أسئلة وإجابات في موضوع الطاقة الكيميائية، طاقة الأشعة، الطاقة النووية

أسئلة وإجابات في موضوع الطاقة الكيميائية، طاقة الأشعة، الطاقة النووية

الطاقة الكيميائية

المواضيع الرئيسية

1. الغذاء. كمية الغذاء اللازمة للفرد،تحولات الطاقة في الجسم.
2. عملية التركيب الضوئي–النباتات والطحالب.
3. تفاعلات وقود لاستخراج طاقة متوافرة –مقارنة بين النفط،الغاز وانواع وقود أحفوري أخرى.
4. كمية الوقود في السيارةلقطع مسافة محددة  (النجاعة في تحولات الطاقة من الوقودالى طاقة الحركة).
5. الهيدروجين كوسيط لخزن الطاقة ونقلها.

السؤال 1

على غلاف رزمة كاكاو مُر ذات الوزن 100 غرام،سُجِّل بأنه يحتوي على 500 كيلوكلوري.

           أ‌.          أي العمليات التالية: السقوط، تغيير السرعة،أو  الهضم هي الأنسب لتغيير قيمة الطاقة المدونة على الرزمة؟

         ب‌.        إذا أكلنا رزمة كاملة من الكاكاو المُر،  هل كمية الطاقة التي نحصل عليها تكون كافية لرفهع 1 كغم إلى ارتفاع 1 متر؟

حل السؤال 1:

أ.الهضم

ب.كمية الطاقة اللازمة لرفع  1 كغم لارتفاع متر واحد هي:

E = mgh = 1 [kg] * 10 [m/s²] * 1 [m] = 10 [kg*m²/s²] = 10 [J]

كمية الحرارة التي حصلنا عليها من رزمة الكاكاو في وحدات الجول هي:

E = 500 [kCal] = 500*4.2 [kJ] = 2,100 [kJ] = 2,100,000 [J]

أي أن كمية الطاقة التي حصلنا عليها من أكل الكاكاو، يمكنأن تكفي لرفع هذه الكتلة 200 مرة. نلاحظ أن كمية الطاقة التي يمكن إدخالها إلى الجسم نتيجة عملية الهضم يمكن أن تكون عالية جدًا وهذا هو سبب السمنة والصعوبات التي يواجهها الناس عندما يحاولون تخفيف أوزانهم  بواسطة الرياضة.

السؤال 2

في عملية التركيب الضوئي، تمتص النباتات أشعة الشمس ونحصل من ذلك على مواد جديدة، عملية تحويل طاقة الأشعة إلى طاقة كيميائية: طاقة الأشعة صغرت والطاقة الكيميائية كبرت. نجاعة تحويل الطاقة الضوئية الى كيميائية هي %2 (هناك من يقول بأنه%6 في ظروف المختبر). لو تمَّ امتصاص الضوء باكمله، عندها تكون الطاقة الناتجة من 1 متر مربع هي 1 كيلواط (اي 1000 جول في لثانية). ما هي كمية الطاقة الحقيقية التي تُضاف للنباتات، خلال ساعة، التي تغطي مساحة 100 متر مربع؟

حل السؤال 2:

لكي نجيب عن السؤال، يجب أن نحسب كمية الطاقة القصوى التي يمكنأن تُضاف إلى مساحة مقدارها 100 متر مربع في الساعة الواحدة. نحسب أولاً عدد الثواني في الساعة:

60*60 = 3,600 [s]

أي أنه في الساعة الواحدة، يمكن أن تُضاف إلى 100 مربع طاقةأقصاها:

3600 [s]*100 [m²] *1 [kW] = 360,000 [kJ]

وبما أن النجاعة هي %2،لذا الزيادة في الطاقة الكيميائية لا تتعدى:

360,000 [kJ]*0.02 = 7,200 [kJ]

السؤال 3

تمتص الخلايا الشمسية  ضوئًا وتُنْتِج تيارًا كهربائيًّا،في هذه العملية تتحول طاقة أشعة إلى طاقة كهربائية: الطاقة الضوئية تصغر والطاقة الكهربائية تكبر، نجاعة هذا التحول بواسطة الخلايا الشمسية التجارية  حتى سنة 2012 يمكن أن تصل %20.

احسبوا المساحة اللازمة لإنتاج طاقة كهربائية قدرتها 1 ميجاواط بواسطة خلايا شمسية في ساعات الظهيرة.

حل السؤال 3

§    1 ميجاواط يعادل  1,000 كيلواط ،أو مليون واط (معدل الاستهلاك البيتي هو بضع كيلواطات)

§      من متر مربع واحد، من خلايا شمسية في ظروف مثلى، يمكن أن نُنْتِج حوالي 200 واط كهرباء

(%20من 1000 واط).

§      للحصول على مليون واط (ميجاواط)، يجب أن نحسب، كم مرة يتكرر العدد 200 واط  في مليون واط:

1,000,000/200 = 5,000 [m²]

هذه المساحة تعادل مساحة مستطيل طوله 100 متر وعرضه 50 مترًا.

السؤال 4

تظهر في الجدول أدناه  عدة أنواع منالوقود الأحفوري وكذلك الكمية التي نحصل عليها من حرق 1 كغم، من  كل منها. وحدات الطاقة التي تظهر في الجدول هي بالميجا جول ( مليون جول) للكغم. قارنوا بين أنواع الوقود المختلفة واختاروا،أي منها هيالأفضل للتدفئة البيتية. اشرحوا اعتباراتكم في اختيار نوع الوقود:

كثافة الطاقة[MJ/kg]	نوع الوقود
47	Gasoline (petrol) بنزين
45	Diesel سولر
46	Propane(including LPG) غاز بروبان
43	Jet fuel, Kerosene كيروسين
37	Fat (animal/vegetable) زيوت من الكائنات الحية والنباتات
24	Coal الفحم الحجري
17	Carbohydrates (including sugars)سكريات
16.8	Proteinبروتينات
16.2	Wood حرق خشب

السؤال 5

أُجريت تجارب على استهلاك الطاقة في السيارات التي تحرق وقود، وقد بيَّنت هذه التجارب أنه من حرق 1 لتر بنزين، نستطيع الحصول على 35 مليون جول.السيارة العائلية التي معدل سرعتها 80 كم\ساعة، تستهلك معدل 1 لتر وقود لكل 10 كيلومترات. نفترض أنها تسير بسرعة ثابته (تسارع السيارة، يستهلك وقود أكبر ﺑ 5 مرات مما تستهلكه في السرعة الثابته), احسبوا قدرة حركة السيارة.

أ‌.         ما هي المدة الزمنية ( بالثواني) اللازمة لكي تقطع السيارة 10 كم؟

ب‌.     ماهي قدرة احتراق الوقود في السيارة ( الطاقة الناتجة في وحدة زمن)؟

حل سؤال  5:

أ. السيارة تقطع خلال ساعة (3600 ثانية) 80 كم، لذلك تقطع 10 كم خلال 8/1 هذا الزمن :3600/8 = 450ثانية

ب. القدرة تكون التغيير في الطاقة اثناء الحرق،تقسيم المدة الزمنية التي تمر حتى إنتهاء العملية: P = E/t

35,000,000/450 = 77778جول/ثانية أوحوالي  78 كيلواط.

انتبهوا، القدرة البيتيه المتوسطة أقل من 5 كيلواط !

طاقة الاشعة الالكترومغناطيسية.

المواضيع الاساسية

1. التطرق إلى أشعة الشمس والطيف الإلكترمغناطيسي،أشعة غير مرئية (تحتالحمراء،فوق بنفسجية، ميكروجال وغير ذلك).
2. طرق استخدام الطاقة الشمسية على الكرة الأرضية، مثلاً: استخدام الخلايا الشمسية، تركيز أشعة الشمس

( أفران شمسية، البرج الشمسي) وحتى استخدامات مستقبلية، مثل: تحولات الطاقة الكهربائية في الاقمار الاصطناعية في الفضاء، وإرسالها بواسطة أشعة ليزر إلى الكرة الأرضية.

3. طاقة الارسال في الهواتف الخليوية وهوائيات خليوية. الوقاية عند الاستعمال.

السؤال 1

غالبية الطاقة التي تصلنا من أشعة الشمس  تكون على شكل أشعة الكترومغناطيسية.

التسمية أشعة فوق بنفسجية – تتضمن في داخلها 3 مجالات الطيف التي يرمز لها بالاحرف الانجليزية:

UV-A, UV-B, UV-C. فقط واحد منها يُستخدم في عمليات الحياة، أما الأخرى خطيرة وتضر بالاأنسجة البيولوجية،أشيروا إلى المجال المناسب للحياة.

الطاقة النووية

المواضيع الاساسية:

1. في العمليات النووية المختلفة، لا يتحقق قانون حفظ الكتلة" كتلة المواد المشتركة في العملية تقل وتسخن، ثم تُطلق إشعاعًا، هذه العملية هي تحول طاقة: الطاقة المتعلقة بالكتله تقل والطاقة الحرارية  والاشعاعية تكبر.

2. قانون اينشتاين لتحويل الكتلة الى طاقة هي: E = m*c².

3. المقارنة بين العمليات: انشطار نووي، دمج نووي،النشاط الإشعاعي بالمقارنة مع التفاعلات الكيميائية.
4. مخاطر الطاقة النووية.
5. كمية المادة المطلوبة للقنبلة النووية.
6. كمية النفايات النووية, التي تنتج في مفاعل الشطر النووي.
7. مدة صلاحية المفاعل النووي (استعمال) والمشاكل المتعلقة بهدمه.
8. استغلال أقصى للطاقة- عملية اختفاء مادة ومضاد المادة.

أسئلة:

المقارنة بين العمليات الكيميائية والعمليات النووية: الزيادة في الطاقة الناتجة من التفاعل الكيميائي(مثل الحرق) للكغم وقود هي من 30-60 ميجا جول بالمقارنة مع العملية التي تتم في مفاعل انشطار نووي، حيث تنشطر نواة عنصر ثقيل مثل نواة اليورانيوم الى أنوية عناصر اخف. في هذه العملية، تقل كتلة المادة بمقدار %0.04 والطاقة التي نحصل عليها من 1 كغم يورانيوم هي 80 مليون ميجا جول.

في العملية التي تتم في مفاعل الدمج النووي ( لم يتم استخدام هذا النوع من المفاعل النووي  حتى الآن،في سنة 2015، سيستخدم المفاعلالأول). تندمج أنوية عناصر خفيفة مثل عنصر الهيدروجين، لإنتاج عنصر أثقل مثل الهيليوم. في هذه العملية، تقل كتلة المادة بمقدار %0.3 والطاقة التي تنطلق تساوي 270 مليارد كيلوجول.

أ‌.         كم مرة الطاقة التي نحصل عليها من عملية الانشطار النووي أكبر من تلك الطاقة التي نحصل عليها من التفاعل الكيميائي؟

ب‌.     كم مرة الطاقة التي نحصل عليها من 1كغممادة مرَّت بعملية دمج نووي أكبرمن تلك الطاقة التي نحصل عليها من التفاعل الكيميائي؟

ت‌.     من أين،بحسب رأ]كم , يمكن الحصول على الهيدروجين اللازم للقيام بعملية دمج النووي. ما هي الأبعاد الناجمة عن ذلك؟

الملحق ذ - المواد والادوات اللازمة لهذه الوحدة التعليمية ( للمجموعة)

قانون اوم: 3 مصابيح(V 3.8) ،أمبيرمتر،فولطمتر،مزود طاقة (أو ثلاث بطاريات)

النجاعة:

(1) شمعة،كأس ماء صغير (100 سم مكعب) ميزان حرارة،ساعة ضبط الوقت

(2) إبريق كهربائي، ميزان حرارة, ساعة ضبط.

مختبر بحث

1.تسخين بمساعدة تغيير الضوء: جسم (الومينيوم)و/أوانبوبة اختبار مملؤة بالماء، وقد طُليت جدرانها باللون الأسود،أو غُلِّفت بغطاء غامق مغروس فيه ميزان حرارة. الجسم مغلف بمادة عازلة باستثناء قاعدته . مصدر اضاءة قوي. عدسة لتركيز الضوء ذات قُطر كبير،ساعة يد.

2.التسخين بمساعدة تغيير الارتفاعI: دولاب حول محوره ملفوف خيط وبطرفه الآخر ثقل. الخيط ملفوف على أسطوانة ثبت في داخلها ميزان حرارة، عند سقوط السلة يحتك الخيط بالاسطوانة (الأسطوانة النحاسية مثبتة داخل إطار خشبي) مسطرة (من الأفضل أن يكون طولها 1 متر).

3. التسخين بمساعدة تغيير الارتفاعII: دولاب حول محوره ملفوف خيط وبطرفه الآخر ثقل. الخيط ملفوف على أسطوانة ثبت في داخلها ميزان حرارة، عند سقوط السلة يحتك الخيط بالاسطوانة (الأسطوانة النحاسية مثبتة داخل إطار خشبي) مسطرة (من الأفضل أن يكون طولها 1 متر).

4. التسخين بمساعدة تغيير الحركةI: دولاب حول محوره ملفوف خيط وبطرفه الآخر سلة اثقال(الخيط في هذه الحالة غير مثبت في ادولاب). الخيط ملفوف على أسطوانة ثبت في داخلها ميزان حرارة، عند سقوط السلة يحتك الخيط بالاسطوانة (الأسطوانة النحاسية مثبتة داخل إطار خشبي) مسطرة (من الأفضل أن يكون طولها 1 متر).

5. التسخين بمساعدة تغيير الحركةII: عجل دراجة،جهاز ايقاف مكون من ميزان حرارة رقمي مزود بذراع تلامس طويل. مقياس سرعة

6. التسخين بمساعدة التغيير الكهربائي: مزود طاقة. جسم معدني مغلف بعازل حراري ومغروس فيه ميزان حرارة. داخل الجسم يوجد مقاوم كهربائي موصولة بأسلاك وصل خارجية تمكننا من ايصال دائرة كهربائية،أمبيرمتر، فولطمتر، مواد موصلة، ساعة.

7. التغيير الذي يحصل لحظة تلامس اجسام مختلفة في درجة الحرارة:كأس ماء ساخن; وعاء يحتوي على جليد،, ثلاثة أجسام من الألومنيوم مغروس فيها ميازين حرارة،عازل حراري.

8. تسخين عن طريق الحرق: جسم من الألومينيوم مغروس فيه ميزان حرارة.الجسم مغلف بمادة عازلة باستثناء قاعدته،شمعة،ساعة يد.

9. تبريد عن طريق التلامس مع جليد: جسم من الالومينيوم مغروس فيه ميزان حرارة.الجسم مغلَّف بمادة عازلة باستثناء قاعدته،شمعة،ساعة.

الخلايا الشمسية وطرق استخدامها

§      خلايا شمسية من أنواع مختلفة،  للعرض بواسطة المعلم،في كل محطة 10 خلايا متماثلة.

§      مصباح قراءة لإضاءة اقوية،يمكن نصب الخلايا الشمسية تحت أشعة الشمس ( يمكن أن نقوم بذلك خارج الصف).

§      جهازان متعددا القياسلقياس الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي. يمكن استخدام مقياسين منفصلين،من الأفضلأن يقوم المعلم بتوجيه االتلاميذ للقيام بذلك.

§      24 سلك توصيل(10-20 سم) رفيعة،مثبت في أطرافها فك تمساح،اذا توفرت أسلاك مع وصلة على شكل موزة،يجب توفير عدد من قطع فك التمساح .

§      مصابيح توهجصغيرةداخل قواعد.

§      صمامات كهربائية مشعة(LEDs)بألوان مختلفة (من كل نوع واحد)موصولة بمقاومات كهربائية للحد من التيار. عند الحاجة،يمكن استخدام صمامات كهربائية مشعة،يجب استخدام قواعد المصابيح.

§      محركات جهد ثابت- تعمل بجهد منخفض (يفضل محركين: الأول ذا جهد منخفض وتيارعال،والآخر ذا جهد عال وتيار منخفض).

§      أجراس تعمل بجهد منخفض.

§      بطارية 1.5 فولطصغيرة (AA).

§      مصباح "اضاءة الخيمة" (Christmas Light).