انرژی را می توان به عنوان توانایی انجام دادن کار تعریف کرد. ماده و انرژی، اساس هر چیزی را در زندگی تشکیل می دهند. ماده در قیاس با انرژی، حضور عینی تر و ملموس تری دارد. انرژی از طریق حرارت دادن، حرکت دادن، و یا برقدار کردن، اثر می کند.
انرژی همواره با تغییر همراه است. هنگامی که انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود، تغییرات فیزیکی، شیمیایی یا زیست شناختی رخ می دهد، مثل زمانی که انرژی شیمیایی مواد سوختنی به انرژی گرمایی تبدیل می شود. در خلال این تغییرات، مقدار کل انرژی موجود، ثابت می ماند. انرژی را نمی توان ایجاد کرد یا از بین برد.
شکلهای انرژی
مقدار کل انرژی، به شکلهای متفاوت و با تنوعی وسیع در جهان، پراکنده شده است. مفاهیم آشنایی نظیر انرژی گرمایی، انرژی نوری، انرژی الکتریکی و انرژی صوتی از جمله شکلهای انری هستند.
پتانسیل، یک واژه عام است که به منظور توصیف هر نوع انرژی ذخیره شده به کار می رود. شلیک کردن یک منجنیق ساده می تواند فرصت مناسبی برای مطالعه انرژی پتانسیل یک نوار کشسان کشیده شده باشد. انرژی پتانسیل یک بمب اتمی قادر است در سطح وسیعی خرابی ایجاد کند، در حالی که یک نیروگاه هسته ای می تواند همان انرژی پتانسیل را برای استفاده بشر مهیا سازد. انرژی پتانسیل را می توان در انرژی پتانسیل شیمیایی باتری یک ماشین حسابگر یا در انرژی پتانسیل گرانشی آب جمع شده در پشت یک سد نیروی هیدرو الکتریک پیدا کرد.
انرژی جنبشی عبارت است از آن انرژی است که یک شیء، به دلیل آنکه در حال حرکت است، داراست. اشیای متحرک، از الکترون نامرئی که حول هسته اتم در گردش است گرفته تا یک ستاره بزرگ در مسیر خویش در پهنه گیتی، همگی به نسبت جرم و سرعتشان دارای انرژی جنبشی هستند.
تمام شکلهای انرژی را می توان تقریبا به دو نوع تقسیم کرد : انرژی درجه بالا و انرژی درجه پایین. انرژی الکتریکی به لحاظ آنکه می تواند به راحتی به شکلهای مفید دیگری تبدیل یابد، از نوع انرژی درجه بالا محسوب می شود. تبدیل گرما در دمای پایین به هر نوع دیگری از انرژی، به دشواری انجام می گیرد. به همین دلیل، انرژی گرمایی را معمولا از نوع درجه پایین توصیف می کنند.
قسمت اعظم انرژی ما به نحوی از خورشید تأمین می شود. انرژی خورشید، این امکان را به گیاهان می دهد تا غذای مورد نیاز انسان و حیوانات را تولید کنند. انرژی خورشید در زغال سنگ، چوب و نفت ذخیره شده است. انسان این مواد را می سوزاند تا انرژی حاصل از آنها برایش کار انجام دهد. رشد و تکامل انسان، رابطه نزدیکی با کشف منابع جدید انرژی از سوی وی دارد.
سوختها
سوخت منبعی از انرژی پتانسیل است که به آسانی می تواندبه گرما تبدیل شود. یک سوخت مطلوب همچنین باید ایمن و ارزان باشد و آلودگی ایجاد نکند. از گاز تولید شده در باتلاق گرفته تا پشکل شتر، انسان همواره در زمینه انتخاب سوخت مورد نیازش برخوردی مبتکرانه داشته است. اما هیچ یک از سوختهایی که تا کنون شناخته شده است واجد شرایط بالا نبوده است. امروزه زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی از منابع مهم انرژی محسوب می شوند، اما هنوز تا سوختهای مطلوب فاصله زیادی دارند. نکته قابل توجه در مورد این سوختهای طبیعی، صرف نظر از اینکه به صورت جامد، مایع و گاز باشند، این است که قابلیت بازیافت ندارند، یعنی پس از آنکه مصرف شدند امکان بازیافت و جانشین کردن موجودی آنها وجود ندارد.
انرژی هسته ای، جدیدترین و بالقوه خطرناک ترین سوختی است که انسان به وجود آن پی برده است. این انرژی، حاصل نیروهای نگهدارنده اجرام متراکم در هسته اتم است که انسان در صدد کنترل و استفاده از آن است.
نوع دیگری از سوخت به وسیله گلوگز که از خانواده کربو هیدراتهاست به دست می آید. این ماده به عنوان یک منبع انرژی برای سلولهای بدن عمل می کند و شاید تنها سوختی است که بدون آن، انسان قادر نیست مدت زیادی زنده بماند.
پیلهای خورشیدی
باتریهای متشکل از پیلهای خورشیدی می توانند هر یک از دو نور مستقیم یا پخش شده خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این فرایند(تبدیل نور- ولتی یا تبدیل فتو ولتائیک)آنچنان که آزمایشهای انجام شده اخیر با پیلهای خورشیدی در قطب جنوب نشان داده است به گرما بستگی ندارد.
از نیمه هادیها می توان برای تبدیل مستقیم انرژی نوری به انرژی الکتریکی استفاده کرد. سولفید کادمیوم (Cds) و سیاسیوم (Si) رایج ترین نیمه هادیها هستند. سلولهای سولفید کادمیوم پایداری کمتری دارند اما تولید آن ارزانتر است. در حال حاضر استفاده از باتریهای خورشیدی برای نیروگاههای بزرگ، بسیار گران تمام می شود. از باتریهای با انباره شیمیایی غالبا به عنوان یک عامل تضمینی در کنار سیستمهای خورشیدی استفاده می شود. انرژی اضافی که در روزهای آفتابی به دست می اید برای روزهای ابری که نور مستقیم خورشید کم است ذخیره می گردد .
نیروی آب
یکی از مؤثرترین اقداماتی که در مهندسی نوین امروزی انجام گرفته است، احداث سدهای عظیم هیدرو الکتریک است. اگر زمانی آسابهای آبی با استفاده از چرخها و دندانه ها انرژی جنبشی آب جاری ریزنده به پایین را به انرژی مکانیکی تبدیل می کردند، اکنون نیروگاههای هیدرو الکتریک، توربینها را به کار می گیرند تا همان انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.
نیروی هیدرو الکتریک
سدهای هیدرو الکتریک بر اساس لین اصل ساده کار می کنند که هر چه فاصله عمودی بین آب ذخیره شده در پشت سد و توربینهای نصب شده در پایه سد بیشتر باشد نیروی بیشتری می توان تولید کرد.
گرچه انرژی هیدرو الکتریک، هم قابل بازیافت است و هم باعث آلودگی هوا نمی شود، لیکن استفاده از سدها برای جمع آوری آب، ممکن است باعث سیلابی شدن مناطق وسیعی از زمینهای مفید گردد. اکثر کشورهای صنعتی، نیروگاههای هیدرو الکتریک خود را در نقاط نسبتا مساعدتری بر پا داشته اند. به عنوان مثال، کانادا نزدیک به 75 درصد از انرژی الکتریکی خود را با نیروی هیدرو الکتریک تأمین می کند. متأسفانه نقاط مساعد برای تأسیس این گونه نیروگاهها غالبا در نواحی سخت و غیر قابل دسترس قرار دارند و همین امر، مشکل بالا بودن هزینه های سرمایه ای را برای ساخت چنین سدهایی تشدید می کند.
یکی از جنبه های مهم این نیروگاهها با سدهای مرتفعی که دارند، ظرفیت آنها برای ذخیره سازی انرژی است. در اوقاتی که مصرف، کمتر از حداکثر است می توان از برق تولید شده اضافی برای تلمبه کردن آب از سطوح پائین تر به سمت توربین ها و بالای مخزن آب استفاده کرد. به این ترتیب، انرژی پتانسیل به دست آمده توسط آب می تواند بعدا به هنگام بالا رفتن تقاضا، به انرژی الکتریکی تبدیل شود. این شیوه را ذخیره ساری تلمبه شده می خوانند.
انرژی جزر و مدی
در قرن دوازدهم میلادی آسیابهای آبی در استان بریتانیایی فرانسه به وسیله جریانهای آبهای جزر و مدی کار می کردند و امروز کشور فرانسه هنوز در زمینه استفاده از انرژی جزر و مدی نقشی پیشرو در جهان دارد. طرح رانس ریور در نزدیکی سنت مالو با ظرفیت تولیدی 240000
کیلو وات به کمک 24 توربین، بزرگ ترین نیروگاه جزر و مدی در جهان به شمار می رود. مولدهای این نیروگاه به وسیله آبهای جزر و مدی که روزی دو بار به مدخل نیروگاه رانس وارد و از آن خارج می شود کار می کنند. ارتفاع سطح آب در مدخل به میزان 10متر تغییر می کند. مولدها همچنین طی مدتی که جزر و مد در خفیف ترین حالت خود قرار دارد برای افزایش جریان جزر و مدی به داخل آبگیر سد، به عنوان تلمبه عمل می کنند. چنانچه با این روش، مخزن آب بیش از اندازه پر شود، می توان آب اضافی را ذخیره کرد تا بعدا به هنگام حداکثر تقاضا آزاد و برای تولید برق به کار گرفته شود.
در حال حاضر، چند کشور دیگر نیز مشغول مطالعه پیرامون امکان تأسیس چنین نیروگاه هایی هستند. هزینه های سرمایه ای برای ساخت این گونه نیروکاهها بسیار زیاد و تعداد جاهای مناسب برای چنین کاری محدود است.
کمبود منابع سوختی، ممکن است روی گرایش جدیدی در انسان برای استفاده تجاری از کشتیهای دریانورد ایجاد کند. اما اهمیت واقعی نیروی باد در گرو توسعه دستگاههای ساکنی است که می توان از آنها برای تبدیل انرژی باد به برق استفاده کرد. در دوران گذشته، تمامی ابزار مکانیکی برای بهره برداری از انرژی باد، در آسیابهای بادی خلاصه می شد، اما امروز این امر تا به آنجا پیش رفته است که استفاده از واژه مولد هوایی(آئر وژنراتور) امری متداول شده است.
استفاده از انرژی زمین گرمایی
بهره گیری از انرژی زمین گرمایی به منظور گرمایش، حداقل به دوران حمامهای رم باستان بر می گردد. تعدادی از این حمامها هنوز محفوظ و پا بر جا نگاه داشته شده اند و قادر به کار کردن هستند. با این حال، برای بهره برداری گسترده از این پدیده باید در انتظار تکامل تکنولوژی قرن بیستم باشیم.
ایسلند در بهره برداری از آتشفشانها، آبفشانها و چشمه های آب گرم خود حرکت وسیعی داشته است. طرحهای گرمایش ناحیه ای به روش زمین گرمایی تقریبا تمامی گرمای مورد نیاز ریک یاویک پایتخت این کشور را تأمین می کند. جلوگیری ازتلفات گرمایی در لوله های آب گرم که انرژی را از نیروگاه حمل می کنند، هم دشوار و هم پر هزینه است. به همین دلیل، گرمایش ناحیه ای به روش زمین گرمایی در مناطقی که دور از منابع زمین گرمایی هستند امکان پذیر نیست.
انرژی و انسان
مقدار انرژی که از مقدار معینی غذا بدست می آید برحسب کیلو ژول (KJ) اندازه گیری می شود. بسیاری از کسانی که برنامه غذایی خاصی برای لاغر شدن دارند هنوز از واحد دیگری که اکنون منسوخ گردیده است یعنی کالری استفاده می کنند. یک کالری، معادل 2/4 کیلو ژول (42000 ژول ) است.