شیمی خورشید و پیامدهای آن

از نظر شیمیایی خورشید عمدتآ از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است، بیش از 60 عنصر جدول تناوبی در خورشید شناسایی شده است. اما به دو دلیل همه ی عناصر جدول تناوبی باید در خورشید وجود داشته باشند یکی این که می دانیم خورشید از باقیمانده  یک ابرنواختر به وجود آمده که در آن همه ی عناصر جدول تناوبی وجود داشته است و دیگر اینکه  با توجه به پروتون های سرگردان در خورشید و برخورد آن ها با این 60 عنصر شناسایی شده، عناصر دیگر نیز تشکیل  می شوند. اما به دلیل مقادیر بسیار ناچیز آن ها با روش طیف نگاری قابل شناسایی نیستند.

جدول عناصر که در زیر نمایش داده شده است، عناصر موجود در خورشید را که  از تجزیه و تحلیل طیف خورشیدی، که از فوتوسفر و کروموسفر خورشید حاصل می‌شود، ساخته شده است. اما تصور می‌شود که به دلیل میزان اختلاطی که بین لایه‌های داخلی خورشید رخ می‌دهد، نماینده کل خورشید به استثنای هسته آن باشد.

حدود 67 عنصر در طیف خورشیدی شناسایی شده‌اند.

خورشید، ستاره ما، یک نیروگاه هسته‌ای غول‌پیکر

خورشید در حال حاضر در هر ثانیه حدود 600 میلیون تن هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کند و در نتیجه، در هر ثانیه 4 میلیون تن ماده را به انرژی تبدیل می‌کند(محاسبات مربوط به تبدیل جرم به انرژی در خورشید را اینجا بخوانید). نور خورشید در بالای جو زمین (از نظر انرژی کل) از حدود 50٪ نور فروسرخ، 40٪ نور مرئی و 10٪ نور فرابنفش تشکیل شده است. جو به طور خاص بیش از 70٪ از اشعه فرابنفش خورشیدی، به ویژه در طول موج‌های کوتاه‌تر را فیلتر می‌کند. تابش فرابنفش خورشیدی، جو بالایی سمت روز زمین را یونیزه می‌کند و یونوسفر رسانای الکتریکی را ایجاد می‌کند. انرژی نور خورشید تقریباً از تمام حیات روی زمین از طریق فتوسنتز پشتیبانی می‌کند، و آب و هوا و اقلیم زمین را هدایت می‌کند.

واکنش هسته ای خورشید به طور عمده در شکل زیر خلاصه شده است:

انرژی را می‌توان به عنوان ظرفیت تأمین گرما یا انجام کار تعریف کرد. یک نوع کار ( w ) فرآیندی است که باعث می‌شود ماده در برابر نیروی مخالف حرکت کند. به عنوان مثال، وقتی لاستیک دوچرخه را باد می‌کنیم، کار انجام می‌دهیم – ما ماده (هوای داخل پمپ) را در برابر نیروی مخالف هوای اطراف لاستیک حرکت می‌دهیم. انرژی در واحدهای SI، ژول (J) اندازه‌گیری می‌شود. ژول (= 1 نیوتن متر) واحد بسیار کوچکی است، با این حال معادل مقدار کار بلند کردن یک سیب کوچک (98 گرم) به صورت عمودی تا ارتفاع یک متر است. از نظر گرما،

نرخ کار انجام شده یا انتقال انرژی ، توان نامیده می‌شود و واحد آن وات است .

ماشین حساب شما ممکن است مقداری میلی وات مصرف کند و یک کامپیوتر حدود 100 وات مصرف می‌کند، همانطور که یک لامپ 100 واتی. کیلووات (kW) برابر با هزار (1000 ) وات است. این واحد معمولاً برای بیان توان خروجی موتورها و توان موتورهای الکتریکی، ابزارها، ماشین‌ها و بخاری‌ها استفاده می‌شود. همچنین یک واحد رایج برای بیان توان الکترومغناطیسی خروجی فرستنده‌های رادیویی و تلویزیونی پخش شده است.

.

یک کیلووات تقریباً برابر با 1.34 اسب بخار است. یک بخاری برقی کوچک با یک المنت گرمایشی می‌تواند 1 کیلووات مصرف کند. میانگین مصرف برق یک خانوار در ایالات متحده حدود یک کیلووات است.

مثال ۱

انرژی الکتریکی مصرف شده توسط یک لامپ LED بیست واتی که به مدت سه ساعت “روشن” مانده است را بر حسب ژول (J) محاسبه کنید.

راه حل

۱. از آنجایی که 1 وات = 1 ژول بر ثانیه، پس 20 وات = 20 ژول بر ثانیه.

۲. ۳ ساعت را به ثانیه تبدیل کنید.

۳. مقدار را بر حسب J برای 10800 ثانیه محاسبه کنید.

تمرین۱

انرژی الکتریکی مصرف شده توسط یک لامپ رشته‌ای 100 واتی که به مدت 2 ساعت “روشن” مانده است را بر حسب ژول (J) محاسبه کنید.

پاسخ: 720000 ژول

ما همه از خورشید انرژی می گیریم، (انرژی و سیستم پشتیبانی از حیات)

فتوسنتز برای تمام حیات روی زمین ضروری است؛ هم گیاهان و هم حیوانات به آن وابسته‌اند. این تنها فرآیند بیولوژیکی است که می‌تواند انرژی حاصل از فضای بیرونی (نور خورشید) را جذب کرده و آن را به ترکیبات شیمیایی (کربوهیدرات‌ها) تبدیل کند که هر موجود زنده برای تأمین سوخت و ساز خود از آن استفاده می‌کند. به طور خلاصه، انرژی نور خورشید جذب شده و برای انرژی بخشیدن به الکترون‌ها استفاده می‌شود که سپس در پیوندهای کووالانسی مولکول‌های قند ذخیره می‌شوند. این پیوندهای کووالانسی چقدر پایدار و بادوام هستند؟ انرژی استخراج شده امروز با سوزاندن زغال سنگ و فرآورده‌های نفتی، نشان دهنده انرژی نور خورشید است که تقریباً 200 میلیون سال پیش توسط فتوسنتز جذب و ذخیره شده است.

فتوسنتز یک فرآیند چند مرحله‌ای است که به نور خورشید، دی‌اکسید کربن (که انرژی کمی دارد) و آب به عنوان بستر نیاز دارد (شکل زیر). پس از تکمیل فرآیند، اکسیژن آزاد می‌شود و مولکول‌های کربوهیدرات ساده (که انرژی بالایی دارند) تولید می‌شوند که متعاقباً می‌توانند به گلوکز، ساکارز یا هر یک از ده‌ها مولکول قند دیگر تبدیل شوند. این مولکول‌های قند حاوی انرژی و کربن پرانرژی هستند که همه موجودات زنده برای زنده ماندن به آن نیاز دارند. علاوه بر قند ها و کربوهیدرات ها انواع گیاهان انواع هیدروکربن ها از مواد رنگی گل ها و میوه ها(برای نمونه مقاله دنیای رنگی آنتوسیانین ها را ببینید) تا داروها و بسیاری مواد آلی مفید یا مضر برای انسان را می سازند در حقیقت گیاهان کارخانه های شیمیایی هستند که مواد ساده ای مانند کربن دی اکسید و آب را به انواع ترکیبات شیمیایی تبدیل می کنند در حالی که از دودکش این کارخانه ها گاز اکسیژن به طبیعت رانده می شود و همه ی انرژی لازم برای این واکنش ها را از خورشید می گیرند.

شکل ۱ فتوسنتز از انرژی خورشیدی، دی اکسید کربن و آب برای تولید کربوهیدرات‌های ذخیره کننده انرژی استفاده می‌کند. اکسیژن به عنوان محصول جانبی فتوسنتز تولید می‌شود.
فتوسنتز از انرژی خورشیدی، دی اکسید کربن و آب برای تولید کربوهیدرات‌های ذخیره کننده انرژی استفاده می‌کند. اکسیژن به عنوان محصول زائد فتوسنتز تولید می‌شود.

معادله شیمیایی فتوسنتز در شکل ۲  نشان داده شده است. اگرچه این معادله ساده به نظر می‌رسد، اما مراحل زیادی که در طول فتوسنتز اتفاق می‌افتد در واقع بسیار پیچیده هستند. در واقعیت، این فرآیند در مراحل زیادی شامل واکنش‌دهنده‌های واسطه و محصولات انجام می‌شود.

اگرچه معادله ساده به نظر می‌رسد، اما مراحل زیادی که در طول فتوسنتز اتفاق می‌افتد در واقع بسیار پیچیده است. در واقعیت، این فرآیند در مراحل زیادی شامل واکنش‌دهنده‌های واسطه و محصولات انجام می‌شود.

انرژی جنبشی و پتانسیل

مانند ماده، انرژی انواع مختلفی دارد. یک طرح، انرژی را به دو نوع طبقه‌بندی می‌کند: انرژی پتانسیل ، انرژی‌ای که یک جسم به دلیل موقعیت نسبی، ترکیب یا وضعیت خود دارد، و انرژی جنبشی ، انرژی‌ای که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد. آب در بالای یک آبشار یا سد به دلیل موقعیتش انرژی پتانسیل دارد؛ هنگامی که از طریق ژنراتورها به سمت پایین جریان می‌یابد، انرژی جنبشی دارد که می‌تواند برای انجام کار و تولید برق در یک نیروگاه برق آبی استفاده شود (شکل زیر).

دو تصویر نشان داده شده و با برچسب‌های a و b مشخص شده‌اند. تصویر a یک آبشار بزرگ را نشان می‌دهد که آب از ارتفاع بالایی در بالای آبشار به ارتفاع پایین‌تری می‌ریزد. تصویر دوم منظره‌ای از پایین به داخل سد هوور است. آب در پشت دیوار بلند سد از یک طرف و در پایه سد از طرف دیگر نشان داده شده است.

شکل ۳ (a) آبی که در ارتفاع بالاتری قرار دارد، مثلاً در بالای آبشار ویکتوریا، انرژی پتانسیل بالاتری نسبت به آبی که در ارتفاع پایین‌تری قرار دارد، دارد. با ریزش آب، مقداری از انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. (b) اگر آب از طریق ژنراتورهایی در پایین سد، مانند سد هوور که در اینجا نشان داده شده است، جریان یابد، انرژی جنبشی آن به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

یک مثال دیگر در این مورد باتری های الکتروشیمیایی هستند.

یک باتری انرژی پتانسیل دارد زیرا مواد شیمیایی درون آن(انرژی شیمیایی) می‌توانند برقی تولید کنند(انرژی الکتریکی) که می‌تواند کار انجام دهد.

انرژی پتانسیل نه تنها به محل قرارگیری ماده، بلکه به ساختار ماده نیز مرتبط است. حتی یک فنر نیز اگر فشرده شود، انرژی پتانسیل دارد؛ یک کش لاستیکی که محکم کشیده شود نیز همین‌طور. در سطح مولکولی، پیوندهایی که اتم‌های مولکول‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند، در یک ساختار خاص وجود دارند که دارای انرژی پتانسیل است. این واقعیت که انرژی می‌تواند با تجزیه پیوندهای شیمیایی خاص آزاد شود، نشان می‌دهد که آن پیوندها دارای انرژی پتانسیل هستند. در واقع، انرژی پتانسیلی در پیوندهای تمام مولکول‌های غذایی که می‌خوریم ذخیره شده است که برای استفاده مهار می‌شود. نوع انرژی پتانسیلی که در پیوندهای شیمیایی وجود دارد و با شکسته شدن آن پیوندها آزاد می‌شود، انرژی شیمیایی نامیده می‌شود . انرژی شیمیایی مسئول تأمین انرژی سلول‌های زنده از غذا است. آزاد شدن انرژی زمانی اتفاق می‌افتد که پیوندهای مولکولی درون مولکول‌های غذا شکسته شوند.

خلاصه

انرژی را می‌توان به عنوان ظرفیت تأمین گرما یا انجام کار تعریف کرد و در واحدهای SI، ژول (J) اندازه‌گیری می‌شود.
فتوسنتز برای تمام حیات روی زمین ضروری است و تنها فرآیند بیولوژیکی است که می‌تواند انرژی حاصل از فضای بیرونی (نور خورشید) را جذب کرده و آن را به ترکیبات شیمیایی (کربوهیدرات‌ها) تبدیل کند که هر موجود زنده برای تأمین سوخت و ساز خود از آن استفاده می‌کند.
انرژی اساساً به دو شکل متفاوت وجود دارد – انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل.
انرژی جنبشی، انرژی حرکت است.
انرژی پتانسیل، انرژی ذخیره شده‌ای است که به موقعیت یک جسم نسبت به جسم دیگر بستگی دارد.

سرچشمه ها:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/
https://chem.libretexts.org/

https://letstalkscience.ca

https://www.researchgate.net/

https://flatearth.ws

kimical.ir