علوم الأرض11 فصل أول

احتراق الوقود الأحفوري Fossil Fuels Burning

• يُستخدَمُ الوقودُ الأحفوريُّ في العالم اليوم على نطاق واسع؛ لأنه يطلِق الطاقة المختزَنة فيه بيُسر وسهولة عند احتراقه.

• معظم الطاقة التي نستخدمها تأتي من حرق الوقود الأحفوريّ بأشكاله المختلفة مثل: الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي.
• الاحتراق هو تفاعلٌ كيميائي يحدُث فيه اتحاد الأكسجين مع عناصر الكربون والهيدروجين. وتتم عمليات الاحتراق في محركات تسمى المحركاتِ الحراريةَ

المحرّكات الحرارية Thermal Motors

• يُعرفُ المحرّك الحراري Heat Engine بأنه آلة تقوم بتحويل الطاقة الحرارية الناتجة من مصادر الطاقة الطبيعية، مثل الوقود الكيميائي أو النووي أو الطاقة الشمسية، أو غير ذلك إلى طاقة ميكانيكية على نحو مفيد.
• تقسَمُ المحرّكات الحرارية إلى محرّكات احتراق داخلي ومحرّكات احتراق خارجي،
• تُستخدَمُ محرّكات الاحتراق الداخلي في العديد من المركبات والآليات ومنها السيارات والشاحنات والطائرات والقوارب والدرّاجات النارية وغيرها.
•  توجدُ محرّكات الاحتراق الخارجي في محطّات توليد الطاقة الكهربائية.
• تتكوّن محرّكات السيارات من محرّكات احتراقٍ داخليّ، ويتكوّن معظمُها من أربع حُجرات احتراق أو أكثرَ، وتسمّى الحجرة أسطوانةً؛ لأنها أسطوانية الشكل. وكلما زاد عدد حُجرات الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي زادت قدرتُه.

• يحوّل محرّك الاحتراق الداخلي في السيارات الطاقة الكيميائية المخزونةَ في الوقود الأحفوري -البنزين- إلى طاقة حرارية في أثناء عملية الاحتراق، التي تُنتِجُ لاحقًا طاقة ميكانيكية تزيد من سرعة السيارة وطاقتها الحركية من خلال دورة رُباعيّة الأشواط، وهي: السّحب، والضّغط، والقدرة، والعادم على النحو الآتي:

شوطُ السّحب Intake Stroke

• يبدأ شوطُ السّحب عندما يتحرك المِكبس إلى أسفلَ فيفتَح صمّام الإدخال لسحب مزيج الوقود والهواء إلى داخل حجرةِ الاحتراق،في حينِ يكون صمّام العادم مغلقًا.       

                                                                                              
شوطُ الضغط Compression Stroke

• يكون صمّام العادم وصمّام الإدخال مغلقَين في هذا الشوط، حيث يبدأ المِكبس في الحركة للأعلى ليضغَط جُسَيماتِ الوقود والهواء مع بعضها بعضا، مكوّنةً مزيجا منها قابِلا للاشتعال.

  شوطُ القدرة Power Stroke

• حينما يصل المِكبس إلى أعلى ارتفاعٍ له، يكون صمّامُ العادِم وصمّام الإدخال مُغلَقين، فتحدُث شرارةٌ من شمعة الإشعال، فيحترق المزيجُ المتكوّن في شوط الضغط، وينتُج من ذلك تمدّدُ الغازات المحترقة وانتشارُها سريعا، فيندفع المِكبس إلى الأسفل بقوّة شديدة نتيجةً لارتفاع الضغط، ودرجة حرارة الغازات الناتجة عن الاحتراق.
• أما في محرّكات السيارات التي تعمل بالديزل، فإنّ الوقودَ يشتعل ذاتيا تحت ضغط عالٍ دون شرارة.
• مما تقدّم نستنتج أن هذا الشوطَ هو أكثرُ الأشواط فعاليةً في هذه الدورة.

شوطُ العادِم Exhaust Stroke

• يفتح صمّام العادم عندما يصل المِكبس في حركته إلى الأسفل، في حينِ يبقى صمّام الإدخال مغلَقا، فتندفع الغازات الناتجة من الاحتراق إلى الخارج. وبينما يتحرك المِكبس إلى الأعلى نتيجة لدوران عمود ناقل الحركة يطرُد الغازات المتبقية داخل حجرة الاحتراق.
• وبذلك يكون المِكبس مستعدّا لعمل دورة رباعيّة أخرى جديدة بتتابع منتظَم وهكذا.
• معظم السيارات الحديثة مزوّدةٌ بمحرك احتراق داخلي رُباعيّ الأشواط.
• بصورة عامّة فإن المعادلةَ الكيميائية البسيطة للاحتراق الحراري للوقود في الهواء يمكِن كتابتُها كالتالي: 

                      حرارة+ ثاني أكسيد الكربون+ نيتروجين+ ماء   →  وقود+ هواء           

 

محطات الطاقة الحرارية Thermal Power Stations

• تُعَدُّ محطّاتُ الطاقة الحرارية مصدرًا لإنتاج الطاقة الكهربائية التي تستخدِمُ الوقود الأحفوري لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة عن الاحتراق إلى طاقة ميكانيكية، والتي تقوم بتشغيل المولّدات الكهربائية كمحرّك احتراقٍ خارجي، حيث يكون المحرك الرئيسُ فيها هو البخارَ.
• تستخدَمُ أنواعُ الوقود الأحفوري في توليد الطاقة الكهربائية ومنها المحطات التي تعمل بالغاز الطبيعي، أو الفحم الحجري، أو مشتقات النفط الأخرى، أو المحطات التي تستخدِمُ أنواعا غيرَ تقليديةٍ من الوقود، ومنها استخدامُ الصخر الزيتي.
• يستخدم الفحم الحجري في إنتاج الكهرباء حيث يتم نقلِه من أماكن تواجُده عبر حزام ناقل إلى محطّة الطاقة، ومن ثمّ يتم تمريره على مِطحنة لطَحنه إلى قِطَع صغيرة قبل حرقِه، بعد ذلك يُرسَلُ الفحمُ المطحون إلى فرن التسخين ويُحرق ليُنتج كميّة هائلة من الطاقة الحرارية التي تُستخدَم في تسخين الماء البارد الذي يتم ضخُّه من مصدرٍ مائي والمتواجد في الأنابيب الفولاذية المارّة خلال جدران فُرن التسخين إلى درجة الغلَيان وتحويله إلى بُخار. ثم ينقل هذا البخار تحت الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة بوساطة الأنابيب إلى التوربين Turbine الذي يحوي مجموعةً من شفرات المراوح صُمِّمت بشكل انسيابي يُسمَحُ لها بالحركة دائريّا حول محورها عند اصطدام البُخار بها، وبوساطة هذا التدفّق والضغط العالي من البخار يتم دفعُ شفرات المراوح ما يجعلها تدور فتُدير المحركَ التوربيني، وغالبا ما تكون توربينات البخار ذاتَ محور أفقيٍّ وموصولة بالمولِّد الكهربائي Generator عبر عمود لنقلِ الحركة ما يجعله يدور بنفس سرعة البخار ليقوم بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. ثم تنقل الطاقة الكهربائية من المولِّد إلى المحوِّل عبر خطوط نقل التيار الكهربائي إلى مناطق الاستهلاك كالمنازل والمصانع.
• في النهاية بعد أن يخرجَ البخار من التوربين ينتقل إلى المكثِّف حيث يتم خفْضُ درجة حرارته؛ ليتحوّل مرة أخرى إلى ماء، فيُضَخُّ من جديد إلى داخل فرن تسخين الماء ويعادُ استخدامُه من جديد.

                                                          

الغازات الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري  Gases From the Burning of Fossil Fuels

• تُعَدُّ الغازات الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري والمنبعثةُ إلى الجوّ، من عوادم السيارات والمصانع، ومولّدات الطاقة وغيرها من فعاليات الأنشطة الصناعية من أخطر الملوثات التي تلوّث الهواء، ومنها أكاسيد الكربون والنيتروجين والكبريت وغيرها من الغازات التي أخذت تتراكم في الجوّ بنسب عالية جدا. وفي ما يلي وصفٌ لهذه الملوّثات وأثرها على البيئة:
• أكاسيد الكربون: للكربون أكسيدان هما أوّلُ أكسيد الكربون CO ؛ الذي يوجد بكميات قليلة في الهواء، وهو سامّ ويمكن أن يسبِّب الوفاة بسبب تفاعله مع هيموجلوبين الدّم، أما الأكسيد الآخر هو ثاني أكسيد الكربون CO₂ الأكثر شيوعا وهو غير سام وتتسبّب تراكماتُه إلى حدوث ظاهرة الاحتباس الحراري.
• أكاسيدُ النيتروجين: تلعب هذه الأكاسيد مِثلُ أول أكسيد النيتروجين NO وثاني أكسيد النيتروجين NO₂ وأكسيد النيتروز N₂O دورا رئيسًا في التفاعلات الكيميائية التي تقود إلى تكوين الضباب الدخاني. 
•  أكاسيدُ الكبريت: تنتُجُ هذه الأكاسيدُ من المحطات الحرارية لإنتاج الطاقة الكهربائية، ومحطات تكرير البترول ومصانع الورق، ومن أهمّ أكاسيد الكبريت غاز ثاني أكسيد الكبريت SO₂ وغاز ثالث أكسيد الكبريت SO₃ التي تسهِم في تكوين الهطل الحمضي.

 

استهلاك الوقود الأحفوري Fossil Fuels Consumption

• تستخدِمُ معظمُ دول العالم الطاقةَ الناتجةَ من احتراق الوقود الأحفوري على نطاق واسع بسبب سهولة تخزينه، ونقله من مكان إلى آخر، وسهولة تحويله من حالة إلى أخرى، بالإضافة إلى أنه يمكن الحصول على الطاقة المختزَنة فيه بيُسْرٍ وسهولة عند حرقِه، ما يؤدي دورا رئيسا في الاقتصاد العالمي، وفي نظُم الطاقة العالمية.
• يُعَدُّ الوقودُ الأحفوري أحدَ مصادر الطاقة غير المتجدّدة، لأن تكوّنه يستغرق ملايين السنين؛ لذلك إذا تم استهلاكه بشكل كبير، فإن علينا أن ننتظر زمنا طويلا حتى يتكوّن من جديد ويعوّض ما تم استهلاكه.
• يستخدَمُ النفط في تصنيع الوقود اللازم لتحريك السيارات والحافلات والطائرات والقطارات وغيرها. كما ويستخدَمُ الفحمُ الحجريّ والغازُ الطبيعي بشكل رئيسٍ وقودا في محطات توليد الطاقة الكهربائية.
• ونظرا للتطور الكبير في الصناعات وبسبب زيادة عدد سكان العالم، فإن الحاجة إلى استهلاك الوقود الأحفوري تزداد يوميا ما يؤدي إلى زيادة الطلب عليه، وزيادة إمكانية نضوبِه، ومع التطور الهائل في الأبحاث التي تسعى لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وإيجاد بدائلَ أخرى له، فإنه سيبقى مصدرا رئيسا للطاقة في كثير من الاستخدامات وخصوصا في قطاع النقل والصناعة، بالرغم من تأثيراته السلبية على البيئة التي بلغت أشدَّها مع نهاية القرن العشرين.