המרת אנרגיה

המרת אנרגיה היא תהליך של המרה של אנרגיה מסוג אחד לאחר. בפיזיקה, אנרגיה היא כמות המספקת את היכולת לבצע עבודה פיזית (למשל הרמת חפץ) או לספק חום. בנוסף להמרה, על פי חוק שימור האנרגיה, אנרגיה ניתנת להעברה למקום אחר או לגוף אחר, אך לא ניתן ליצור או להרוס אותה.

האנרגיה ברבות מצורותיה עשויה לשמש בתהליכים טבעיים, או לספק שירות כלשהו לחברה כגון חימום, קירור, תאורה או ביצוע עבודה מכנית להפעלת מכונות. לדוגמה, כדי לחמם בית, התנור שורף דלק, שהאנרגיה הכימית שלו מומרת לאנרגיה תרמית, אשר מועברת לאחר מכן לאוויר הבית כדי להעלות את הטמפרטורה שלו.

מגבלות בהמרה של אנרגיה תרמית
המרות לאנרגיה תרמית מצורות אחרות של אנרגיה עשויות להתרחש ביעילות של 100%. ]המרה בין סוגים לא תרמים של אנרגיה עשויה להתרחש ביעילות גבוהה למדי, אם כי תמיד יש קצת אנרגיה שמתפזרת תרמית עקב חיכוך ותהליכים דומים. לפעמים היעילות קרובה ל-100%, למשל כאשר אנרגיה פוטנציאלית מומרת לאנרגיה קינטית כאשר עצם נופל בריק. הדבר חל גם במקרה ההפוך; לדוגמה, עצם מסלול אליפטי סביב גוף אחר הופך את האנרגיה הקינטית שלו (מהירות) לאנרגיה פוטנציאלית כבידה (מרחק מהעצם השני) כשהוא מתרחק מגוף האב שלו. כאשר הוא מגיע לנקודה הרחוקה ביותר, הוא יהפוך את התהליך, יאיץ וימיר אנרגיה פוטנציאלית לקינטית. מכיוון שהחלל הוא כמעט ואקום, לתהליך זה יש קרוב ל-100% יעילות.

אנרגיה תרמית היא ייחודית מכיוון שלא ניתן להמיר אותה לסוגים אחרים של אנרגיה. ניתן להשתמש רק בהבדל בצפיפות האנרגיה התרמית/חום (טמפרטורה) לביצוע עבודה, והיעילות של המרה זו תהיה פחות מ-100%. הסיבה לכך היא שאנרגיה תרמית מייצגת צורה לא מסודרת במיוחד של אנרגיה; הוא מתפזר באופן אקראי בין מצבים זמינים רבים של אוסף של חלקיקים מיקרוסקופיים המהווים את המערכת (נאמר כי השילובים הללו של מיקום ותנע עבור כל אחד מהחלקיקים יוצרים חלל פאזה). המדד להפרעה או אקראיות זו הוא אנטרופיה, והתכונה המגדירה שלה היא שהאנטרופיה של מערכת מבודדת לעולם אינה פוחתת. אי אפשר לקחת מערכת אנטרופיה גבוהה (כמו חומר חם, עם כמות מסוימת של אנרגיה תרמית) ולהמיר אותה למצב אנטרופיה נמוך (כמו חומר בטמפרטורה נמוכה, עם אנרגיה נמוכה יותר בהתאם), מבלי שהאנטרופיה הזו תעבור למקום אחר (כמו האוויר שמסביב). במילים אחרות, אין דרך לרכז אנרגיה מבלי לפזר אנרגיה למקום אחר.

אנרגיה תרמית בשיווי משקל בטמפרטורה נתונה כבר מייצגת את ההפסקה המקסימלית של האנרגיה בין כל המצבים האפשריים מכיוון שהיא אינה ניתנת להמרה לחלוטין לצורה "שימושית", כלומר כזו שיכולה לעשות יותר מאשר רק להשפיע על הטמפרטורה. החוק השני של התרמודינמיקה קובע שהאנטרופיה של מערכת סגורה לעולם לא יכולה לרדת. מסיבה זו, ניתן להמיר אנרגיה תרמית במערכת לסוגים אחרים של אנרגיה עם יעילות המתקרבת ל-100% רק אם האנטרופיה של היקום מוגברת באמצעים אחרים, כדי לפצות על הירידה באנטרופיה הקשורה להיעלמות האנרגיה התרמית. ותוכן האנטרופיה שלו. אחרת, רק חלק מהאנרגיה התרמית הזו עשוי להיות מומר לסוגים אחרים של אנרגיה (ולפיכך עבודה שימושית). הסיבה לכך היא ששארית החום חייבת להישמר כדי לעבור למאגר תרמי בטמפרטורה נמוכה יותר. העלייה באנטרופיה עבור תהליך זה גדולה מהירידה באנטרופיה הקשורה להפיכת שאר החום לסוגי אנרגיה אחרים.

על מנת להפוך את ההמרה לאנרגיה יעילה יותר, רצוי להימנע מהמרה תרמית. לדוגמה, היעילות של כורים גרעיניים, שבהם האנרגיה הקינטית של הגרעינים מומרת תחילה לאנרגיה תרמית ולאחר מכן לאנרגיה חשמלית, עומדת על כ-35%. על ידי המרה ישירה של אנרגיה קינטית לאנרגיה חשמלית, המתבצעת על ידי ביטול הטרנספורמציה של האנרגיה התרמית הבינונית, ניתן לשפר באופן דרמטי את היעילות של תהליך המרת האנרגיה.

ההיסטוריה של המרת האנרגיה
טרנספורמציות אנרגיה ביקום לאורך זמן מאופיינות בדרך כלל בסוגים שונים של אנרגיה, שהיו זמינות מאז המפץ הגדול, לאחר מכן "משתחררות" (כלומר, הופכת לסוגים פעילים יותר של אנרגיה כגון אנרגיה קינטית או קורנת) על ידי מנגנון הפעלה.

שחרור אנרגיה מפוטנציאל כוח כבידה
המרה ישירה של אנרגיה מתרחשת כאשר מימן המיוצר במפץ הגדול נאסף למבנים כגון כוכבי לכת, בתהליך שבמהלכו חלק מפוטנציאל הכבידה יומר ישירות לחום. בצדק, שבתאי ונפטון, למשל, חום כזה מהמשך הקריסה של אטמוספירות הגז הגדולות של כוכבי הלכת ממשיך להניע את רוב מערכות מזג האוויר של כוכבי הלכת. מערכות אלו, המורכבות מרצועות אטמוספיריות, רוחות וסופות חזקות, מופעלות רק בחלקן מאור השמש. עם זאת, באורנוס, מעט מתהליך זה מתרחש. 

על פני כדור הארץ, חלק ניכר מתפוקת החום מהפנים של כוכב הלכת, המוערך בשליש עד מחצית מהכלל, נגרם כתוצאה מהתמוטטות איטית של חומרים פלנטריים לגודל קטן יותר, ויוצר חום.

שחרור אנרגיה מפוטנציאל רדיואקטיבי
דוגמאות מוכרות לתהליכים אחרים כאלה המשנים אנרגיה מהמפץ הגדול כוללות ריקבון גרעיני, המשחרר אנרגיה שבמקור באיזוטופים כבדים, כמו אורניום ותוריום. אנרגיה זו נאסרה בזמן הנוקליאוסינתזה של יסודות אלה. תהליך זה משתמש באנרגיה הפוטנציאלית הכבידה המשתחררת מקריסת סופרנובות מסוג II כדי ליצור את היסודות הכבדים הללו לפני שהם משולבים במערכות כוכבים כגון מערכת השמש וכדור הארץ. האנרגיה הננעלת באורניום משתחררת באופן ספונטני במהלך רוב סוגי ההתפרקות הרדיואקטיבית, ויכולה להשתחרר לפתע בפצצות ביקוע גרעיני. בשני המקרים, חלק מהאנרגיה הקושרת את גרעיני האטום משתחרר כחום.

דוגמאות

דוגמאות לקבוצות של המרות אנרגיה במכונות 
תחנת כוח פחמית כוללת המרות אנרגיה אלה:

 אנרגיה כימית בפחם מומרת לאנרגיה תרמית בגזי הפליטה של בעירת הפחם
 אנרגיה תרמית של גזי הפליטה המומרת לאנרגיה תרמית של קיטור באמצעות חילופי חום
 אנרגיה קינטית של קיטור המומרת לאנרגיה מכנית בטורבינה
 האנרגיה המכנית של הטורבינה מומרת לאנרגיה חשמלית על-ידי הגנרטור, שהיא התפוקה האולטימטיבית

במערכת כזו, הצעד הראשון והרביעי יעילים ביותר, אך הצעד השני והשלישי פחות יעילים. תחנות הכוח החשמליות היעילות ביותר בגז יכולות להגיע ליעילות המרה של 50%. תחנות הנפט והפחם יעילות פחות.

במכונית רגילה מתרחשות טרנספורמציות האנרגיה הבאות:

 אנרגיה כימית בדלק מומרת לאנרגיה קינטית של גז מתרחב באמצעות בעירה
 אנרגיה קינטית של גז מתרחב המומרת לתנועת הבוכנה הליניארית
 תנועת בוכנה ליניארית המרה לתנועת גל ארכובה סיבובית
 תנועת גל ארכובה סיבובית עברה למכלול ההילוכים
 תנועה סיבובית עברה מחוץ למכלול ההילוכים
 תנועה סיבובית עברה דרך דיפרנציאל
 תנועה סיבובית עברה מהדיפרנציאל להנעת גלגלים
 תנועה סיבובית של גלגלי הנעה המומרת לתנועה ליניארית של הרכב

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

אנרגיה