگاه می شود. پس ورودی مساوی است با 2581 کیلوکالری.

انرژیِ خروجی از نیروگاه عبارت است از، 336 کیلوکالری گرمای هدر رفته که از دودکش ها که  در فضا منتشر می شود.

52 کیلوکالری گرمای ضایعاتی از توربین و 1213 کیلوکالری گرمای ضایعاتی از کاندسور خارج می شود و نهایتاً 980 کیلوکالری برق تولید می گردد.

لذا داریم:

انرژی خروجی 2581= 980+ 1231+ 52+ 336

کارائی این نیروگاه عبارت است از:

 

کارائی %38 = 980/2581*100 9802581