אנרגיה והמרתה מטרות לימודיות 1 לזהות סוגי

אנרגיה והמרתה מטרות לימודיות: 1. לזהות סוגי אנרגיה שונים, שימושם במערכות טכנולוגיות וההיבטים הסביבתיים הנלווים לשימוש בהם. 2. לתאר ולהפעיל מנגנונים להעברה ולהולכת אנרגיה. 3. לנתח תהליכים שונים להמרת אנרגיה. קישורים: 1. מילון מונחים "אנרגיה בהיבט רב תחומי" 2. צריכת אנרגיה בישראל משימת סיכום מפת מושגים מקורות: מכון וייצמן – רמי אריאלי אביב – קורסים וריטואלים אבי חדד רשת האינטרנט

מבוא אנרגיה – פעולה , פעילות. מושג יסוד של הפיסיקה ושל מדע הטבע הפיסיקלי בכללו במשמעותו הפשטנית זהו גודל כמותי שנמדד בערכי עבודה וקובע את כושר העבודה של המערכת הנידונה. )אנציקלופדיה עברית( הגדרה נוספת: אנרגיה היא היכולת להפיק חום, או כל דבר שניתן להמירו לחום. למושג "אנרגיה" יש שלשה אפיונים מרכזיים: 1. ריבוי צורות/סוגים של אנרגיה. 2. אפשרות המרה של אנרגיה מצורה אחת לצורה אחרת. 3. שימור אנרגיה. אבי חדד

רשימת מושגים עיקריים המרת אנרגיה סוגי אנרגיה ואגירתה יצור אנרגיה קינטית אנרגיה אלטרנטיבית חום אנרגיה פוטנציאלית מנוע הולכת חום אנרגיית חום שדה מגנטי הסעת חום אנרגיה כימית זרם חשמלי קרינת חום אנרגיה חשמלית אנרגיה מגנטית מומנט כוח קוטב יחידת מדידה באנרגיה סולרית קיבול חום סגולי חישובים כמותיים אבי חדד

עבודה ואנרגיה מהי ההגדרה הפיזיקלית של עבודה? הגדרה פיזיקלית של עבודה = פעולת כוח לאורך דרך מסוימת )בכיוון הכוח(. הגדרה פשוטה יותר ומובנת יותר של עבודה היא: כמות האנרגיה המועברת אל המערכת או ממנה, לא כולל אנרגיה המועברת בהולכת חום. מהו הקשר בין המושג הפיזיקלי של עבודה לאנרגיה? ביצוע עבודה גורם להעברת )המרת( סוג אחד של אנרגיה אבי חדד לסוגים אחרים.

מהי אנרגיה ? אנרגיה מהווה את הגורם המניע לכל הדברים העולם. למרות זאת לא ניתן באמצעות החושים להבחין באנרגיה: • לא ניתן לראות אנרגיה. • לא ניתן לשמוע אנרגיה. • לא ניתן להריח אנרגיה. • לא ניתן לטעום אנרגיה. • לא ניתן לחוש אנרגיה במגע. אם כך, מהי האנרגיה? אם אין אנו יכולים להשתמש בחושינו כדי לחוש באנרגיה, האם ניתן להגדיר מהי אנרגיה? האם ניתן למדוד אותה? אבי חדד

למרות השמות של סוגי האנרגיה השונים, ניתן לחלקם לשתי קבוצות: 1. אנרגיה הקשורה לתנועה - אנרגיה קינטית. 1. דוגמאות לאנרגיה קינטית: אנרגיה של גוף נע אנרגיית חום - אנרגיה פנימית - אנרגיה של התנועה המולקולרית של החומר. אנרגיית קרינה אלקטרומגנטית )גלי רדיו, קרני , X אור נראה, אור אולטרא סגול, וכו'( - נעים במהירות האור בוואקום. אנרגיית קול -מולקולות מתנודדות, וכו'. 2. אנרגיה הקשורה למצב - אנרגיה פוטנציאלית - אנרגיה אגורה. דוגמאות לאנרגיה פוטנציאלית: גוף הנמצא על פני כדור הארץ ומורם לגובה לעומת גוף אחר - אנרגיה פוטנציאלית כובדית. קפיץ מתוח או מכווץ - אנרגיה פוטנציאלית אלסטית. סוללה חשמלית - אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. אבי חדד

מהם החוקים השולטים בהמרות האנרגיה? כל המרות האנרגיה למיניהן נשלטות על ידי חוקי טבע בסיסיים. החוק הראשון נקרא חוק שימור האנרגיה, החוק קובע: משל "אנרגיה אינה יכולה להיעלם או להיווצר". הקוביות אם כך מה הבעיה? על פי חוק זה נראה שלעולם לא תיגמר לאנושות האנרגיה הקיימת. החוק השני של התרמודינמיקה קובע: "בכל המרת אנרגיה, מצורה אחת לאחרת, חלק מהאנרגיה הופך להיות בלתי ניתן לניצול". כלומר אנרגיית חום דולפת מהמערכת ומחממת את הסביבה. ומכאן – "משבר מקורות האנרגיה. " את כל צורות האנרגיה האחרות ניתן להפוך לאנרגיית חום, אך לא ניתן להפוך במלואה את אנרגיית אבי חדד החום חזרה לסוגי האנרגיה האחרים.

חום וטמפרטורה מהו חום? ומהי טמפרטורה? אנרגיית החום, היא האנרגיה הקינטית של המולקולות הנעות בתוך החומר. מהירות התנועה הממוצעת של המולקולות קובעת את הטמפרטורה הנמדדת. טמפרטורה - משמשת מידה לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות בחומר. כאשר אומרים שלחומר מסוים יש טמפרטורה נתונה, מתכוונים לכך שהאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים המרכיבים את החומר בעלת ערך מוגדר. הטמפרטורה מהווה מדד למעבר חום מגוף לגוף. אבי חדד

מכונת חום רק בשעת זרימת חום מגוף חם לגוף קר אפשר להפיק מן החום אנרגיה אחרת. דוגמה: טורבינה , בריכת שמש , מכונית ועוד. הנצילות המירבית של מכונת חום נתונה ע"י המשוואה)סדי קרנו 2381 -6971( טמפ' במעלות 2 = T 1 – T הנצילות המקסימלית קלוין 1 T 372 + t °k = t °C דוגמה זהו חוק טבע – החוק השני של חישובית התרמודינמיקה אבי חדד

באילו יחידות משתמשים למדידת אנרגיה? היחידה הפיזיקלית המקובלת בשימוש היא ג'אול ) , (Joule הנרשמת לעיתים כ- ג'ול. יחידה נוספת היא קלוריה קטנה. זוהי כמות החום הדרושה להעלאת הטמפרטורה של גרם מים )הנמצאים בלחץ אטמוספרי( במעלה צלסיוס. הקשר בין היחידות: ] 1[Joule] = 0. 239 [cal 1[cal] = 4. 2 [J] =1. 16µ Kwh יחידת ההספק המקובלת: וואט ] [Watt ] 1[W] = 1 [J/s דוגמה חישובית אבי חדד

אלו מקורות אנרגיה עומדים לרשות האדם? כאשר מדברים על מקורות אנרגיה לשימוש האדם, יש להפריד בין מקורות אנרגיה מתכלים , לבין מקורות אנרגיה מתחדשים. בשם מקורות אנרגיה מתכלים נכללים אותם מקורות אנרגיה הנחצבים מקליפת כדור הארץ. ביניהם ניתן לכלול את הנפט הגולמי, הפחם, הגז הטבעי, והאורניום המשמש כדלק לכורים גרעיניים. בשם מקורות אנרגיה מתחדשים כוללים את המקורות המבוססים בעיקרם על אנרגיית השמש, ועל תהליך המיזוג הגרעיני. בין המקורות המתחדשים ניתן למנות את הביומסה, אנרגיית הרוח, המרה ישירה של אנרגיית השמש לחום, המרה ישירה של אנרגיית השמש לחשמל )תאי שמש(, אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה גיאותרמית, וכו'. אבי חדד

מקורות אנרגיה מתחדשים טורבינת רוח הידרו- אלקטרית תאים סולריים דוד שמש סימולציות ביומסה בריכת שמש מקורות אנרגיה מתכל תחנה תרמיתגרעינית תחנה תא דלק אבי חדד

המרת אנרגיה הרעיון: הנעת כנפי הטורבינה ע"י אנרגיית הרוח לסיבוב ציר הגנרטור לקבלת אנרגיה חשמלית עקב המגבלה של גודל הכנפיים משתמשים ב"חוות טורבינות" המפיקות כל אחת 3 -2 מגהוואט. בארץ פועלות מספר טורבינת רוח חזור אבי חדד

המרת אנרגיה הרעיון: ניצול האנרגיה הקינטית של המים לסיבוב כנפי הטורבינה , אשר מסובבת את ציר הגנרטור לקבלת אנרגיה חשמלית בישראל: הוקמה ע"י פנחס רוטנברג בנהריים 8291 כיום מושבתת. בקיבוץ הגושרים- 250 K קוט"ש במעיין ברוך , דרומית לבית-שאן, חזור דוגמה תחנה הידרו- אבי חדד

המרת אנרגיה הרעיון: אור הפוגע בצומת המורכבת משני חומרים חצי מוליכים שונים גורם למעבר אלקטרון בצומת למצב של אלקטרון חופשי היכול לנוע בחומר. ברגע שמחברים מוליך חשמלי היוצר מעגל חשמלי סגור סביב צומת זו, זורמים האלקטרונים דרכה ובכך יוצרים את הזרם החשמלי. שימושים: לווינים , עמודי תאורה במקומות רחוקים מרשת החשמל, מחשבונים ועוד. חיסרון: יקר תאי שמש חזור אבי חדד

המרת אנרגיה הרעיון: ניצול קרינת השמש לחימום המים הנמצאים ברשת צינורות בתוך הקולטים, המים החמים "עולים" לדוד המבודד ונשמרים עד לשימוש. בישראל חובת התקנת דודי שמש על הגגות. דוגמה חישובית חזור אבי חדד

המרת אנרגיה ביואנרגיה מתיחסת לאנרגיה שמקורה בחומר אורגני )מהחי והצומח(. החומר האורגני נקרא בשם כולל ביומסה והוא המשמש כחומר מוצא ממנו מופקת האנרגיה. לדוגמא: עצים, הפרשות בעלי חיים, שאריות חקלאות )גיזום, שאריות לאחר הקציר וכו'(. מכאן, הביומסה מכילה אנרגיה כימית אגורה שמקורה באור השמש. ניתן להבעיר את הביומסה בצורתה הגולמית ליצירת חום, שאותו ניתן לנצל. כיום מחפשים דרכים להמיר את האנרגיה האגורה בביומסה לאנרגיות זמינות )שימושיות( כמו לדוגמא בצורת גז חזור המתאן, או דלק אתאנול. ביומסה עבודה בנושא אבי חדד

המרת אנרגיה בריכת שמש הוא מקווה מים על שטח גדול המסוגל לקלוט כמויות גדולות ביותר של אנרגיית שמש. מקווה המים יכול להיות טבעי או מלאכותי , והוא בעיקרו אגם מים המכיל מלחים בריכוז גבוה, מאורגנים בשכבות המלחים נמצאות במבנה הגורם לקליטת האנרגיה מהשמש ומונע ממנה להיפלט חזרה. בישראל: בעין בוקק , מדרום לאילת. חזור תרגילי חישוב אבי חדד

תחנת כוח תרמית חשמל גנרטור טורבינה מי קירור מעבה קיטור דלק או פחם דלק גרעיני ייצור הספק חשמלי מי הזנה מקורות אנרגיה מתכלים קיטור מגדל שמש אספקת קיטור חזור אבי חדד

אנרגיה גרעינית מושגים: א. מיזוג ב. ביקוע ג. מערכת קריטית , מערכת על קריטית , מערכת תת- קריטית. ד. גודל קריטי ה. פצצה אטומית )-%09532 ( U פעילות ו. כור גרעיני להספקת חשמל ) -%3532 ( U מתוקשבת אבי חדד

תחנת כוח גרעינית התמונה לקוחה מתוך האתר: http: //reactor. engr. wisc. edu/power. html חזור אבי חדד

אנרגיה גרעינית ביקוע גרעיני: כאשר מפציצים אורניום 532 U בנויטרונים מתפצל גרעין האורניום לשני גרעינים קלים שנים- שלשה נויטרונים וקרינת גמא, בתגובת הביקוע נפלטת אנרגיה רבה בצורת אנרגיה קינטית של מוצרי הביקוע, הנויטרונים וקרינת גמא. 141 29 532 1 n + u Kr + n + 3 n +γ מגרם אחד של אורניום 532 U ניתן לייצר 01 01 *2. 8 j השקולים ל 3. 2 טון פחם. אבי חדד 0 65 6 29 0

תהליך הביקוע הנפוץ ביותר נעשה ע”י פגיעת נויטרון בגרעין גדול. v בכל ביקוע גרעיני משתחררים בערך 002 מיליון ev של אנרגיה לכל אטום. ביקוע גרעיני אבי חדד

אבי חדד

אנרגיה גרעינית היתוך גרעיני כאשר מחממים גז )איזוטופים של מימן( , לטמפ' גבוהה מאוד )801מעלות( , מולקולות הגז מתפרקות לאטומים והאטומים יאבדו את האלקטרונים שלהם, נקבל גז של יונים חיוביים ואלקטרונים – פלסמה. אם תחומם הפלסמה מעבר "לנקודת ההתלקחות" של הגרעינים ירכשו הגרעינים אנרגיה קינטית רבה ויתגברו על כוחות הדחייה ביניהם ויתקרבו למרחקים קטנים שם כוחות המשיכה חזקים מאוד , שני הגרעינים יצרו גרעין חדש תוך כדי פליטת אנרגיה עצומה. מגרם אחד של מימן תהליכי היתוך מתרחשים בשמש. כבד ניתן לייצר 11 01 *3. 3 j השקולים ל 02 1 4 3 2 פחם. טון H + H He + n +17. 6 Mev אבי חדד 0 2 1

היתוך גרעיני v תהליך ההיתוך הפוך לתהליך הביקוע. בתהליך ההיתוך, גרעינים קלים מתחברים לגרעין גדול תוך שחרור אנרגיה. אבי חדד

היתרונות בהפקת אנרגיה מכור היתוך גרעיני v כמות בלתי מוגבלת של חומר מוצא )האיזוטופ דאוטריום מצוי בטבע בכמויות בלתי מוגבלות, בעיקר באוקיאנוסים(. v העדר רדיואקטיביות של חומרי המוצא ושל התוצרים בהשוואה לכורי ביקוע. למרות הקשיים הטכנולוגיים כור היתוך גרעיני מבוקר יוכל בעתיד לספק אנרגיה זולה בליאבי חדד

כור היתוך גרעיני - יישום עתידני v ביצוע המיזוג הגרעיני בצורה מבוקרת ואיטית לצורך הפקת אנרגיה. v הקושי הוא טכנולוגי - העדר חומר בעל עמידות תרמית מתאימה. v המחקר העתידני - ביצוע היתוך בתוך שדה למחקר מגנטי. אבי חדד

כיצד פועל תא דלק? תא דלק מרכיבי תא הדלק: • שתי אלקטרודות מוליכות חשמל: קתודה ואנודה. סימולציה מהאתר: /ttp: //www. edulink. co. il • אלקטרוליט המוליך יונים. הדלק מוזרם דרך האנודה בה הוא מופרד ליונים ואלקטרונים. הפרדה זו מבוצעת באמצעות ריאקציה כימית בין האנודה לדלק כך שהאלקטרונים משתחררים מאלמנט הדלק ומוזרמים כזרם חשמלי. תכונתה החשובה של האנודה של תא דלק שהיא מעבירה דרכה את היונים החיוביים, ואינה מאפשרת לאלקטרונים לעבור. כתוצאה מכך מאולצים האלקטרונים לזרום דרך המעגל החשמלי הנמצא מחוץ לתא הדלק, ובכך מספקים זרם חשמלי דרך הצרכן. היונים עוברים דרך האלקטרוליט לקתודה דרכה מוזרם החמצן. אבי חדד

אנרגיה חשמלית א. הנוחות בשימוש והמרה של אנרגיה חשמלית. ב. תופעת האלקטרומגנטיות ג. השראה אלקטרומגנטית- מיכאל פרדיי )-1971 7681( ד. זרם ישר וזרם חילופין ה. השנאי ו. העברת אנרגיה חשמלית למרחק רב. ז. מכונה לזרם ישר)מנוע וגנרטור(. אבי חדד

דוגמה- צריכת קלוריות 1. אדם צורך ביממה כ 000, 2 קילוקלוריות, שברובן הופכות לחום. השווה בין צריכת האנרגיה של האדם לצריכת האנרגיה של מנורת להט בת 001 וואט. תחילה יש להתאים את היחידות, כלומר לתרגם קילוקלוריות לג'אולים, ויממה לשניות: 4. 8 = 2. 4*0001*0002*016 ] W=[J 00468 = 42*06*06] t=[s מחלוקת האנרגיה בזמן נקבל את ההספק הממוצע הנפלט על ידי אדם 09 - ג'אול חזור בשניה שהם 79 וואט. קיבלנו שאדם "מבזבז" אנרגיה בערך כמו מנורת להט אבי חדד של 001 וואט )!(.

דוגמה חישובית – מכונת חום נוסחאות: נתונים: 2 = T 1 – T נצילות מירבית 1 T תחנת כוח תרמית טמפ' הדוד = 045 מעלות צלסיוס טמפ' הים = 72 מעלות צלסיוס פתרון: %36 = 003 - 318 = נצילות מירבית 318 משימה: חשב את טמפ' הדוד לקבלת נצילות של %09 שים לב !! נצילות מעשית בתחנת כוח תרמית כ - %63 חזור אבי חדד

דוגמה חישובית – תחנה הידרואלקטרית נוסחאות: נתונים: E = mgh גובה הסכר = 471 מ' P = E/t = mgh/t ספיקה = 066 טון מים בשניה נצילות = %09 פתרון: לאן נעלמו %01 מההספק? ? P = 660000 X 174=1. 2 GW רק %09 הופך להספק חשמלי לכן: חזור אבי חדד

דוגמה חישובית – דוד שמש נתונים: נוסחאות: נפח הדוד/מסת המים 100 = m ק"ג P = KXA הספק זמן חימום השמש 3 = t שעות Q = P X t כמות החום פתרון: P=1000 X 3 X 0. 5 = 1500 W שטח הקולט 3 = A מ"ר קבוע השמש 1000 = K וואט למ"ר נצילות = %05 קיבול חום סגולי של מים C=4. 2 K j/kg °c Q = 1500 X 3= 4. 5 Kwh = 4. 5 x 3. 6 Mj= 16. 2 Mj T = Q/mc = 16. 2 M/100 X 4. 2 K = 38. 5 °C השינוי בטמפ' המים בדוד תהיה 5. 36=5. 83+52 מעלות חזור לאן נעלמו %05 מההספק? ? אבי חדד

תרגיל חישובי – בריכת שמש א. בהנחה שטמפ' המים המלוחים בתחתית הבריכה מגיעה ל 09 מעלות צלסיוס, טמפ' המים בפני הבריכה 03 מעלות צלסיוס. חשב את הנצילות המירבית של בריכת השמש. ב. מדוע לדעתך לא מנצלים באופן דומה את הימים והאוקיינוסים, העזר בחישוב. חזור אבי חדד

משל הקוביות v אמו של רון קנתה לו 03 קוביות משחק. בערב, כאשר היא מסדרת את ארגז הקוביות היא מגלה כי כמה מהן חסרות, לאחר מעט מחשבה היא מגיעה למסקנות הבאות: רון ילד קטן שאינו יוצא מהבית ללא השגחה ולכן לא ייתכן כי הוציא קוביות אל מחוץ לבית, בכל חלונות הבית יש רשתות ולכן לא ייתכן כי רון זרק קוביות דרך החלונות, מכאן שרון החביא את הקוביות בבית. היא מחפשת את הקוביות החסרות ומוצאת אותן בארגז הכביסה. v למחרת מתברר כי שוב חסרות מספר קוביות, בחיפוש התברר כי רון הכניסן לארגז חד-כיווני, אימו של רון שוקלת את הארגז ומוצאת כי בארגז נמצאות שלוש קוביות. v שבוע לאחר מכן שוב חסרות מספר קוביות אמו של רון מבחינה כי מפלס המים העכורים שבאקווריום עלה היא עורכת מדידה ומגיעה למסקנה כי באקווריום נמצאות חמש קוביות. v כך בכל פעם נעלמות מספר קוביות ואמו של רון נאלצת להעלות רעיונות וכללי חישוב חדשים כדי לאתר את מיקומן. ריצ'רד פיינמן אבי חדד

כיצד קשור המשל לנושא? v 1. 2. 3. 4. 5. בדרך האנלוגיה נבהיר מספר היבטים של מושג האנרגיה: ביתו של רון מייצג מערכת פיסיקלית מסוימת – אנלוגית לעובדה שאנו עוסקים במערכת המבודדת מסביבתה. מספר הקוביות אנלוגי לאנרגית המערכת. יש צורות רבות לקיומן של הקוביות בבית – אנלוגי לכך שיש צורות רבות של אנרגיה. הוצאת קוביה מהאקווריום והכנסתה לתיבה, אנלוגי לעובדה שסוג אחד של אנרגיה עובר "המרה" לסוג אחר. הואיל ורון לא זרק קוביות מהבית החוצה ואל הבית לא הובאו קוביות נוספות אנלוגי לכך שבמערכתחזור אבי חדד המבודדת מסביבתה סך כל האנרגיה יישמר קבוע בזמן )חוק

משימת סיכום v בחרו מערכת אחת מבין המערכות מטה, חפשו חומר על אופן פעולת המערכת במאגרי מידע ובנו מצגת מתאימה. 6 תא דלק – בעקבות פיתוח מכונית העתיד. 6 הפקת חשמל ע"י גז טבעי- בעקבות התחנה החדשה ברמת חובב 6 ביומסה – בעקבות הפרסום בטלוויזיה מאי 3002. חזור אבי חדד

צריכת האנרגיה בישראל ניסו לארגן את נושא התשתיות הלאומיות, וביולי 6991 הוקם משרד התשתיות הלאומיות. כתובת אתר האינטרנט של משרד התשתיות הלאומיות היא: http: //www. mni. gov. il חברת החשמל בישראל מספקת מידע לקהל באתר האינטרנט: http: //www. israel-electric. co. il נתונים על צריכת האנרגיה של ישראל מתפרסמים בירחון הסטטיסטי לישראל של הלשכה המרכזית לסטטיסטיקה. ניתן להוריד נתונים אלו מהאינטרנט בכתובת: /http: //www. cbs. gov. il י"ד/1 תמצית מאזני האנרגיה של ישראל. • י"ד/2 ייבוא והפקה של דלק גולמי, גז טבעי, ופצלי שמן. • י"ד/5 ייצור חשמל ואספקתו. כמו כן ניתן למצוא באתר זה מידע רלבנטי כגון דיאגרמות צריכת אנרגיה בישראל בשנים האחרונות: http: //www. cbs. gov. il/shnaton 51/dia 15_01 h. shtml חזור אבי חדד