دروس في التربية الطاقية

تحويل المحروقات والحصول على الطاقة
 

تحويل المحروقات والحصول على الطاقة

الأهداف :

يتيح هذا الدرس لتلميذ :

1) التعرف على بعض أنواع المحروقات.

2)  صف استعمالات مختلفة للطاقة المستمدة من هذه المحروقات.

3)التعرف على الطرق والوسائل التي نستعملها لتحويل الطاقة المختزنة بالمحروقات من شكلها الأولي إلى أشكال يسهل علينا استعمالها لقضاء حاجياتنا. والتعرف كذلك على الطاقة الضائعة أثناء التحويل.

 الميادين المعنية : النشاط العلمي.

 المستوى :   الثامن والتاسع.

 المدة المخصصة للدرس :

حصة أولية للمناقشة ومدخل إلى الأشغال التطبيقية 1،

حصتين للبحث حول مختلف تعريفات المحروقات ووسائل تحويل الطاقة التي توجد في الأشغال التطبيقية 2 و3

وحصة ثالثة لإتمام الأعمال التطبيقية ومناقشة النتائج.

 الكفاءة المطلوبة : القدرة على القيام ببحث في المنجد  والمراجع الأخرى من مكتبة المدرسة.

 المصطلحات : الطاقة الكيميائية، الاحتراق، التحويل الطاقي، كفاءة الآلة، مردود التحويل، الطاقة الضائعة عند التحويل، الطاقة الكهربائية، محطة لانتاج الطاقة الكهربائية، آلات وطرق تحويل الطاقة، المحروقات الأحفورية، خلايا الاحتراق، الطاقة الميكانيكية، الطاقة النووية، محطة نووية، التركيب الضوئي، الخلايا الشمسية، الطاقة الشمسية، الطاقة الهوائية، الطاقة الحرارية.

المصدر:

نظرة إلى تاريخ استعمال المصادر الطاقية

ترتبط حياة الإنسان بالطاقة، وقد استعمل الإنسان على مر العصور مختلف التقنيات لتحويل الطاقة من شكلها الأصلي إلى شكل يسهل العمل به. هناك مسألتان من الواجب أن يطلع عليها ويفهمها التلاميذ :

 أولا، يعتبر المخزون الطبيعي لبعض المصادر الأحفورية جد محدود، وإذا استمر الإنسان في استهلاكها بشكل غير عقلاني،  ستنضب ولا شك هذه المصادر في المستقبل القريب. ولهذا الشأن ، يُسمى البترول، الفحم الحجري، الغاز الطبيعي يسمون بالمصادر غير المتجددة.

وثانيا، عند تحويل هذه المصادر للحصول على شكل طاقي قابل للاستعمال، فجزء مهم من الطاقة المحولة تضيع في شكل طاقة حرارية. ولا توجد أي تقنية يمكنها أن تقوم بعملية التحويل بكفاءة 100 في 100، حتى جسم الإنسان لا يستطيع ذلك. كذلك فإن جزء من الطاقة التي يحتوي عليها المحروق لا تتحول وتبقى في شكلها الأصلي  : طاقة كيماوية. إذن المسالة خاصة بكفاءة تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. ولهذا كمستعملين للطاقة يجب أن نكون على وعي بكفاءة الآلات التي نستعملها في تحويل الطاقة.

عند استعمالنا للطاقة، نقوم بتحويلها من شكل إلى آخر. غالبا ما تكون الطاقة المختزنة بالمحروقات  كالبنزين والغاز الطبيعي وما إلى ذلك من المصادر الأحفورية في شكل لا يمكننا استعماله مباشرة، إذن لاستعمالها يجب تحويلها إلى الشكل أو الأشكال الطاقية المطلوبة.

تختزن المحروقات الكربوهيدروجينية كالبترول والفحم والخشب وحتى الطعام الذي نتناوله، الطاقة في النظام الكيماوي للمحروق، وتحرر هذه الطاقة عند تفاعل هذه المواد مع الأكسجين وهو ما نسميه بعملية الحرق. مثلا المواد الغذائية تحتوي على كمية من المواد القابلة للاحتراق بداخل الجسم، وعند تناولنا للغداء، يقوم جسمنا بعملية الحرق ونتوصل عندها بالطاقة التي تدفئنا ونستعملها في حركاتنا. إذن فالطاقة المخزونة في شكلها الكيماوي بالمواد الغذائية هي التي تمدنا بالقدرة على القيام بالعمل، وبفضلها يكون جسمنا نشيطا، ويحتفظ بدرجة حرارة مستقرة.

فالطاقة المختزنة في المحروقات الكربوهيدروجينية تحرر عند عملية التحويل بطريقة من طرق التحويل. فمثلا، نستعمل جهاز أو آلة أو محرك الذي يقوم بعملية التحويل من شكلها الأصلي إلى شكل يمكن استعماله كطاقة حرارية في الأفران مثلا  أو طاقة  حركية في السيارات أو طاقة كهربائية في المحطات الحرارية.

الكهرباء، تعتبر حليا الشكل الطاقي الأكثر استعمال، وتُنتج عن طريقة تحويل المولدات الكهربائية للطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. وهناك تقنيات تحويل متعددة تستعمل مختلف المصادر الطاقية : كالمحروقات الأحفورية من بترول وغاز طبيعي أو الطاقة المائية في السدود وما إلى ذلك وتحويلها إلى كهرباء. وعندما تنقل إلينا الكهرباء نحولها مرة أخرى إلى أشكال طاقية نحتاجها في حياتنا كالإنارة بالمصابيح أو طاقة ميكانيكية أو شكل آخر.

ويعتبر مردود التقنيات المستعملة في تحويل الطاقة إلى الشكل المطلوب جد مهمة، وذلك لحصولنا على طاقة بتكلفة مقبولة وبضياع أقل للطاقة الأولية في شكل طاقة حرارية.

للفهم :

المحروق هو عبارة عن مادة تُختزن بها الطاقة في شكل كيماوي وتحررها عند تفاعلها مع الأكسجين وهذه العملية تسمى عملية الاحتراق ،

تتوفر تقنيات متعددة لتحويل مختلف مصادر الطاقة إلى أشكال طاقية تستجيب للاستعمال المطلوب،

عموما ليست هناك تقنيات لتحويل الطاقة بمردود 100 في 100،

الطاقة التي تضيع أثناء التحويل تكون غالبا على شكل طاقة حرارية.

 أسئلة للمناقشة :

1)  ما هي الطرق الأخرى المستعملة في تحويل الطاقة من شكلها الأصلي إلى شكل آخر؟

2)  ما هي الأشكال الطاقية التي تنتج عن هذه التحويلات؟

3)  هل هناك نسبة من الطاقة تضيع عند التحويل ؟ وفي أي شكل؟

إمكانية توسيع وتغيير في الدرس :

مناقشة الطرق التي تمكن من تحقيق مردود معقول لبعض الآلات. القيام ببحث على كيفية اشتغال كل آلة ومردودها، الاستعانة بالأشغال التطبيقية 3.

يمكن للأستاذ أن يضيف وسائل أخرى لتحويل الطاقة ، مثلا : مجمع شمسي، مروحة لانتاج الطاقة الكهربائية، مولد كهربائي، فرن شمسي.

عمل بحث دقيق عن وسيلة تقنية واحدة كتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية ( للتدفئة).

توزيع صور للأشغال التطبيقية  المواد

1  و2  و3   على التلاميذ.

طريقة العمل  :

1)  يقدم الأستاذ الأفكار والمعلومات الخاصة بالأشغال التطبيقية 1،

2) الأشغال التطبيقية 2 : تلقين التلاميذ كيفية استعمال المنجد والموسوعات العلمية، والبحث في الكتب أو المجلات التي لها علاقة بالموضوع، للحصول على المعلومات الضرورية لإنجاز الأشغال التطبيقية،

3)  الأشغال التطبيقية 3 : استعمال النتائج المحصل عليها في الأشغال التطبيقية 2  وملأ الجدول،

4) تكوين مجموعات صغيرة من التلاميذ، تحديد قائمة آلات تحويل الطاقة التي على كل مجموعة دراستها واستعمال المعلومات المطروحة في الأشغال التطبيقية 3، والقيام ببحث في مكتبة المدرسة لتتميم المعلومات في جدول لكل آلة أو طريقة تحويل الطاقة.

5)  حث كل مجموعة من التلاميذ على مقارنة نتائجهم مع المجموعات الأخرى ومناقشة النتائج والأجوبة على الأسئلة الآتية :

أ‌)         هل يمكن اعتبار جسم الإنسان أداة لتحويل الطاقة؟ من أين يستمد الجسم طاقته؟ وفي أي شكل يحولها؟

ب‌)  هل هناك طريقة أو آلة تقوم بتحويل كل الطاقة إلى شكل آخر؟ هل هناك الطاقة ضائعة أثناء عملية التحويل؟ وإذا كان نعم،  ففي أي شكل تكون؟

ت‌)  ما هي الآلة أو الجهاز الذي يقوم بعملية التحويل بكفاءة عالية؟ وما هي الآلة أو الجهاز الذي يرونه التلاميذ يقوم بعملية تحويل بمردود ضعيف؟

ث‌)    ما هي الآلات المحولة للطاقة التي يستعملها الأطفال باستمرار؟

ج‌)      هل يعرف التلاميذ أن هناك محروقات من نوع مخالف للمحروقات الأحفورية والتي يمكن استعمالها في المستقبل؟

ح‌)      ما هي الطرق التي يمكن استعمالها لتحويل الطاقة في المستقبل؟

تنظيم العمل :

يجب على الأستاذ أن يتابع أعمال التلاميذ الذين يشتغلوا على الأشغال التطبيقية 2 المتعلقة بالمحرقات وعلى الأشغال التطبيقية 3 المتعلقة بوسائل التحويل، للوقوف على الصعوبات والمشاكل التي يجدونها. جمع المعلومات الخاصة بتقنيات التحويل كمحركات السيارات، ومحركات الدراجات النارية، آلات الكهربائية المستعملة في المنزل. طلب من التلاميذ أن يقوموا ببحث وجمع صور وبيانات في هذا الميدان. استعمال الوثائق، والمراجع المدرسية، لدراسة المصادر الطاقية وجدولة المعلومات المحصل عليها. استعمال الوثائق والمراجع لتعرف على تقنيات ووسائل تحويل الطاقة وترتيبها حسب كفاءتها

مقاربة مقترحة:

أثناء الأشغال التطبيقية 1 يجب تقديم مفاهيم أشكال الطاقة، استعمال الطاقة، تحويل الطاقة، مصادر الطاقة، الاستعمالات الأخيرة لشكل من الطاقة، الطاقات المتجددة، الطاقات غير المتجددة، تقنيات وأساليب تحويل الطاقة، الكفاءة. حث التلاميذ على العمل وإتمام أشغالهم التطبيقية ضمن مجموعات. عرض عينات من أنواع الطاقة كالبنزين، الفحم الحجري، الفحم ، الخشب وما إلى ذلك.

تحذير :

يستوجب هذا الدرس القيام ببحث دقيق حول المصادر، يجب ترسيخ مفهوم واضح حول الموضوع لذى التلميذ.

نقط للنقاش :

المستهلك الحكيم هو الذي يستعمل التقنيات والأساليب ذات مردود مقبول والتي تحافظ ما أمكن على مصادرنا الطبيعية. حدد نشاط  أو عمل يستعمل الطاقة وناقش الأسئلة الآتية :

-       هل هذا العمل مهم ونحتاج إليه فعلا؟

-       هل الوسيلة أو التقنيات التي نستعملها لها مردود مقبول للقيام بهذا العمل؟

-       هل التكلفة تأخذ بعين الاعتبار مدة صلاحية هذا الجهاز وتكلفة الصيانة وتأثيرات هذا العمل على البيئة؟

-       هل يمكن لنا تجنب أو تخفيض ضياع الطاقة عند تحويلها؟

 النتائج :  تعتبر نتائج الأشغال التطبيقية مرآة لجدية وجودة عمل التلميذ.

مراقبة :  ضع مجموعة من الأسئلة حول الألفاظ اللغوية ، مراقبة صحة الأجوبة على المسائل المطروح في الأشغال التطبيقية، وتقييم هذه الأجوبة.

الأشغال التطبيقية 1:

دليل مصطلحات الطاقة

الطاقة بشكل عام:

الطاقة هي القدرة على العمل، القدرة على تحريك الأشياء مثلا. نجد أنواع  وأشكال متعددة لطاقة،  كالطاقة الكهربائية، الطاقة الميكانيكية، الجاذبية الأرضية، الطاقة الحرارية، الطاقة الكيماوية، الطاقة الشمسية، وما إلى ذلك من الأشكال الطاقية. ويمكن لنا بوسائل التحويل أن نحول شكل طاقي إلى شكل آخر حسب الطلب. والوحدات التي نستعملها لقياس الطاقة هي : الكالوري، الجول، الكيلو واط ساعة.

أشكال الطاقة :

الطاقة الكيماوية : وهي الطاقة التي تُحَرًر عند تفاعل مادتان أو أكثر وتحولهما إلى مادة جديدة.

الطاقة الكهربائية : وهي الطاقة التي يحتوي عليها تيار الإلكترونات. ويمكن تحويلها إلى أشكال أخرى مطلوبة : كالإنارة، التدفئة، الحركة، أو الصوت.

الطاقة الميكانيكية : طاقة تحصل عن حركة شيء، مثلا الطاقة الناتجة عن حركة محرك السيارة .

الطاقة النووية : طاقة ناتجة عن الانشطار النووي  أو الاندماج النووي. وفي حالة ضبط هذا التفاعل والتحكم فيه، تستعمل الحرارة المنبعثة عند التفاعل لإنتاج الطاقة الكهربائية.

الطاقة الحرارية : هي الطاقة الناتجة عن حركة الجزيئات في المادة ، صلبة كانت أو سائلة  أو غازية.

المصادر الطاقية :

المصادر الطاقية الأحفورية، هي المحروقات المخزونة في شكل فحم حجري أو بترول أو غاز طبيعي، ويطبق هذا المصطلح على كل المحروقات التي تكونت من المواد العضوية ( حيوانات ونباتات ) وتحللت في بيئة معدومة الهواء  خلال ملايين السنين تحت سطح الأرض. وهي مكونة من مواد هيدروكربونية (مركبات الكربون والهيدروجين).

 الطاقة الشمسية، وهي الطاقة الناتجة عن الإشعاع الشمسي،  تتلقى الأرض هذه الطاقة في شكل ضوء وحرارة.

المصادر النووية، وهي المواد التي تتكون من ذرات  قابلة للانشطار.

التحويل الطاقي :

التحويل : وهو تحويل مادة  أو طاقة من شكل إلى آخر.

التركيب الضوئي : وهي المراحل التي تستعمل فيها النباتات الطاقة الشمسية وتحولها إلى طاقة كيماوية مختزنة بمواد مركبة. يدمج في عملية التركيب الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء بفعل ضوء الشمس والكلوروفيل لتكوين الهيدروكربونات والأكسيجين.

الاحتراق : وهو العملية العكسية للتركيب الضوئي، تحرق الكتلة العضوية لتمدنا بالطاقة الحرارية.

ضياع الطاقة عند التحويل : وهي الكمية الطاقية التي لا تستعمل أو تعيق الاستغلال في حالة عدم التخلص منها عند عملية تحويل شكل طاقي إلى شكل آخر وغالبا ما تضيع هذه الكمية في شكل حرارة.

أساليب تحويل الطاقة:  هي عبارة عن آلات وتقنيات تحويل الطاقة من شكل إلى آخر.

مردود التحويل :  وهي النسبة المئوية من الطاقة  المستعملة إلى الطاقة الأصلية بعد عملية التحويل.

المردود = ( الطاقة المستعملة/الطاقة قبل عملية التحويل) مضروبة في 100

بعض تقنيات تحويل الطاقة:

خلايا الاحتراق : هي  خلايا لتحويل المحروقات كالهيدروجين أو الغاز الطبيعي مباشرة من شكلها الكيماوي إلى طاقة كهربائية.

محطة حرارية لإنتاج الطاقة الكهربائية : تُستعمل المحروقات من بترول  أو غاز طبيعي لإنتاج بخار الماء تحت ضغط مرتفع، ويُستعمل الضغط الناتج لتشغيل التوربينات وبالتالي المولدات الكهرباء للحصول في النهاية على الطاقة الكهربائية.

المحطات النووية : تُستعمل الطاقة الحرارية المنبعثة من قوة الانشطار النووي لإنتاج ضغط بُخاري، وتتولى بعد ذلك التوربينات والمولدات الكهربائية إنتاج الطاقة الكهربائية.

الخلايا الشمسية أو الكهروضوئية : وهي خلايا تقوم بإنتاج الكهرباء دون حاجة إلى وسيط، فهي تحول طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية.

محرك البنزين أو ديزل ؛ محرك كهربائي؛. .  الخ.

الأشغال التطبيقية 2

البحث عن المعلومات الخاصة بالمحروقات التي توجد في الجدول وإتمام الجدول.

الطاقة مخزونة غالبا في شكلها الكيماوي، تجدون في الجدول شكلان معروفان من الطاقة الكيماوية.

أساليب وتقنيات التحويل	الاستعمال	أمثلة	تعريف	المحروقات
				السكريات والنشويات
				كربوهيدرات

المواد التي تحتوي على الطاقة في شكل كيماوي نسميها محروقات

أتمم المعلومات حول خمس محروقات مطرحة في الجدول

أساليب وتقنيات التحويل	الاستعمال	أمثلة	تعريف	المحروقات
				المواد الغذائية
				الخشب
				البترول
				الغاز الطبيعي
				الفحم

الأشغال التطبيقية 3

تحويل طاقة المحروقات

البحث عن المعلومات الخاصة بمختلف الآلات والأساليب المستعملة لتحويل الطاقة وملأ الجدول

 

شكل التحويل	النسبة الضائعة	معدل الكفاءة	المحروق المستعمل	أساليب وتقنيات التحويل
كيماوي   !    كهربائي	40 %	60 %	كربوهيدرات هيدروجين	خلايا الاحتراق
		80 %		فرن الغاز
		80 %		فرن البترول
		38 %		محرك الديزل
		25 %		محرك البنزين
		40 %		محطة كهربائية تشتغل بالمحروقات الأحفورية
		30 %		محطة نووية