tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
נוכל לתאר מערכת בטמפ' קבועה באמצעות מערכת המצומדת לאמבט חום בנפח קבוע ובעל טמפ' שאינה משתנה כאשר המערכת הכוללת (מערכת + אמבט) סגורה.
כלומר, קיים מעבר חום בין המערכת לאמבט והאמבט גדול מאוד ביחס למערכת כך שכל שינוי במערכת לא משפיע על טמפרטורת האמבט.
נתאר תהליך כך שהמערכת הכוללת נמצאת בשיווי משקל לפני ואחרי התהליך, לכן המשתנים התרמודינמיים לפני ואחרי התהליך מוגדרים היטב.
כיוון שהמערכת הכוללת סגורה מתקיים החוק הראשון של התרמודינמיקה
כאשר השינוי באנרגיית האמבט, השינוי באנרגיית המערכת ו- העבודה שנעשתה על ידי המערכת.
האמבט בנפח קבוע ולכן אינו מבצע עבודה.
כלומר השינוי באנרגיית האמבט שווה לחום המועבר למערכת
טמפרטורת האמבט קבועה ולכן האמבט נמצא בשיווי משקל ובעל אנטרופיה מוגדרת היטב
המערכת בשיווי משקל בתחילת ובסוף התהליך ולכן בטמפרטורה והשינוי באנטרופיה הכוללת הוא
המערכת הכוללת סגורה ולכן לפי החוק השני של התרמודינמיקה, האנטרופיה הכוללת יכולה רק לגדול.
כלומר השינוי השלילי באנרגיה החופשית של הלמהולץ מהווה חסם עליון לעבודה שנעשתה על ידי המערכת.
אם המערכת לא מבצעת עבודה, נקבל שהאנרגיה החופשית של הלמהולץ יכולה רק לקטון בתהליך.
עיקרון מינימום האנרגיה החופשית של הלמהולץ במכניקה סטטיסטית
בין כל הקונפיגורציות האפשריות של מערכת הנמצאת במגע תרמי עם אמבט חום, המסתברת ביותר היא זו שעבורה האנרגיה החופשית של הלמהולץ מינימלית.
עבור המערכת שתוארה, נסתכל על האנטרופיה של המערכת הכוללת
כאשר אנטרופיית האמבט, אנטרופיית המערכת ו- האנרגיה הפנימית של המערכת.
האנטרופיה מסומנת כאן ביחידות של אנרגיה: ( קבוע בולצמן).
אנו מניחים ולכן ונוכל לקרב את אנטרופיית האמבט סביב
כאשר טמפרטורת האמבט ביחידות של אנרגיה.
קבועה ולכן כל הנגזרות מסדר הגבוה מ-1 מתאפסות ומתקבל
המערכת הכוללת סגורה ולכן קונפיגורציית שיווי המשקל שלה (כלומר המסתברת ביותר) מתקבלת עבור מקסימלי ולכן מינימלי.
מינימום זה מושג על ידי שינוי כל הפרמטריים הפנימיים של המערכת החופשיים להשתנות וגם על ידי שינויים של האנרגיה הפנימית .
אם מוצאים תחילה את המינימום של כאשר קבוע, אז את המעבר האחרון של המינימיזציה ניתן לכתיבה ע"י
בנוסחא זו היא האנטרופיה המקסימלית כאשר נתונים.
האנרגיה החופשית של הלמהולץ שימושית בעבודה עם צבר קאנוני, בה הטמפ', הנפח ומספר החלקיקים קבוע, והיא פונקציית המצב האופיינית לצבר זה.
בעזרת הביטויים של האנטרופיה והאנרגיה הפנימית ניתן להביע את האנרגיה החופשית בעזרת פונקציית החלוקה :
הוכחת הקשר בין האנרגיה החופשית של הלמהולץ לפונקציית החלוקה
במקרה של צבר קאנוני, הסיכוי למצוא את המערכת במצב מיקרוסקופי עם אנרגיה נתון ע"י:
כאשר ( קבוע בולצמן) ו- פונקציית החלוקה:
והסכימה היא על כל המצבים המיקרוסקופיים הזמינים במערכת עם אנרגיה .
כאשר פונקציה כלשהי הנובעת מהאינטגרציה.
עבור , נשתמש בהגדרת האנטרופיה במכניקה סטטיסטית: כאשר פונקציית הריבוי ונקבל
כאשר פונקציית הריבוי של אנרגיית מצב היסוד.
הכללת האנרגיה החופשית עבור גופים
באופן יותר כללי, הביטוי תלוי במאמץ ובמעוות הפועל על הגוף ולכן נוכל לרשום את האנרגיה החופשית:
כאשר טנזור המאמץ, טנזור המעוות ואנו משתמשים בהסכם הסכימה של איינשטיין.
כעת, מהמשוואה הדיפרנציאלית ניתן למצוא ביטוי עבור טנזור המאמץ:
עבור גוף איזוטרופי הנמצא בטמפרטורה קבועה ועובר מעוות, נרצה למצוא את האנרגיה החופשית כתלות בטנזור המעוות.
נניח כי המעוות קטן ולכן נוכל לרשום את האנרגיה החופשית כחזקות של טנזור המעוות.
סקלר ולכן גם הביטויים התלויים בטנזור המעוות חייבים להיות סקלרים.
ולכן לא ייתכנו ביטויים ליניאריים של טנזור המעוות.
טנזור המעוות סימטרי ולכן ניתן לקבל באמצעותו 2 סקלרים בלתי תלויים: סכום ריבועי האלכסון הראשי וסכום הריבועים של כל הרכיבים
כאשר האנרגיה החופשית של הגוף בטמפרטורה הנתונה ללא מעוות ו- הם קבועי לאמה.
הסכום מייצג את המעוות הנפחי ולכן כאשר פועל מעוות גזירה בלבד.
נוח לרשום את האנרגיה החופשית באמצעות ביטוי שקול:
כאשר מודול הנפח ו- מודול הגזירה.
נשים לב שכעת הביטוי הימני מייצג מעוות נפחי והביטוי השמאלי הוא טנזור בעל עקבה ולכן מייצג מעוות גזירה.
בשיווי משקל האנרגיה החופשית מינימלית.
אם לא פועלים כוחות חיצוניים על הגוף, ל- כפונקציה של חיים להיות מינימום ב- .
לכן הביטוי של כפונקציה של הוא פונקציה ריבועית חיובית.
אם , רק הביטוי השמאלי בנוסחא נותר.
באותו אופן, אם רק הביטוי הימני נותר.
נמצא את הדיפרנציאל של (בטמפרטורה קבועה)
נשים לב ש ונקבל שטנזור המעוות כתלות בטנזור המאמץ הוא
מהביטוי עבור טנזור המאמץ נסיק שהמאמץ הנפחי תלוי רק בסכום והקשר בין ל- תלוי רק במודול הנפח .
כיוון שהמעוות קטן, כך גם קטנים ונוכל לרשום באופן דיפרנציאלי:
כאשר הביטוי נקרא מקדם הדחיסות.
קיבלנו שטנזור המעוות תלוי ליניארית בטנזור המאמץ.
זהו חוק הוק, התקף עבור מעוותים קטנים.
כיוון שהאנרגיה החופשית נתונה כפונקציה ריבועית, מתקיים:
על ידי הצבה של בנוסחא מהביטוי של , נקבל שגם
פונקציה ריבועית ולכן באופן דומה וע"י השוואה לנוסחא האחרונה נקבל:
נוסחא זו נכונה רק כאשר חוק הוק תקף.
האנרגיה החופשית של גיבס (מסומנת כ-G) היא דרך לתיאור מידת העבודה המקסימלית אשר ניתן להפיק ממערכת נתונה כאשר הלחץ והטמפרטורה קבועים.
ניתן להתייחס לאנרגיה החופשית של גיבס גם כפוטנציאל אשר המשתנים הטבעיים שלו הם הטמפרטורה והלחץ.
כלומר, ניתן לתאר את מצב המערכת ואת השינויים הדרושים מבחינה אנרגטית בשביל להעביר את המערכת למצב אחר.
במילים אחרות – האנרגיה החופשית של גיבס היא פונקציה תרמודינמית המהווה מדד למידת הספונטניות של המערכת.
לאנרגיה החופשית של גיבס יש חשיבות בקביעת הכיוון המועדף של תגובה כימית מכיוון שבתגובות כימיות, טמפרטורה ולחץ הם משתנים אשר ניתן לשלוט עליהם.
השינוי באנרגיה החופשית של גיבס מסומן בצורה ΔG.
הכמות המדידה הנקראת "אנרגיה חופשית" היא תחליף מתקדם ומדויק יותר למונח המיושן "זיקה", שבו השתמשו כימאים בשנים המוקדמות של הכימיה הפיזיקלית כדי לתאר את הכוח הדוחף שמניע תגובות כימיות.
בשנת 1873 פרסם ג'וסיה וילארד גיבס "שיטה לייצוג גאומטרי של המאפיינים התרמודינמיים של חומרים באמצעות משטחים", בה הוא שרטט את עקרונות המשוואה החדשה שלו שהצליחה לחזות או להעריך את הנטיות של תהליכים טבעיים שונים להתרחש כאשר גופים או מערכות מובאים במגע.
על ידי לימוד האינטראקציות של חומרים הומוגניים במגע, ועל ידי שימוש בגרף תלת־ממדי של "נפח-אנטרופיה-אנרגיה פנימית", גיבס הצליח לקבוע שלושה מצבי שיווי משקל: "בהכרח יציב", "נייטרלי" ו"לא יציב", והאם יחולו שינויים או לא.
האנרגיה החופשית של גיבס מסומנת באות ,ומוגדרת כ:
היא האנרגיה הפנימית של המערכת
הספונטניות של מערכת היא הכיוון בו המערכת הכימית "תרצה" להתקדם באופן שאינו דורש "הכוונה".
כאשר עבור תגובה כימית מסוימת ההפרש באנרגיית גיבס בין התוצרים למגיבים קטן מאפס ΔG<0, (כלומר לאחר התגובה, ערך אנרגיית גיבס נמוכה יותר) התגובה תיקרא ספונטנית (ניתן לדמיין זאת כמים הזורמים במורד הר).
כאשר ההפרש גדול מאפס ΔG>0, התגובה תיקרא לא ספונטנית – ובשביל לגרום לה לקרות, נצטרך להשקיע אנרגיה (ניתן לדמיין זאת כמים אשר נדרש לשאוב במעלה הר).
כאשר האנרגיה החופשית של גיבס שווה לאפס ΔG=0, לא תהיה תגובה נטו.
מצב זה נקרא מצב שיווי המשקל של המערכת (המים הגיעו לאגם במורדות ההר).
תגובה כימית אשר בה ירידה באנרגיה החופשית של גיבס היא תהליך רצוי מבחינה תרמודינמית – והמערכת תדחוף לכיוון זה בצורה ספונטנית ( ללא השקעת אנרגיה נוספת).
כאשר המערכת מגיע למקום בו האנרגיה החופשית היא הנמוכה ביותר למצב הנתון – נקודת מינימום, התגובה הכימית תיעצר.
בתהליכים כימים רבים, בכדי להגיע למצב שיווי המשקל צריכה המערכת לעבור דרך מחסומי פוטנציאל אנרגטיים – כלומר לעלות למצב אנרגטי גבוה, בדרך למצב אנרגטי נמוך יותר אליו היא תגיע בהמשך התגובה.
מצב בו התהליך עוצר ונדרש לעבור מחסום פוטנציאל מתואר גם כ"מינימום מקומי" באנרגיה החופשית של גיבס.
המערכת נמצאת במצב בו התהליך עוצר ולמעשה התגובה לא תמשיך ותקרה עד שהמערכת תקבל עוד אנרגיה בכדי לעבור את מחסום הפוטנציאל אשר חוצץ בין המצב הנוכחי של המערכת למצב בו המערכת נמצאת במינימום גלובאלי.
כיוון שהמערכת עלולה להיתקע לזמן ממושך מאוד במצב האנרגטי המדובר, לצופה במערכת קשה לקבוע האם המערכת נמצאת במינימום מקומי או במינימום מוחלט.
ניתן לדמיין את האנרגיה כנהר זורם – בהגיעה לאגם עם סכר, האנרגיה תמשיך למלא את האגם (המערכת) אך המים יישארו במקומם כל עוד הסכר גבוה מהמים.
ברגע שהאנרגיה תהיה גבוה מספיק – כלומר המים יעברו את גובה הסחר – הם ימשיכו לזרום במורד הנהר אל נקודה נמוכה יותר, נקודת שיווי המשקל האמיתית.
דוגמה לתגובה ספונטנית אשר קורת בצורה כל כך איטית עד אשר איננו יכולים להבחין בה – היא הפיכתו של יהלום לגרפיט – מדובר במעבר למצב יציב יותר אנרגטית ושבירת המיתוס כי "יהלומים הם לנצח".
השינוי באנרגיה החופשית של גיבס, ΔG, בתגובה הוא פרמטר שימושי מאוד.
אפשר להתייחס אליו ככמות העבודה המקסימלית שניתן להשיג מתגובה בתנאים מסוימים.
לדוגמה, בחמצון של גלוקוז, השינוי באנרגיה החופשית של גיבס הוא ΔG = 686 kcal = 2870 kJ.
תגובה זו היא אחת מהתגובות העיקריות לייצור אנרגיה בתאים חיים.
ΔG הוא גם גורם מכריע בקביעת הפוטנציאל בתא אלקטרוכימי ונקבע על פי המשוואה ΔG= -nFE.
E = לפוטנציאל התא אשר נמדד בוולט – אשר שווה ערך לג'אול חלקיי קולון.
n = למספר המולים של האלקטרונים אשר עוברים בתגובה.
F = לקבוע פארדיי שהוא קבוע המתאר את כמות המטען אשר יש לאלקטרון יחיד – ונמדד בקולון.
נמצא נוסחה כדי לבטא את העבודה המקסימלית שאפשר להפיק ממערכת בתנאים מסוימים:
אנו יודעים כי שינוי האנטרופיה בסביבה שווה ל-.
כאשר - האנרגיה הנפלטת לסביבה.
במצב של עבודה מקסימלית, שינוי האנטרופיה של המערכת שווה לשינוי אנטרופיה של הסביבה בערך מוחלט.
כלומר, האנטרופיה של היקום לא משתנה.
משני נתונים אלו, אנו יכולים להסיק כי (הכוונה לשינוי האנטרופיה של המערכת), היא האנרגיה המינמלית שיש להשקיע על מנת שהתגובה תתרחש באופן ספונטני.
שינוי האנתלפיה, הוא האנרגיה הכללית הנפלטת בתגובה, והיא מנוצלת לחימום ולעבודה.
לכן, אם נחסר ממנה את האנרגיה המנוצלת לטובת חימום, נגיע לאנרגיה המנוצלת לטובת עבודה.
מהביטוי שמצאנו ומידע קודם נגיע לביטוי הבא:
אנרגיה כימית היא סוג של אנרגיה פוטנציאלית הנשמרת בקשרים בתרכובות כימיות.
בשבירה וביצירה של קשרים כימיים מעורבת אנרגיה, אשר עשויה להשתחרר או להיקלט במערכת.
לדוגמה, בעירה היא תגובה כימית שבה אנרגיה כימית משתחררת והופכת לאנרגיית חום ואור.
תאים עושים שימוש רב באנרגיה כימית האצורה במולקולות אורגניות, ובפרט ATP, במהלך המטבוליזם.
יצירה מלאכותית של תרכובות עתירות אנרגיה אף היא אפשרית למשל בסינתזה של חומרי נפץ.
גם בחומרי הדלק יש אנרגיה כימית רבה; בשריפת חומר אורגני התוצרים הם פחמן דו-חמצני ומים שאלו חומרים עם קשרים הרבה יותר חזקים וממילא הם דלים באנרגיה, והאנרגיה שהייתה בתחילה נפלטת בצורת אור וחום.
בעזרת אנרגיה כימית ניתן להעביר אנרגיה ממקום למקום וכן לאגור אותה באיטיות, לעומת אנרגיות אחרות כמו אנרגיית החום ואנרגיית התנועה שקשה מאוד ואפילו בלתי אפשרי למחזר אותם באופן מלא.
אנרגיה ירוקה הוא כינוי כללי לסוגי אנרגיה אשר אינם מזהמים את הסביבה הטבעית.
זאת בניגוד לתהליך הנפוץ ביותר של הפקת אנרגיה - בעזרת דלקים מאובנים (כגון פחם, נפט וגז טבעי), אשר גורם לזיהום הסביבה ולפליטת פחמן דו-חמצני ותורם להגברת אפקט החממה.
קיימות מספר הגדרות למושג אנרגיה ירוקה הכוללים הגדרות אלטרנטיביות ל"אנרגיה מתחדשת":
אנרגיה המופקת ממקורות שאינם מייצרים מזהמים באופן ישיר (אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח, אנרגיה גרעינית, אנרגיית מים).
אנרגיה המיוצרת ממקורות שנחשבים ידידותיים לסביבה (אנרגיה סולארית, הידראולית, ביומסה או אנרגיית רוח).
אנרגיה המופקת ממקורות המייצרים כמויות נמוכות של זיהום.
אנרגיה שמופקת ומשתמשת באמצעים אשר השפעתם הסביבתית נמוכה.
מקורות האנרגיה הירוקה מזהמים במידה פחותה ונחשבים יחסית ידידותיים לסביבה, ולכן הם מוגדרים כ"טכנולוגיות נקיות".
המונח "אנרגיה חלופית" משמש לעיתים לתאר אנרגיה מתחדשת.
המונח מתייחס לאנרגיה שאינה מזהמת ומקורה אינו מעולם הדלקים המאובנים.
אנרגיה ירוקה כוללת תהליכי אנרגיה טבעיים שלא פולטים כלל פחמן דו-חמצני בעת הפקת החשמל:
אף על פי שאנרגיות אלה לא פולטות פחמן דו-חמצני, לכל אחת מהן יש חסרונות.
לדוגמה, אנרגיה סולארית ואנרגיית רוח דורשות שטח רב לייצור האנרגיה, ופוגעות במרחב המחיה של חיות בר.
לעיתים קרובות חוות רוח פוגעות בציפורים ואף מביאות למותן.
בנוסף, חציבת החומרים לייצור הלוחות הסולאריים מזהם במיוחד, והצורך להחליף לוח סולארי אחרי 20 שנות פעילות בערך מוביל לזיהום מוגבר.
בישראל נעשים מגוון שימושים בגורמי אנרגיה ירוקה.
עם זאת, מספר הפרויקטים בתחום זה במדינת ישראל נמוכים יחסית לנעשה במדינות אחרות והמדינה ממשיכה לשים את רוב מקורות האנרגיה שלה בדלקים מאובנים.
בשנת 2008 החלה המדינה לתקן תקנות המעודדות שימוש באנרגיה סולרית ואף יצאה במכרז להקמת תחנות כוח כאלה בנגב.
בישראל נעשה שימוש במספר טכנולוגיות שמייצרות אנרגיה סולרית:
דוד שמש: מתקן חימום למים באמצעות אנרגיה סולרית.
על־פי החוק הישראלי כל בית חדש שנבנה חייב להיות מצויד בקולטי שמש, ואכן כ־95% מבתי האב משתמשים בדוד שמש לחימום המים ובכך חוסכים כ־3-4 אחוז מתצרוכת החשמל.
מגדל השמש שנבנה במכון ויצמן למדע נועד לאסוף קרינת שמש משטח גדול, וזאת בעזרת מספר רב של הליוסטטים המרכזים את אור השמש אל קולט שנמצא בראש מגדל.
הקולט מחמם אוויר דחוס המניע טורבינה.
ארובת שרב הרעיון מבוסס על בניית ארובה גבוהה במקום חם, יבש, וקרוב לים, בצורת צינור אנכי, בגובה של כקילומטר וברוחב של כחמש מאות מטרים.
מי ים נשאבים לראש המגדל ומרוססים על האוויר החם שמתקרר ונע מטה במהירות של עד כ-80 קמ"ש, ומניע טורבינות לייצור חשמל, כאשר הוא יוצא דרך פתחים מיוחדים שבבסיס המגדל.
פאנלים סולריים הממירים ישירות את קרינת השמש לחשמל.
בדרך כלל החשמל יכול להזין לא רק את הצרכן שהתקין אלא יש אפשרות להזין את רשת החשמל והצרכן מזוכה בהתאם לכמות החשמל שסיפק.
ישנן מערכות שבהן החשמל נאגר בסוללות לשימוש מאוחר יותר.
בישראל הוקמו טורבינות רוח בגולן ברכס חזקה, ליד היישוב אלוני הבשן ובגלבוע ליד היישוב מעלה גלבוע.
טורבינות אלה מספקות פחות מאחוז מצריכת החשמל בישראל.
יש חילוקי דעות באשר לפוטנציאל של אנרגיה זו בישראל אך בכל מקרה לישראל אין פוטנציאל רוח גבוה יחסית למדינות אחרות.
אנרגיה הידרואלקטרית היא אנרגיה חשמלית הפועלת בעזרת אנרגיית תנועה של מים שנופלים ממקום גבוה (בדרך כלל מסכר או ממפל גבוה) מאוד שמסבבים מדחף גדול שיוצר תנועת סיבוב של הטורבינה ושל המגנט בתוך סליל נחושת שיוצר אנרגיה חשמלית.
נכון להיום, אין כמעט תחנות הידרואלקטרית בישראל ובמזרח התיכון.
בישראל הנהר החזק ביותר בישראל הוא נהר הירדן והוא לא מספיק חזק כדי להפעיל תחנה כזו, ולכן זה לא יעיל ולא משתלם כספית לבנות תחנות הידרואלקטריות בישראל.
בארץ ישראל פעלה תחנת חשמל הידרואלקטרית בנהריים שפעלה מיוני 1932 עד לכיבושה על ידי הלגיון של עבר הירדן ב-1948. במקום קיים כיום מרכז מבקרים המציג את ההיסטוריה של המקום.
רעיון נוסף של אנרגיה הידרו-אלקטרית בישראל נקרא תעלת הימים.
בשל הפרשי הגובה בין הים התיכון, או ים סוף, לים המלח, ניתן לנצל את הפרשי הגובה להפקת חשמל הידרואלקטרי.
מספר מיזמים לפיתוח תעלת הימים נחסמו בשל שיקולים פוליטיים.
אנרגיה רדיואקטיבית, או "אנרגיית דעיכה", היא האנרגיה המשתחררת כתוצאה מדעיכה גרעינית.
דעיכה גרעינית הוא תהליך בו גרעין אטום לא יציב מאבד אנרגיה על ידי שחרור חלקיקים יוניים וקרינה.
סופה של הדעיכה, או איבוד האנרגיה, היא שינוי האטום לאטום מסוג שונה.
הפרש האנרגיה בין המגיבים והתוצרים מצוין לרוב באות Q:
Q = (האנרגיה הקינטית של התוצרים) - (האנרגיה הקינטית של המגיבים)
הפרש אנרגיות אלה ניתן להחליף על ידי נוסחתו של אלברט איינשטיין - E=mc²:
אנרגיה רדיואקטיבית תהיה לרוב ביחידות האנרגיה MeV (מיליון אלקטרון וולט) או KeV (אלף אלקטרון וולט).
ΔM(Da) = (סכום מסות התוצרים) - (סכום מסות המגיבים)
קרינת בטא (האנרגיה הרדיואקטיבית מתחלקת בין האלקטרון הנפלט ובין הנייטרינו הבלתי נראה, הנפלטים באותו הזמן)
אנרגיה חופשית היא פוטנציאל תרמודינמי המתאר את האנרגיה הזמינה לניצול עבור מערכת תרמודינמית.
האנרגיה החופשית לפיכך נמדדת ביחידות של אנרגיה.
במערכות תרמודינמיות, בניגוד למערכות מכניות טהורות, העבודה שהושקעה במערכת אינה שווה בהכרח למינוס השינוי באנרגיה שלה.
זאת מכיוון שהמערכת התרמודינמית באינטראקציה עם הסביבה ויכולה להעביר לה, או לקבל ממנה, אנרגיה בצורה של חום למשל.
על כן, כמות העבודה שמערכת תרמודינמית יכולה לבצע אינה שווה לאנרגיה הכוללת שלה, אלא לאנרגיה החופשית שלה.
המונח אנרגיה חופשית משמש בדרך כלל כדי לתאר מנועי חום או תגובות כימיות.
ניתן לתאר אנרגיה חופשית כסך האנרגיה הפנימית של מערכת בניכוי אנרגיה שאינה יכולה לשמש לביצוע עבודה, אלא רק מגדילה את אי-הסדר במערכת.
אנרגיה בלתי שמישה זו תלויה במינוס מכפלת האנטרופיה בטמפרטורה.
מכיוון שמערכות פיזיקליות שואפות להגיע לשיווי משקל, ובתוך כך מערכות תרמודינמיות שואפות להגיע לשיווי משקל תרמודינמי, ישנו קשר הדוק בין האנרגיה החופשית למצב שיווי המשקל.
מתוך המכניקה הסטטיסטית עולה כי מצב שיווי המשקל מתקבל עבור מקסימום של פונקציית הריבוי ולכן על פי הגדרה, עבור מקסימום של האנטרופיה.
מתוך תיאור זה של האנרגיה החופשית עולה כי כאשר מערכת תרמודינמית שואפת להגיע לשיווי משקל תרמודינמי, היא למעשה שואפת למינימום של האנרגיה החופשית.
אם כן, השינוי באנרגיה החופשית משמש לתיאור כיוון ההתפתחות הספונטני של המערכת, כלומר באיזה כיוון היא שואפת להשתנות באופן טבעי וללא השקעת אנרגיה נוספת במערכת.
אנרגיה חופשית היא גודל אקסטנסיבי, כלומר גודלה פרופורציוני לכמות החומר במערכת.
כמו כן, אנרגיה חופשית היא פונקציית מצב, כלומר פונקציה התלויה במצב שיווי המשקל הנוכחי של המערכת בלבד, ולא בהיסטוריה שלה או בתהליך שעברה בהגיעה למצב זה.
גודל האנרגיה החופשית תלוי בבחירת נקודת האפס של הפונקציה, ולכן המשמעות האמיתית טמונה בהפרשי האנרגיות בין מצבים שונים של המערכת, ולא בערך האנרגיה החופשית עצמו.
ניתן לתאר את האנרגיה החופשית בעזרת שתי פונקציות מצב שונות בהתאם למאפיינים של המערכת.
האחת, עבור מערכות בעלות טמפרטורה קבועה, היא האנרגיה החופשית של הלמהולץ.
השנייה, עבור מערכות בלחץ ובטמפרטורה קבועים, היא האנרגיה החופשית של גיבס.
כאמור, האנרגיה חופשית של הלמהולץ מתארת אנרגיה חופשית של מערכת בטמפרטורה קבועה.
פוטנציאל תרמודינמי זה, מוגדר להיות:
כאשר האנרגיה הפנימית, הטמפרטורה ו- האנטרופיה של המערכת.
המשתנים הטבעיים שלה הם הטמפרטורה, הנפח ומספר החלקיקים - .
מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, העבודה שמבצעת מערכת על סביבתה נתונה ע"י: כאשר החום שזרם למערכת ו- השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת.
נסתכל על מערכת הנמצאת במגע תרמי עם מאגר חום בטמפרטורה קבועה, כלומר חום יכול לזרום מהמערכת למאגר או להפך על מנת לשמור על שוויון טמפרטורות בין השניים.
נניח כי המאגר גדול מאוד ביחס למערכת ולכן לתהליכים שעוברת המערכת אין השפעה על טמפרטורת המאגר (ניתן למשל להתייחס לסביבה כולה כאל מאגר החום).
נרצה לבחון תהליך תרמודינמי בו המערכת עוברת ממצב למצב .
עבור תהליך כללי, לא בהכרח הפיך, מתקיים:
מכיוון שמעבר החום מתרחש בין המערכת לבין מאגר חום בטמפרטורה קבועה, ניתן לכתוב:
כלומר ישנו חסם עליון עבור כמות החום שיכולה לעבור בתהליך זה, כאשר שוויון מתקיים עבור תהליך הפיך.
נסמן את השינוי באנרגיה הפנימית ונקבל:
כך מתקבל חסם עליון על העבודה שיכולה המערכת לבצע, כתלות בזרימת החום בינה לבין מאגר החום אליו היא מצומדת.
על ידי הגדרת האנרגיה החופשית של הלמהולץ, , ניתן לכתוב את החסם על העבודה כך:
כאשר כאמור שוויון מתקבל עבור תהליך הפיך.
שיווי משקל ומינימום אנרגיה חופשית
כאמור, ישנו קשר הדוק בין מינימום האנרגיה החופשית ומצב שיווי משקל תרמודינמי.
עבור מערכת בטמפרטורה קבועה וכן בנפח קבוע, האנרגיה החופשית נמצאת במינימום עבור מצב שיווי משקל.
על מנת להראות זאת, נסתכל על מערכת המבודדת מהסביבה.
מערכת זו אינה יכולה לבצע עבודה על סביבתה או להפך.
אם על אף הבידוד מהסביבה מאפשרים מעבר חום בלבד, כאשר המערכת והסביבה שתיהן בטמפרטורה , מקבלים כי התהליכים היחידים שיכולים להתקיים הם איזוכוריים.
עבור תהליך כזה, מקבלים כלומר האנרגיה החופשית של הלמהולץ בתהליך לא יכולה לגדול: .
מסקנה הנגזרת מתוצאה זו היא שמערכת שנמצאת במינימום של האנרגיה החופשית של הלמהולץ היא במצב שיווי משקל יציב.
זאת מכיוון שכל שינוי יביא לאנרגיה חופשית גבוהה יותר בסתירה לתוצאה המתקבלת לעיל, לפיה נצפה שהאנרגיה החופשית תקטן.
בהקבלה לתהליכים מכניים ומינימום של אנרגיה פוטנציאלית, האנרגיה החופשית של הלמהולץ לעיתים מכונה "הפוטנציאל התרמודינמי בנפח קבוע".
תהליך הפיך הוא תהליך שנעשה בצורה איטית דיו כך שהמערכת נשארת בשיווי משקל לאורך התהליך (או אינפינטסימלית קרוב לשיווי משקל).
כפועל יוצא, פונקציות המצב של המערכת מוגדרות היטב במהלך תהליכים אלו.
עובדה זו מאפשרת להגדיר את הדיפרנציאל שלהן.
עבור תהליכים שאינם הפיכים פונקציות המצב לא מוגדרות כלל, אך לעיתים ניתן להסתכל במקום זאת על תהליך הפיך בו המצב ההתחלתי והסופי זהים, ולהסיק ממנו מסקנות.
עבור תהליך הפיך ניתן להגדיר את הדיפרנציאל של האנרגיה החופשית של הלמהולץ.
נפתח תחילה עבור מערכת בעלת מספר חלקיקים קבוע.
עבור תהליך הפיך בטמפרטורה קבועה מתקיים:
ולכן מהחוק הראשון של התרמודינמיקה, הביטוי הדיפרנציאלי עבור האנרגיה הפנימית הוא:
נסיק כי הביטוי עבור הדיפרנציאל של האנרגיה החופשית הוא:
ניתן בקלות להכליל למקרה בו מאפשרים למספר החלקיקים להשתנות:
על ידי גזירה של על פי משתנה יחיד תוך החזקת היתר קבועים, ניתן לקבל:
בתהליכים רבים הגדלים התרמודינמיים שנשארים קבועים הם הטמפרטורה והלחץ.
תהליכים אלו נקראים תהליכים איזותרמיים ואיזובריים.
כאמור, במקרים אלו האנרגיה החופשית הרלוונטית לתיאור מצב המערכת היא האנרגיה חופשית של גיבס.
ניתן להראות שבמערכות אלו שיווי משקל יציב מתקבל עבור מינימום של האנרגיה החופשית של גיבס.
באנלוגיה לאנרגיה החופשית של הלמהולץ, האנרגיה החופשית של גיבס נקראת לעיתים "הפוטנציאל התרמודינמי בלחץ קבוע".
הגדרת האנרגיה החופשית של גיבס שימושית במיוחד בתגובות כימיות, בהן הנפח משתנה אבל הלחץ נותר קבוע.
האנרגיה החופשית של גיבס מוגדרת להיות:
כאשר האנרגיה הפנימית, הטמפרטורה, האנטרופיה, הנפח ו- הלחץ של המערכת.
המשתנים הטבעיים שלה הם הטמפרטורה, הלחץ ומספר החלקיקים - .
מתוך האנרגיה החופשית של הלמהולץ
נסתכל על מערכת הנמצאת במגע תרמי עם מאגר חום בטמפרטורה קבועה, וכן עם אמבט לחץ השומר על לחץ קבוע.
נניח כי למערכת אין השפעה על הטמפרטורה באמבט החום ועל הלחץ באמבט הלחץ.
אם כן, נבחן תהליך תרמודינמי בו המערכת עוברת ממצב למצב תוך שמירה על טמפרטורה קבועה ועל לחץ קבוע .
נסמן את הנפחים ההתחלתי והסופי של המערכת ב- בהתאמה למצבים ההתחלתי () והסופי ().
מכיוון שהמערכת בצימוד לאמבט חום, כלומר גם כאן מדובר בתהליך איזותרמי, מתקיים:
על ידי הגדרת האנרגיה החופשית של גיבס, , מקבלים:
מהתוצאה לעיל נסיק כי בתהליך איזותרמי ואיזוברי של מערכת כלשהי, האנרגיה החופשית של גיבס לא יכולה לגדול.
המשמעות היא שעבור תהליכים אלו, שיווי משקל תרמודינמי יציב מתקבל עבור מינימום של האנרגיה החופשית של גיבס.
ניתן לראות זאת באופן דומה לטיעון שנעשה עבור האנרגיה החופשית של הלמהולץ: אם נניח כי מערכת נמצאת במינימום של האנרגיה החופשית של גיבס, כל תהליך ספונטני יגרור עליה באנרגיה זו בסתירה לאי שוויון שקיבלנו לעיל.
דרך נוספת לקבל את האנרגיה החופשית של גיבס היא דרך האנתלפיה.
האנתלפיה גם היא פוטנציאל תרמודינמי, ומבוטאת על ידי האנטרופיה, הלחץ ומספר החלקיקים.
האנתלפיה רלוונטית לתיאור תהליכים בלחץ קבוע (תהליכים איזוברים), וממלאת תפקיד דומה לזה של האנרגיה הפנימית בתהליכים בנפח קבוע.
אם השינוי בנפח המערכת הוא אזי העבודה היא חלק מהעבודה הכוללת שנעשתה בתהליך.
אם הביטוי המתקבל עבור העבודה חיובי אזי העבודה נעשתה על ידי הסביבה.
אם הביטוי שלילי, כלומר , אז העבודה נעשתה על ידי המערכת על מנת "לדחוף" את הסביבה ולפנות מקום להתרחבות המערכת, ולכן באה על חשבון גדלים אחרים במערכת ואינה זמינה לה יותר.
לכן, נהוג להגדיר את העבודה האפקטיבית שנעשתה על המערכת:
כאשר האנתלפיה הוגדרה באופן הבא:
מתוך ההגדרה של העבודה האפקטיבית עולות שתי מחלקות של תהליכים בלחץ קבוע:
תהליכים עבורם , כלומר .
תהליכים בלחץ קבוע וגם בטמפרטורה קבועה.
עבור המחלקה השנייה (לחץ וטמפרטורה קבועים) מתקיים , ולכן מקבלים:
כאשר האנרגיה החופשית של הלמהולץ, והגדרנו:
כלומר, עבור תהליך הפיך במערכת בטמפרטורה ולחץ קבועים, העבודה האפקטיבית שווה לשינוי באנרגיה החופשית של גיבס.
נשים לב שהביטוי של אנרגיית גיבס באמצעות האנתלפיה שקול לביטוי שהתקבל על פי אנרגיית הלמהולץ:
נסתכל שוב על תהליך הפיך עבורו פונקציות המצב מוגדרות היטב בכל זמן, ונקבל ביטוי עבור הדיפרנציאל של האנרגיה החופשית של גיבס.
נפתח תחילה עבור מערכת בעלת מספר חלקיקים קבוע ולאחר מכן נכליל למקרה הכללי.
נשתמש בדיפרנציאל של האנרגיה החופשית של הלמהולץ שקיבלנו לעיל:
ולכן הביטוי עבור הדיפרנציאל של האנרגיה החופשית של גיבס הוא:
ניתן לראות כי אכן מתקבל עבור מערכת בלחץ, בטמפרטורה ובמספר חלקיקים קבוע , כלומר האנרגיה החופשית של גיבס באקסטרמום.
ההסבר לכך שמדובר במינימום ולא במקסימום נובע מסימן המינוס של האנטרופיה בהגדרת האנרגיה החופשית של גיבס.
כל תהליך פנימי במערכת במהלכו האנטרופיה גדלה גורר שהאנרגיה החופשית של גיבס קטנה, ולכן לא ייתכן שמדובר בנקודת מקסימום.
פוטנציאל כימי והאנרגיה החופשית של גיבס לחלקיק יחיד
כאמור, האנרגיה החופשית היא גודל אקסטנסיבי.
כמוה כך גם האנטרופיה, האנרגיה הפנימית וכמובן מספר החלקיקים.
לעומתם, הטמפרטורה והלחץ הם גדלים אינטנסיביים שאינם מושפעים מגודל המערכת.
המשמעות היא שאם נחבר שתי מערכות זהות לכדי מערכת אחת, הטמפרטורה והלחץ לא ישתנו כתוצאה מכך, בעוד שהאנרגיה הפנימית, האנטרופיה ומספר החלקיקים יגדלו ליניארית עם גודל המערכת.
תחת ההנחה שאנרגיית גיבס פרופורציונית לכמות החלקיקים במערכת, נוכל לכתוב:
עבור פונקציה כלשהי שתלויה במשתנים האינטנסיביים בלבד.
גזירה חלקית לפי כאשר שאר המשתנים מוחזקים קבועים נותנת:
נשתמש בהגדרת הפוטנציאל הכימי ונקבל:
כלומר, עבור מערכת בעלת חלקיק בודד מתקיים: ולכן הפוטנציאל הכימי נקרא גם האנרגיה החופשית של גיבס פר חלקיק.
עבור מערכת עם כמה סוגי חלקיקים ניתן להכליל:
התמרת לז'נדר היא שיטה נפוצה במתמטיקה ובפיזיקה למעבר מתיאור של פונקציה באמצעות משתנים כלשהם אל תיאור של אותו המידע באמצעות משתנים התלויים בנגזרותיה.
ההתמרה מוגדרת עבור פונקציות ממשיות וקמורות של משתנה יחיד.
ההתמרה מוגדרת על ידי ההנחה שהנגזרות הראשונות של הפונקציה ושל התמרתה הן הופכיות זו לזו.
ניתן להרחיב את הגדרת ההתמרה עבור פונקציות שאינן קמורות.
הרחבה זו נקראת התמרת לז'נדר-פינשל.
עבור פונקציה כללית , נסמן .
נגדיר את התמרת לז'נדר של :
עבור פונקציות רבות משתנים ההתמרה מתבצעת באופן הבא:
ניתן לתאר אנרגיה של מערכת תרמודינמית באמצעות מספר החלקיקים בה, הנפח והאנטרופיה שלה - .
תיאור זה מתקבל באופן טבעי בפיזיקה סטטיסטית מתוך הגדרת האנטרופיה כלוגריתם של פונקציית הריבוי.
עם זאת, פיזיקה היא מדע ניסיוני, ולכן פעמים רבות ישנה העדפה לבחור את המשתנים הבלתי תלויים בניסוי כאלו שיותר קל לקבע, ולתת ליתר להשתנות בהתאם.
דוגמה לכך היא מעבר מתיאור של האנרגיה הפנימית אל האנרגיה החופשית.
מכיוון שאנרגיה ונפח הם משתנים שיותר קשה לקבע בניסוי, טבעי לעבור לפונקציות הנשלטות על ידי משתנים כגון טמפרטורה או לחץ.
כפי שנעשה בפיתוח לעיל של האנרגיה החופשית של הלמהולץ, אם נרצה לקבע את הטמפרטורה או הלחץ, נצמד את המערכת אל אמבט חום עבור טמפרטורה קבועה ואל אמבט חלקיקים עבור לחץ קבוע.
נסתכל שוב על מערכת בצימוד לאמבט חום.
נניח כי בנוסף לכך המערכת שומרת על נפח קבוע.
תחת תנאים אלו הטמפרטורה נשמרת קבועה ואילו האנרגיה נקבעת לפיה.
לפיכך, נרצה לעבור מתיאור התלוי באנטרופיה לתיאור התלוי בטמפרטורה .
לפי הביטוי הדיפרנציאלי של האנרגיה הפנימית ניתן לבטא את הטמפרטורה באמצעות הקשר
באופן זהה לחלוטין, עבור מערכת המורכבת מסוגים שונים של חלקיקים , כאשר מכל סוג חלקיקים:
וכמובן שזו בדיוק האנרגיה החופשית של הלמהולץ.
מערכת בצימוד לאמבט חום ולאמבט לחץ
פיתוח דומה ניתן לעשות עבור מערכת בצימוד לאמבט חום ולחץ.
נשים לב כי אין צורך לצאת שוב מתוך התיאור של האנרגיה הפנימית שכן ניתן להשתמש בתוצאה שהתקבלה עבור האנרגיה החופשית של הלמהולץ.
זו, נגזרה עבור מערכת בצימוד לאמבט חום, ולכן נכונה גם כאן.
בנוסף לכך, נרצה להמיר את התלות בנפח לתלות בלחץ, גם הוא משתנה שלעיתים יותר קל לשלוט עליו בניסוי.
על פי הביטוי הדיפרנציאלי של האנרגיה ניתן לבטא את הלחץ:
כעת, ניתן לקחת את האנרגיה החופשית של הלמהולץ ועבור לתיאור הבעיה במונחי הלחץ.
וגם כאן, עבור מערכת בעלת סוגים שונים של חלקיקים:
וכמצופה, קיבלנו בדיוק את האנרגיה החופשית של גיבס.
גם כאן ניתן להגיע לביטוי שקול דרך האנתלפיה.
כפי שצוין לעיל, הגדרה האנתלפיה היא:
מכיוון שהאנתלפיה כבר מבוטאת באמצעות הלחץ, נותר להמיר את התלות באנטרופיה לתלות בטמפרטורה.
הביטוי הדיפרנציאלי עבור האנתלפיה הוא:
ובאופן דומה לפיתוחים לעיל, על ידי התמרת לז'נדר של האנתלפיה מקבלים:
כעת ניתן להציב את הביטוי עבור האנתלפיה ולשים לב כי מתקיים:
וכמובן שקיבלנו את אותו הביטוי.
תהליך ספונטני הוא תהליך שמתרחש ללא צורך בהשקעת אנרגיה חיצונית.
מהחוק השני של התרמודינמיקה, תהליך יקרה באופן ספונטני רק אם האנטרופיה של היקום לא תקטן בתהליך.
כאמור, האנרגיה החופשית (של גיבס או של הלמהולץ, כתלות בתנאי המערכת) היא מדד לכמות האנרגיה הזמינה למערכת לביצוע עבודה.
כתוצאה מכך, השינוי באנרגיה החופשית בתהליך מספק מידע לגבי ספונטניות התהליך.
כלומר, כדי לקבוע אם תהליך הוא ספונטני, נתעניין בשינוי באנרגיה החופשית ולא בגודלה ברגע נתון.
נבחן את השינוי באנרגיה החופשית של גיבס בתהליך בטמפרטורה ובלחץ קבועים.
- אנרגיה הושקעה במערכת על מנת לאפשר לתהליך לקרות.
תהליך זה אינו ספונטני, ולמעשה יתפתח באופן ספונטני בכיוון ההפוך, כלומר חזרה למצבו ההתחלתי בעל האנרגיה החופשית הנמוכה יותר.
תהליכים כימיים המקיימים תנאי זה נקראים תגובה אנדרגונית (endergonic reaction).
- אנרגיה השתחררה מהמערכת בתהליך והוא ספונטני ולכן באופן טבעי ימשיך להתפתח באותו הכיוון.
תהליכים כימיים המקיימים תנאי זה נקראים תגובה אקסרגונית (exergonic reaction).
- אם לא היה שינוי באנרגיה החופשית של גיבס, המערכת נמצאת במצב שיווי משקל יציב ולכן תישאר כפי שהיא.
על מנת להעריך האם התהליך ספונטני, נרצה לחשב את השינוי באנרגיה החופשית של גיבס.
שינוי זה תלוי בשינוי באנטרופיה, בשינוי באנתלפיה ובטמפרטורה (הקבועה כמובן): .
נזכור שמתקיים , ולכן המצבים האפשריים הם:
, - במקרה זה השינוי באנרגיה החופשית של גיבס יהיה שלילי עבור כל טמפרטורה, שכן זו סכימה של שני איברים שליליים.
, - באופן דומה, מקרה זה השינוי באנרגיה החופשית של גיבס יהיה חיובי עבור כל טמפרטורה, שכן זו סכימה של שני איברים חיוביים.
, - כעת ישנה תלות בטמפרטורה, שכן זו תקבע איזה מהביטויים יהיה משמעותי יותר.
עבור טמפרטורה נמוכה דיו נקבל תהליך ספונטני.
, - זה המקרה ההפוך ל-3. כעת נקבל כי התהליך ספונטני עבור טמפרטורה גבוהה מספיק.
באופן דומה, תהליכים בטמפרטורה ובנפח קבועים יתרחשו באופן ספונטני רק עבור .
את מסקנה זו קיבלנו לעיל כאשר בחנו מערכת בצימוד לאמבט חום.
אם נסתכל על המערכת והאמבט יחדיו כמערכת סגורה ומבודדת מהסביבה, נקבל שהתהליכים היחידים שיכולים להתרחש הם ספונטנים.
התוצאה התקבלה על ידי הגדרת האנרגיה החופשית של הלמהולץ, כאשר משמעו שהמערכת כבר בשיווי משקל תרמודינמי יציב.
גם כאן, ניתן לבחון כל אחד מהאיברים התורמים לשינוי באנרגיה החופשית של הלמהולץ (, ) ולהסיק האם התהליך ספונטני או לא.
למעשה בכך קיבלנו ביטוי לכך שמערכות בטבע שופאות למינימום אנרגיה ולמקסימום אנטרופיה.
מתוך הגדרת האנרגיות החופשיות והדיפרנציאלים שלהן, ניתן להקיש כמה קשרים תרמודינמיים.
קשרים אלו הם חלק מקשרי מקסוול.
נכונותם נובעת מכך שניתן לשנות את סדר הגזירה עבור נגזרות שניות מעורבות של הפוטנציאלים התרמודינמיים.
בתור דוגמה ניקח את הקשרים ו- שקיבלנו מהאנרגיה החופשית של גיבס.
נצא מתוך הביטוי עבור הנפח ונגזור בשנית, הפעם לפי הטמפרטורה.
כאשר המעבר האמצעי נובע מכך שהפוטנציאל התרמודינמי הוא פונקציה אנליטית ולכן:
את אותו הפיתוח ניתן לעשות עבור המשתנים האחרים, וכן עבור האנרגיה החופשית של הלמהולץ במקום האנרגיה החופשית של גיבס.
להלן הקשרים המתקבלים בצורה זו:
מתוך האנרגיה החופשית של גיבס
נקח לדוגמה קרח ונבחן האם הוא נמס באופן ספונטני כתלות בטמפרטורה.
אנו למעשה בוחנים את מעבר הפאזה של מים מפאזת מוצק לפאזת נוזל.
נשים לב כי תהליך זה מתרחש בלחץ ובטמפרטורה קבועים הנקבעים על פי טמפרטורת הסביבה והלחץ האטמוספירי.
נניח כי טמפרטורת הסביבה היא כלומר כ- .
שינוי האנתלפיה והאנטרופיה עבור התכה של מים נתונים ע"י:
בתהליך זה השינוי באנתלפיה וכן השינוי באנטרופיה חיוביים, ולכן עלינו לשקול גם את טמפרטורת הסביבה.
נחשב את השינוי באנרגיה החופשית של גיבס:
קיבלנו ביטוי שלילי ולכן התהליך ספונטני, בהתאם לאינטואיציה.
כלומר קרח נמס באופן ספונטני בטמפרטורה של כ- .
אלקטרוליזה היא שיטה לפירוק תרכובת יונית ליסודותיה בעזרת זרם חשמלי.
באלקטרוליזה של מים ניתן לפרק את מולקולות המים למולקולות דו אטומיות של חמצן ולמולקולות דו אטומיות של מימן .
בעבר נעשה שימוש בשיטה זו על מנת להפיק מימן ממים ואילו כיום משתמשים בשיטה זו על מנת להפיק חמצן בצוללות ובתחנות חלל.
עבור אלקטרוליזה של מול אחד של מים נקבל מול אחד של מולקולות מימן וחצי מול מולקולות חמצן, כפי שניתן להסיק מהנוסחה המולקולרית של מים - .
נקח לדוגמה תהליך כזה המתרחש בטמפרטורה של (כלומר ) ובלחץ אטמוספירי.
כלומר, תהליך זה מתרחש בלחץ ובטמפרטורה קבועים, ולכן נתעניין בשינוי באנרגיה החופשית של גיבס.
בשיטה זו משתמשים בספק כוח ומכניסים למכל המים שתי אלקטרודות (קתודה ואנודה), כפי שניתן לראות באיור.
הערכים עבור הפוטנציאליים התרמודינמיים הרלוונטיים הם:
ניתן להראות שהעבודה שעשתה המערכת היא , כלומר השינוי באנרגיה הפנימית הוא:
השינוי באנתלפיה מבטא את האנרגיה הדרושה לביצוע האלקטרוליזה.
אנרגיה זו מגיעה בצורה של אנרגיה חשמלית מספק הכוח.
ואולם, אין צורך לספק את כל האנרגיה הזו כך.
ניתן לראות שגם האנטרופיה גדלה בתהליך, וזו יכולה להגיע מהסביבה בטמפרטורה הקבועה.
האנרגיה החשמלית הדרושה, מתקבלת על פי השינוי באנרגיה החופשית של גיבס.
על פי הגדלים בטבלה נקבל שהשינוי הוא:
קיבלנו ביטוי חיובי ולכן ניתן לראות שזה תהליך שאינו ספונטני, ושהיה עלינו לספק אנרגיה למערכת על מנת לאפשר לתהליך לקרות.
את הזהויות המתקבלות עבור האנרגיה החופשית ניתן להסיק גם מתוך הפיזיקה סטטיסטית.
בתחום זה הניתוח של מערכות פיזיקליות נעשה באמצעות בכלים מתמטיים של תורת ההסתברות.
בהקשר זה מוצגת פונקציית הריבוי, המתארת את מספר המצבים המיקרוסקופיים של מערכת תרמודינמית עבור מצב מאקרוסקופי יחיד (ניוון).
בפיזיקה סטטיסטית האנטרופיה מוגדרת כלוגריתם הטבעי של פונקציית הריבוי, ולכן גדלה ככל שמספר המצבים המיקרוסקופיים האפשריים גדל עבור מצב מאקרוסקופי יחיד.
בדומה להסתכלות הסתברותית זו, ישנו עקרון בעל דמיון קונספטואלי מתחום מדעי המוח.
עיקרון זה נקרא עקרון האנרגיה החופשית והוא מבוסס על התפיסה של המוח כמכונה סטטיסטית.
העיקרון הוצג לראשונה על ידי הפיזיקאי והרופא הגרמני הרמן פון הלמהולץ, על שמו כמובן נקראת גם האנרגיה החופשית של הלמהולץ.
עקרון האנרגיה החופשית בהקשר זה, מתאר כיצד יצורים חיים התפתחו למחיה ב"מרחב מצבים" בו האנטרופיה מוגבלת.
כלומר, יצורים חיים מגבילים עצמם לכמות המצבים המסתברים ביותר שיחושו, על מנת למזער את "אלמנט ההפתעה".
המצבים המסתברים ביותר מתעדכנים כמובן באופן שוטף על פי האינטראקציה שלהם עם הסביבה.
על אף שמדובר בהקבלה מעט רופפת, ישנם קווי דמיון בין האנרגיה החופשית כפוטנציאל תרמודינמי ובין עקרון האנרגיה החופשית במדעי המוח.
בדומה לכך, ישנו שימוש נרחב גם במושג האנטרופיה בתחומים של תורת האינפורמציה, מדעי המחשב, ומדעי המוח.
ישנם אף ניסיונות לשימוש בביטוי עבור האנרגיה החופשית של הלמהולץ ברשתות מבוססות נוירונים בבינה מלאכותית.
בפיזיקה, אנרגיה מכנית הוא מושג המתאר את סכום האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית, המוצגות כרכיבי מערכת מכנית.
זוהי אנרגיה הקשורה בתנועה ובמיקום של גוף.
חוק שימור האנרגיה קובע כי במערכת מבודדת, אשר כפופה רק לכוחות משמרים, כמו כוח הכבידה, האנרגיה המכנית היא קבועה.
אם הגוף נע בכיוון ההפוך של שקול הכוחות המשמרים, האנרגיה הפוטנציאלית תגדל ואם גודל מהירות הגוף משתנה, האנרגיה הקינטית של הגוף משתנה גם כן.
בכל מערכת שבה אין כוחות משמרים, כמו כוחות חיכוך, יהיו אשר יהיו הכוחות, לעיתים קרובות ערכיהם זניחים אבל האנרגיה המכנית הופכת לקבועה ולכן יכולה לשמש לקירוב שימושי.
בהתנגשות אלסטית, האנרגיה המכנית משתמרת, אך בהתנגשות פלסטית, חלק מהאנרגיה המכנית מומרת לחום.
הקשר בין איבוד אנרגיה מכנית ושינוי בטמפרטורות התגלה על ידי ג'יימס פרסקוט ג'אול.
מכשירים מודרניים רבים, כגון מנוע חשמלי או מנוע קיטור, משמשים כיום כדי להמיר אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה, כגון אנרגיה חשמלית, או להמיר צורות אנרגיה אחרות, כמו חום, לאנרגיה מכנית.
אנרגיה היא גודל סקלרי והאנרגיה המכנית של המערכת היא סכום של האנרגיה הפוטנציאלית – אשר נמדדת על פי המיקום של חלקי המערכת, והאנרגיה הקינטית – אשר נקראת גם אנרגיית תנועה:
חוק שימור האנרגיה המכנית קובע שאם גוף או מערכת כפופים רק לכוחות משמרים, האנרגיה המכנית הכוללת של הגוף או המערכת נשארת קבועה.
ההבדל בין כוח משמר לזה שאינו משמר הוא שכאשר כוח משמר מניע גוף מנקודה אחת לאחרת, העבודה הנעשית על ידיו תלויה רק בנקודת ההתחלה והסיום ולא במסלול ובצורתו.
לעומת זאת, כאשר כוח לא משמר פועל על גוף, העבודה שנעשית על ידו תלויה באורך ובצורת המסלול.
אנרגיה פוטנציאלית, U, תלויה במיקום של הגוף וכפופה לכוח משמר.
זה מוגדר כיכולת של גוף לבצע עבודה, והאנרגיה הפוטנציאלית גדלה ככל שהגוף נע בכיוון ההפוך לכיוון הכוח.
אם F מייצג את הכוח המשמר ו-x את המיקום, האנרגיה הפוטנציאלית של הכוח בין שני הגבולות x1 ו-x2 מוגדרת כאינטגרל השלילי של F מנקודה x1 לנקודה x2:
אנרגיה קינטית, K, תלויה במהירותו של הגוף והיא מוגדרת כיכולת של גוף נע לבצע עבודה על גופים אחרים כאשר הוא מתנגש בהם.
היא מוגדרת כמחצית מסת הגוף בריבוע המהירות שלו, האנרגיה הקינטית הכוללת של מערכת גופים היא סכום האנרגיות הקינטיות של הגופים השונים:
מבין שלושת חוקי השימור הגדולים של המכניקה קלאסית, חוק שימור האנרגיה נחשב לחשוב ביותר.
על פי חוק זה, האנרגיה המכנית של מערכת מבודדת נותרת קבועה בזמן, כל עוד המערכת היא ללא כל כוחות חיכוך, כולל החיכוך הפנימי שבסופו של דבר מתחולל מההתנגשויות של הגופים השוכנים במערכת.
בכל מצב אמיתי, כוחות חיכוך וכוחות לא משמרים אחרים הם תמיד נוכחים במערכת, אבל במקרים רבים השפעתם על המערכת כל כך מזערית כך שעקרון שימור האנרגיה המכנית יכול לשמש לקירוב סביר.
אף על פי שאנרגיה לא ניתנת ליצור ואף לא נהרסת במערכת מבודדת, האנרגיה עלולה להיות מומרת לכל צורה אחרת של אנרגיה.
כך, במערכת מכנית כמו מטוטלת מתנדנדת, הנתונה לכוח הכבידה, כח משמר, שבה כוחות חיכוך כמו חיכוך האוויר וחיכוך על הצירים הם זניחים, אנרגיה עוברת הלוך ושוב בין האנרגיה הקינטית לאנרגיה פוטנציאלית אבל אף פעם לא עוזבת את המערכת.
במטוטלת האנרגיה הקינטית מומרת לאנרגיה הפוטנציאלית, ולהפך, אבל לעולם לא נעלמת מהמערכת.
כאשר המטוטלת מגיעה למצב אנכי, היא משיגה הכי הרבה אנרגיה קינטית והכי פחות אנרגיה פוטנציאלית וזה נובע מכך שבנקודה זאת גודל המהירות הוא הגדול ביותר וכן המטוטלת קרובה ביותר לכדור הארץ בנקודה זו.
מצד שני, יהיה לה הכי פחות אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית מרבית כאשר היא תהיה בעמדות הקיצוניות של הנדנדה שלה, כי שם גודל המהירות הוא אפס והמטוטלת רחוקה ביותר מפני כדור הארץ בנקודות אלו.
עם זאת, כאשר לוקחים את כוחות החיכוך בחשבון, המערכת מאבדת אנרגיה מכנית עת נדנודה נזה בגלל העבודה שנעשית על ידי המטוטלת במטרה להתנגד לכוחות הלא משמרים כגון החיכוך.
שקילות זו בין אנרגיית חום לאנרגיה מכנית חשובה במיוחד כאשר בוחנים גופים מתנגשים.
בהתנגשות אלסטית, האנרגיה המכנית משתמרת, כלומר סכומן של האנרגיות הקינטיות של הגופים המתנגשים זהה לפני ואחרי ההתנגשות.
לאחר ההתנגשות פלסטית, לעומת זאת, האנרגיה המכנית הכוללת של המערכת משתנה.
בדרך כלל, האנרגיה המכנית הכוללת אחרי ההתנגשות היא קטנה יותר מאשר האנרגיה המכנית הכוללת הראשונית והאנרגיה המכנית האובדת מומרת לחום.
עם זאת, האנרגיה המכנית הכוללת יכולה להיות גדולה יותר לאחר התנגשות פלסטית אם למשל ההתנגשות גורמת לפיצוץ אשר ממיר אנרגיה כימית לאנרגיה מכנית.
בהתנגשות פלסטית, החלקיקים הקטנים ביותר מהם הגוף מורכב, מזועזעים ומטולטלים מעלה ומטה.
בקנה מידה קטן, תנועות אלו נצפו כעלייה בחום והן זקוקות לאנרגיה הקינטית שנלקחה מהתנועה הרחבת היקף של הגופים שנצפו באופן ישיר.
לכן, האנרגיה הכוללת של המערכת נותרת ללא שינוי למרות שינוי באנרגיה המכנית.
כיום, אמצעים טכנולוגיים רבים ממירים אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה ולהפך.
התקנים אלה יכולים להיות ממוקמים בקטגוריות הבאות:
מנוע חשמלי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.
גנרטור הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.
מנוע בעירה פנימית הוא מנוע חום אשר מקבל אנרגיה מכנית מאנרגיה כימית על ידי שריפת דלק.
מאנרגיה מכנית זו, מנוע הבעירה הפנימית לעיתים קרובות מייצר חשמל.
מנוע קיטור ממיר את אנרגיית חום של קיטור לאנרגיה מכנית.
הטורבינה הופכת את האנרגיה הקינטית של זרם של גז או נוזל לאנרגיה מכנית.
סיווג של אנרגיה לסוגים שונים לעיתים קרובות מלווה את גבולות תחומי המחקר והלימוד במדעי הטבע.
אנרגיה כימית היא סוג של אנרגיה פוטנציאלית שמאוחסנת בקשרים כימיים, והיא נלמדת בכימיה.
אנרגיה גרעינית היא האנרגיה האצורה בתוך אינטראקציות בין חלקיקים בגרעין האטום, והיא נלמדת בפיזיקה גרעינית.
אנרגיה אלקטרומגנטית היא בצורה של מטענים חשמליים, שדות מגנטיים, ופוטונים.
צורות שונות של אנרגיה, מכניקת הקוונטים למשל, צופה את רמות אנרגיה של האלקטרונים באטום.
כאשר מודדים אנרגיה מכנית, גוף נחשב לשלם, שנאמר על ידי אייזק ניוטון: "התנועה של גוף שלם היא סכום של תנועות החלקים; כלומר, שינוי במיקום של חלקי המערכת, משנה את מיקומו השלם של הגוף ולכן האנרגיה היא פנימית במערכת".
בפיזיקה, המהירות היא גודל סקלרי ו-v הוא וקטור.
במילים אחרות, v היא המהירות בכיוון ולכן יכולה להשתנות מבלי לשנות את גודל מהירות הגוף שכן מהירות היא גודל מספרי של v.
חוקי השימור האחרים הם שימור תנע קווי ושימור תנע זוויתי.
אנרגיה חולנית היא להקה ישראלית.
שירי הלהקה הם בעיקר באנגלית ומיעוטם בעברית, ומבוצעים בסגנון ייחודי המושפע ממוזיקת הרוק.
בין הנשים שהופיעו עם ההרכב ניתן למנות את קארין אופיר, שרה אדלר, הילי ילון, אפרת כהן, מאיה מרון, רננה רז, אילה זילברמן וטופז מרום, אך הסולנית איתה התפרסמה הלהקה בראשית דרכה המוזיקלית היא לילך נסטוביץ'.
להקת אנרגיה חולנית הוקמה בראשית שנות התשעים.
חברי הלהקה ניסו למצוא דרך עצמאית בסגנון מוזיקלי לא מקובל: הם יצרו שירים מקוריים ששמותיהם ואווירתם לקוחים מעולם הקולנוע – מסרטי אימה ומדע בדיוני של שנות החמישים דרך מחזות זמר, סרטי הרפתקאות וריגול ועד אופרות הרוק של שנות השבעים.
הייחוד הזה משך את תשומת לבו של דב זעירא, מחברת "התקליט חיפה", והוא החליט להחתים את הלהקה על חוזה הקלטות של חמש שנים.
ההרכב הראשוני של הלהקה כלל שלושה חברים מרכזיים: הזמרת לילך נסטוביץ, והנגנים אריק טיקמן לגרקוויסט ואריה פיין.
בעיבוד והפקה מוזיקלית של יוג'י גבאי (שגם ניגן בכלים רבים) הקליטו השלושה 13 שירים שהלחין אריה פיין ושאת מילותיהם כתבה אורטויה לאדנר, לעיתים עם שותפים.
בראשית שנת 1993 יצא אלבום הבכורה של הלהקה "קומדיה של סיוטים".
הלהיטים הגדולים מהאלבום היו: "הכדור האחרון", "הציפור עם כנפי הבדולח", "הייתי אשתו של החתול מהירח", "נוסע עובר בגשם" ו"בלילה הדובה" (דואט עם שרון ליפשיץ).
התגובות הפושרות לאלבום ואי הצלחתו גרמו ללהקה לצאת לחופשה ארוכה.
על אף שהלהקה הקליטה מספר אלבומים נוספים אחרים עם סולניות אחרות, הלהקה לא הצליחה להשאיר להיטים נוספים מאותם אלבומים אלו.
היות שההרכב משתנה לעיתים קרובות, קשה לומר מהו בדיוק ההרכב.
עם זאת, ב"גרעין הקשה" של ההרכב ניתן לציין את אורטויה לאדנר על "צעקות" וכלים שונים, את נגן האורגן אריה פיין ואת האחראי על ויזואליה פסיכדלית (הקרנות שונות בפילמים בפורמט 16מ"מ וסופר8, עם מקרנות ישנות, שמשמשות את ההרכב בהופעותיו) יונתן גוטסמן.
במוזיקאים שהשתתפו על בסיס קבוע בהרכב, בהופעות ובהקלטות השונות ובסרטים עצמם, ניתן למנות את מיקי אנגל (תופים), אסף בארי (אבוב), רועי בר-יהודה (סקסופון).
כיום רשומה הלהקה תחת השם: The Energia Qholanytt.
בשנת 2022 השתתפו בסרט התיעודי "עצבני ומהיר: הסיפור של פאסט מיוזיק והפטיפון" של עמית איצקר.
1993 – קומדיה של סיוטים
1999 – הבלט הבלתי גמור (עם הסולנית קארין אופיר)
2002 – Made on Pathephone (עם הסולניות אפרת כהן ואליס די.)
2007 – Made on Pathephone (הוצאה שנייה מחודשת)
2007 – Amazing Grease (עם הסולנית ענאל יונס)
2011 – Charm and Asane (עם הסולנית נעמה שנדר)
2011 – Tour De Sens (עם הסולנית שרה אדלר)
2014 – Miracles Between Poles (עם הסולנית אילה זילברמן)
2021 – Eightest Wish Outfinity (עם הסולנית רומי נץ) – קיים רק בפורמט דיגיטלי.
1992 – מה עשית כשכבו האורות (מע"ג תקליט שדרים "12), התקליט חיפה, ללא מק"ט
1992 – הייתי אשתו של החתול מהירח (מע"ג תקליט שדרים "12), התקליט חיפה, ללא מק"ט
1992 – הציפור עם כנפי הבדולח (מע"ג תקליט שדרים "12), התקליט חיפה,מק"ט S.Z
1992 – נוסע עובר בגשם (מע"ג תקליט שדרים "12), התקליט חיפה, ללא מק"ט
1993 – בלילה הדובה (דואט עם הזמרת שרון ליפשיץ), (מע"ג תקליט שדרים "12), התקליט חיפה, ללא מק"ט
1996 – ארוחתו של תינוק / ילדה לבנה (מע"ג תקליטור שדרים), התקליט חיפה, מק"ט EP#3 – DJ 049
1999 – ורטיגו / רעל במים / ילדה לבנה (מע"ג תקליטור שדרים), התקליט חיפה,מק"ט EP#1
2000 – הפועל תל אביב – המנון האוהדים והשחקנים (בניצוחו של הזמר אריאל זילבר) לעונת 1999/2000 (מע"ג תקליטור שדרים), אלבי הפקות בע"מ, ללא מק"ט
2002 – Angela's Combination (מע"ג תקליטור שדרים), היפיז רקורדס, ללא מק"ט
2004 – Jasmin Stone (עם הזמרת והיוצרת יסמין אבן), היפיז רקורדס, ללא מק"ט
2004 – Filles De La Plage (עם הזמרת איזבל מולר, (מע"ג תקליטור שדרים), היפיז רקורדס, מק"ט HS-DE-LUX 2000
2004 – Act Like The Monkies (בשיתוף עם להקת Grey), (מע"ג תקליטור שדרים), התקליט חיפה בע"מ/היפיז רקורדס, מק"ט DJ069
2006 – Beautiful June (עם הזמר עקיבא נוף, ותכלת סמל), (מע"ג תקליטור שדרים), התקליט חיפה בע"מ/היפיז רקורדס, מק"ט DJ 073
חולק חינם לרוכשי הכרטיסים בפסטיבל היפיסטוק מס.
2021 – The Energia Qholanytt – להקת אנרגיה חולנית – האוסף (מע"ג תקליט ויניל), התקליט חיפה, מק"ט 6822619660129
1993 – הייתי אשתו של החתול מהירח – בימוי: עידן זעירא
1993 – משולש ברמודה – בימוי: עידן זעירא
1997 – ילדה לבנה – בימוי: מומו יואל וצוות התכנית "הצתה מאוחרת", טלוויזיה קהילתית חינוכית
1997 – נכדו של דוקטור ג'קיל – בימוי: יניב אמודאי
1997 – שעת הארגמן – בימוי: יניב אמודאי
2003 – Creamynuts – בימוי: יונתן גוטסמן
2003 – Speeding – בימוי: יונתן גוטסמן
2004 – Sweet Naroli – בימוי: יוני מרדכי
2005 – Made In Japan – בימוי: יונתן גוטסמן
2006 – Roll Carousel – בימוי: יונתן גוטסמן
2006 – Art Collection – בימוי: רומה לוין
2007 – Hippiestock III – בימוי: יונתן גוטסמן
2008 – Oblivious – בימוי: יונתן גוטסמן
2008 – Beautiful June – בימוי: יונתן גוטסמן
2009 – Sticky Hairspray – בימוי: יונתן גוטסמן
2009 – Secret Agent – בימוי: ערן סחר
2010 – Believin' Lie – בימוי: יונתן גוטסמן
2011 – Morning Dreams – בימוי: רועי אברהם
2012 – Sensation for Try – בימוי: יסמין טננבאום
2012 – Same Name – בימוי: תמר קנובל
2012 – Adopt'a'phobia – בימוי: יונתן גוטסמן
2012 – Choose a Gender (גרסת הסרט) – בימוי: יונתן גוטסמן
2012 – Melting My Mind (מתוך הסרט) – בימוי: יונתן גוטסמן
2013 – Total Sugared – בימוי: יונתן גוטסמן
2013 – Belinda Love Sands – בימוי: יונתן גוטסמן
2013 – Mad Magnet – בימוי: יונתן גוטסמן
2013 – Valerie-Ann – בימוי: רותם מלנקי
2014 – נוסע עובר בגשם – בימוי: עופר שמיר
2015 – Il Razzo dell'Amore – בימוי: יונתן גוטסמן
2017 – Staraway – בימוי: יונתן גוטסמן
2011 – !I Scream Gelato ("בשבילי השלגונים"), בימוי: יונתן גוטסמן, 36 דק'.
2013 – Scoring Mental ("כפויים במחלוקת"), בימוי: יונתן גוטסמן, 50 ד'.
2016 – Diva Senza Tempo, בימוי: יונתן גוטסמן, 74 דק'.
סרטונים קצרים (צורפו לאלבומים השונים כרצועת וידאו נפרדת)
2010 – Gramofothesis, בימוי: יונתן גוטסמן, 6 דק'.
אנרגיה היברידית היא מערך אנרגיה המשלב בתוכו טכנולוגיות שונות לייצור אנרגיה.
מערכות היברידיות לייצור אנרגיה מכילות לעיתים קרובות רכיב של אנרגיה מתחדשת (כגון לוחות סולאריים, שמתבססים על השמש), המגובה באמצעות צורה שנייה של הפקת אנרגיה כגון תא דלק או סוללה, כאשר המטרה היא לספק חשמל, חום או צורות אחרות של אנרגיה בצורה היעילה ביותר.
מנוע היברידי הוא מנוע המורכב משני סוגי מנועים, לרוב מנוע בעירה פנימית ובנוסף מנוע חשמלי.
המטרות בשילוב המנועים הן ניצול טוב יותר של דלק, חיסכון בעלות נסיעה, ופליטת מזהמים מופחתת מהמכונית.
בחלק מהמנועים ההיברידיים יהיה שימוש במנוע בעירת דלק פנימית על מנת שתהיה הטענה שלגנרטור.
הגנרטור מטעין את מנוע העזר החשמלי, ממנו יוצא כוח אל הגלגלים לפי הכוח הנדרש.
שאר המנועים ההיברידיים משתמשים במנוע הבעירה הפנימית אשר מונע בדלק וכן במנוע העזר החשמלי בו זמנית על מנת להניע את הרכב.
תאים סולאריים היברידיים משלבים יתרונות של חומרים אורגניים ושל קרינת השמש, ומפיקים מהם חשמל.
תא פוטו-וולטאי (או תא סולארי) הוא התקן סולארי להפקה ישירה של אנרגיה חשמלית על ידי קליטת קרינה אלקטרומגנטית (אור מן השמש).
בתאים סולאריים היברידיים, חומר אורגני משולב עם חומר מוביל אלקטרונים כדי ליצור שכבה פוטו-אקטיבית (שכבה העשויה מחומר המגיב בשינוי כימי או פיזי להארה).
מערכת פוטו-וולטאית טיפוסית מכילה פאנלים סולאריים, שכל אחד מהם מונה מספר תאים סולאריים, המייצרים חשמל.
תאים סולאריים היברידיים יכולים להיות מותקנים על הקרקע או על הגג.
הם יכולים להיות מקובעים, או לעקוב אחר השמש על פני השמים.
טורבינות רוח היברידיות משתלבות עם מקורות ייצור אנרגיה אחרים.
חלק מטורבינות הרוח ההיברידיות משלבות דיזל (דלק) עם טורבינות רוח כדי לייצר חשמל.
הם נועדו להגדיל את הקיבולת (כוח, אנרגיה) ולהפחית את העלות ואת ההשפעה הסביבתית.
טורבינות רוח היברידיות שימושיות בעיקר בימים בהם יש כוח מניע מספק מהרוח.
הטורבינות הן מערכות המיועדות לספק חשמל רוב הזמן במקומות בהם אין רשת חשמל ארצית.
לטורבינות רוח היברידיות יש מגוון שימושים כגון: הפקת חשמל למתקנים חקלאיים, ייצור חשמל למתקני תקשורת שאינם מחוברים לרשת ולבתים שאינם מחוברים לחשמל ועוד.
שילוב טורבינות רוח ותאים סולאריים
שילוב טורבינות רוח ותאים סולאריים הוא למעשה שילוב של שני מתקנים לייצור חשמל ממקורות אנרגיה שונים.
מטרת השילוב היא להפיק כמה שיותר אנרגיה במשך כמה שיותר שעות ביממה על ידי שימוש במשאבי הטבע היום-יומיים מבלי לזהם.
המתקן מורכב מתאי שמש ומטורבינות רוח.
תאי השמש במתקן סופגים את קרינת השמש, ובאמצעות חומר מוליך למחצה ממירים אותה לחשמל.
במקביל, טורבינות הרוח משתמשות באנרגיית הרוח ובעזרת גנרטור ומפיקות ממנה חשמל.
המתקן משלב את היתרונות של השניים ובכך יוצר מתקן בעל יעילות גבוהה יותר.
אנרגיה סולארית מהחלל (בראשי תיבות SBSP) הוא רעיון להציב פאנלים לייצור חשמל בחלל ולהעביר את האנרגיה המיוצרת לשימוש על פני כדור הארץ.
שימוש באנרגיה סולארית כדי להפעיל את מערכות החשמל של החלליות מנוצלת באופן רחב.
לרוב משתמשים בפאנלים סולאריים פוטו-וולטאיים להפקת חשמל מאור השמש.
בשנת 1941 פרסם סופר המדע הבדיוני אייזק אסימוב את הסיפור הקצר של המדע הבדיוני "הגיון", בו תחנת חלל מעבירה אנרגיה שנאספה מהשמש לכוכבי לכת שונים באמצעות קרינת מיקרוגל.
גלזר היה אז סגן נשיא בארתור ד.
נאס"א חתמה על חוזה עם ADL כדי להוביל ארבע חברות נוספות במחקר רחב יותר בשנת 1974. הם גילו כי אף על פי שיש לרעיון כמה בעיות מרכזיות - בעיקר ההוצאות הכרוכות בשיגור הציוד למסלול וחוסר ניסיון בפרויקטים בסדר גודל זה בחלל - הוא היה מספיק מבטיח לזכות בחקירה ומחקר נוסף.
בין 1978 ל-1986 אישר הקונגרס של ארצות הברית למחלקת האנרגיה של ארצות הברית (DoE) ולנאס"א לחקור במשותף את הרעיון.
הם ארגנו את תוכנית פיתוח והערכה של מערכת הכוח הלוויינית.
המחקר הוא עדיין הנרחב ביותר שנערך עד כה (בתקציב של 50 מיליון דולר).
פורסמו מספר דוחות הבוחנים את היתכנותו ההנדסית של פרויקט הנדסי כזה.
לתפיסת SBSP (אנרגיה סולארית מהחלל) יש כמה יתרונות עיקריים לעומת הצבת פאנלים לייצור חשמל על פני כדור הארץ:
עוצמת שמש קבועה יחסית וחזקה
העדר חסימות כמו גזים אטמוספיריים, עננים, אבק ואירועי מזג אוויר אחרים.
כתוצאה מכך, העוצמה במסלול היא כ-144% מהעוצמה המרבית הניתנת להשגה על פני כדור הארץ.
לוויין יכול להיות מואר לאורך 99% מהזמן, ולהיות בצלו של כדור הארץ לכל היותר 72 דקות בלבד ללילה בנקודת השוויון של האביב והסתיו בחצות הלילה המקומי.
לוויינים מקיפים יכולים להיחשף לרמה גבוהה באופן עקבי של קרינת שמש, לרוב למשך 24 שעות ביממה, ואילו לוחות סולאריים על פני כדור הארץ אוספים כיום חשמל בממוצע של 29% מהיום.
ניתן להפנות במהירות יחסית את הכוח ישירות לאזורים הזקוקים לו ביותר.
לוויין איסוף יכול לכוון את הכוח לפי דרישה למיקומי שטח שונים על בסיס עומסים בסיסיים גאוגרפיים או צריכת עומס שיא.
אין הפרעות של צמחים וחיות בר.
עם יישומים בקנה מידה גדול מאוד, במיוחד בגבהים נמוכים יותר, זה עשוי להפחית את קרינת השמש הנכנסת המגיעה אל פני כדור הארץ.
דבר רצוי כנגד ההשפעות של ההתחממות הגלובלית.
לתפיסת SBSP יש גם מספר בעיות:
העלות הגדולה של שיגור לוויין לחלל.
עבור 6.5 קג"מ / קילוואט, העלות להצבת לוויין חשמל במסלול גאוסטציונרי אינה יכולה לעלות על 200 $ / ק"ג אם עלות ההספק אמורה להיות תחרותית.
אופטיקה למיקרוגל דורשת סולם GW עקב התפשטות קרן דיסק אוורירית.
בדרך כלל דיסק משדר של 1 ק"מ במהירות של 2.45 ג'יגה הרץ מתפשט ל-10 ק"מ במרחק כדור הארץ.
חוסר יכולת להגביל את העברת הכוח בזוויות קרניים קטנטנות.
לדוגמה, קרן של 0.002 מעלות (7.2 שניות קשת) נדרשת להישאר בטווח של קילומטר אחד שמקבל יעד אנטנה מגובה מסלול גאוסטציונרי.
מערכות העברת הכוח האלחוטיות הכי כיווניות המתקדמות ביותר החל משנת 2019 פזרו את חצי רוחב קרן הכוח שלהן על פני לפחות 0.9 מעלות קשת.
אי נגישות: תחזוקת פאנל סולארי על בסיס כדור הארץ היא פשוטה יחסית, אך בנייה ותחזוקה של לוחות סולאריים בחלל בדרך כלל תיעשה טלרובוטי.
בנוסף לעלות, אסטרונאוטים העובדים במסלול גאוסטציונרי (מסלול כדור הארץ גיאוסינכרוני(geosynchronous)) חשופים לסכנות קרינה גבוהות שאינן מתקבלות על הדעת, ועלותן כאלף פעמים יותר מאותה משימה שנעשתה טלרובוטית.
סביבת החלל עוינת; לוחות PV (אם משתמשים בהם) סובלים פי 8 מבלאי בהשוואה לאם הם היו על כדור הארץ (למעט במסלולי מסלול המוגנים על ידי המגנטוספרה (magnetosphere)).
פסולת חלל מהווה סכנה משמעותית לחפצים גדולים בחלל, במיוחד למבנים גדולים כמו מערכות SBSP העוברים דרך הפסולת שמתחת ל-2000 ק"מ.
הסיכון להתנגשות מצטמצם הרבה במסלול גאוסטציונרי מכיוון שכל הלוויינים נעים לאותו כיוון קרוב מאוד לאותה מהירות.
תדר השידור של קישור הקישור למיקרוגל (אם נעשה בו שימוש) ידרוש בידוד מערכות ה-SBSP הרחק מלוויינים אחרים.
שטח המסלול הגאוסטציונרי כבר מנוצל היטב וזה נחשב לא סביר שאיגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי יאפשר השקת SPS.
ממדים והעלות המקבילה של תחנת הקבלה בשטח.
העלות הוערכה במיליארד דולר עבור 5 ג'יגה-וואט על ידי חוקר SBSP, קית ג'הנסון.
הפסדי אנרגיה במהלך מספר שלבי המרה מפוטונים לאלקטרונים לפוטונים חזרה לאלקטרונים.
קשה מלכתחילה לסילוק חום במערכות כוח בחלל, אך הופך לבלתי נוח כאשר החללית כולה נועדה לקלוט כמה שיותר קרינת שמש.
מערכות בקרה תרמית חללית מסורתיות כמו מקרינים עלולות להפריע לפאנלים סולאריים או משדרי כוח.
ההשפעות של קרינת והפחתות הקרינה
החלל מכיל רמות משתנות של קרינה אלקטרומגנטית כמו גם קרינה מייננת.
חלקיקים אנרגטיים סולריים וקרניים קוסמיות גלקטיות הם שני מקורות הקרינה המעניינים אותנו.
חגורות ואן אלן מכילות בעיקר פרוטונים ואלקטרונים ואילו ה-GCR מכיל נוקלאונים מיוננים שנעים בין הליום לאורניום.
לוחות סולאריים יחוו בלאי של יעילות לאורך זמן כתוצאה משני סוגי הקרינה.