تحقیق در مورد درس فیزیک سال اول دبیرستانموضوع :سوختهای فسیلی

سوختهای فسیلی – ذغالسنگ ، نفت و گاز طبیعی
سوختهای فسیلی از کجا بدست می آیند؟
سه نوع سوخت فسیلی اصلی وجود دارد که عبارتند از: ذغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی . هر سه نوع سوخت فوق صدها میلیون سال پیش و قبل از عصر دایناسورها تشکیل شده اند. از این روی نام آنها را سوختهای فسیلی گذاشته اند. سن تشکیل آنها را دورة کربونیفر نام نهاده اند. این دوره بخشی از دوران پالئوزوئیک است . دورة کربونیفر نام خود را از کربن ، که عنصر اصلی ذغال سنگ و سایر سوختهای فسیلی می باشد گرفته است .

دورة کربونیفر 360 – 286 میلیون سال قبل اتفاق افتاده است. در آن زمان، خشکی از مردابهای پر از درختان بزرگ (سرخس و سایر گیاهان برگ دار بزرگ) پوشیده شده بود ، درست مشابه با آنچه که در تصویر بالا مشاهده می کنید. آب و دریاها پر از جلبک (ماده سبز رنگی که روی برکه تشکیل می شود) بود. در حقیقت جلبک مجموعه ای از میلیون ها گیاه کوچک است.

بعضی از معادن ذغالسنگ (کانسار) مربوط به دوران دایناسورهاست . بعنوان مثال لایه های نازک کربن را می توان در اواخر دورة کرتاسه (65 میلیون سال قبل) پیدا نمود. امّا کانسارهای اصلی سوخت های فسیلی مربوط به دورة کربونیفر است.
در زمانهای گذشته، درختان و گیاهان نابود شده و به اعماق مردابها فرو رفتند. به مرور زمان آنها لایه هایی از یک ماده اسفنجی به نام تورب (ذغالسنگ نارس) را تشکیل دادند. این تورب به مدت صدها سال با ماسه ، رس و سایر مواد معدنی پوشیده گردید، که نتیجه آن بوجود آمدن نوعی سنگ بنام سنگ رسوبی بود. با گذشت زمان، سنگهای بیشتری رویهم انباشته شده و در نتیجه وزن بیشتری را روی لایه های زیرین وارد کردند. بدین طریق تورب تحت فشار زیادی قرار گرفته و فشرده تر شد تااینکه آب از آن خارج و سرانجام بعداز میلیونها سال به ذغالسنگ ، نفت و گاز طبیعی تبدیل گردید . ذغال سنگ :
بیش از دو هزار سال پیش ، در چین ، یونان و ایتالیا زغال سنگ به‌عنوان یک ماده سوختی مورد استفاده قرار می‌گرفت. البته استخراج آن از معدن در حدود قرن دهم میلادی در آلمان آغاز شد.
منشاء زغال سنگ
امروزه ، روشن است که زغال سنگ ، منشاء گیاهی دارد و طی فرآیندهای طولانی شیمیایی ، بیولوژیکی و ژئولوژیکی در دوران گذشته ، تشکیل شده و به صورت ذخیره‌های پرارزشی در آمده است که امروزه انسان از آن بهره‌برداری می‌کند. همه زغال سنگ‌ها ، به یک طریق بوجود نیامده‌اند، بلکه با توجه به دوران مختلف زمین شناسی و شرایط متفاوت آنها ، نوع تغییرات موثر در بوجود آوردن زغال سنگ‌ها نیز متفاوت بوده است. از اینرو ، امروزه ، چند نوع زغال سنگ در معادن وجود دارد.
فرآیندهای تشکیل زغال سنگ
مواد گیاهی اساسا از سه عنصر اصلی کربن ، هیدروژن و اکسیژن ، همچنین مقادیر اندکی از اجسام کانی و نیتروژن تشکیل یافته‌اند. قسمت عمده گیاهان را سلولز ، به فرمول C6H10O5 ، تشکیل می‌دهد که ضمن فرآیندهای گوناگون بیوشیمیایی و ژئوشیمیایی به زغال سنگ مبدل می‌شود.

فرآیندهای بیوشیمیایی
وقتی یک ماده آلی شامل کربن و هیدروژن و اکسیژن ، مانند سلولز ، در هوای معمولی می‌سوزد، بطور کامل به دی‌اکسید کربن و آب تبدیل می‌شود، اما وقتی که همین مواد در شرایط کمبود اکسیژن می‌سوزند، عمل سوختن بطور ناقص صورت می‌گیرد و در نتیجه قسمتی از کربن و تمامی‌ اکسیژن و هیدروژن از سلولز حذف شده و جسم سیاهی برجا می‌ماند که زغال نامیده می‌شود.

تخریب مواد گیاهی ، نتیجه اکسید شدن آنها توسط باکتری‌ها و دیگر میکرواورگانسیم‌ها می‌باشد که خود به دو عامل بستگی دارد:

یکی میزان مقاومت قسمتهای مختلف گیاهان در برابر شرایط محیطی مردابها و دیگری نوع قارچ یا باکتری که موجب تخریب کامل گیاه می‌شود. تخریب مواد آلی در غیاب اکسیژن ، مثلا در زیر آب نیز به تشکیل زغال سنگ منتهی می‌شود که در این صورت ، هیدروژن به آب و قسمتی از کربن به دی‌اکسید و منوکسیدکربن تبدیل می‌شود و مقداری از هر دو به شکل متان خارج می‌شوند.

در فرآیندهای تبدیل سلولز به لیگنیت وزغال سنگ قیری ، محصول بدست آمده از تخریب مواد گیاهی که در حقیقت پیش‌ترکیب زغال سنگ است، پیت نامیده می‌شود که برای تشکیل آن ، مواد چوبی در جاهای مرطوب دستخوش تغییرات فیزیکی و شیمیایی اساسی می‌شوند. شرایطی که در آن ، در زمانهای گذشته پیت تشکیل شد، تفاوت چندانی با شرایط امروزی ندارد.

احتمالا در دوران گذشته ، هوا نسبتا گرمتر و میزان بارندگی بیشتر و منظم‌تر بود. در نتیجه ، رشد گیاهانی که سرانجام آنها ، پس از طی دوره‌های گوناگون زمین شناسی ، تبدیل شدن به پیت و زغال سنگ می‌باشد، بیشتر از امروز بود.
فرآیندهای ژئوشیمیایی
بطور کلی در این فرآیند ، پیت به انواع زغال سنگ تبدیل می‌شود. تبدیل پیت به زغال سنگ قیری نتیجه اثرات طولانی فشار و دما است و تبدیل آن به آنتراسیت به فشار و دمای باز هم بیشتر نیاز دارد که از فرآیند تشکیل کوهها و حرکت افقی پوسته زمین ناشی می‌شود. فرآیند تبدیل پیت به زغال سنگ ، با کاهش مقدار رطوبت ، اکسیژن ، هیدروژن و حجم مواد فرار (دی‌اکسیدکربن ، منوکسیدکربن و گازهای دیگر) موجود در آن و افزایش درصد کربن ثابت ، گوگرد و در بسیاری موارد ، محتویات خاکستر آن همراه است. این فرآیند تبدیل ، بطور کلی به عوامل ژئولوژیکی زیر مربوط است:

فشار و حرارت : که این خود به عمق رگه‌های پیت در لایه‌های زیرزمینی مربوط می‌شود.
زمان : هر چه زمان ذخیره‌سازی زغال سنگ طولانی‌تر باشد، عمل تشکیل زغال سنگ کاملتر است.
دگرگونی ساختار
حرارت ناخواسته ناشی از صخره‌های مجاور
ترکیب و ساختار گیاه
شرایط محیطی
پیرولیز زغال سنگ
تمام انواع زغال سنگ‌ها بر اثر گرما تجزیه می‌شوند و بر حسب نوع آنها و شرایط تجزیه (فشار و دما) ، به مواد گوناگون مفیدی تبدیل می‌شوند که از نظر کاربردهای صنعتی و تجاری اهمیت به‌سزایی دارند. بیشتر انواع زغال‌سنگ‌ها ، در دمای حدود 100 درجه سانتی‌گراد رطوبت خود را از دست می‌دهند و تا دمای 400 درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شوند و مقداری مواد روغنی و گازی شکل تولید می‌شود. با افزایش دما به میزان 1 تا 2 درجه سانتی‌گراد در هر دقیقه ، تا دمای 45 درجه سانتی‌گراد بیشترین مقدار محصولات بدست می‌آید که عمدتا شامل قطران زغال سنگ است.این مواد ، ترکیبات گوناگون آروماتیکی مانند بنزن ، تولوئن ، گزیلن ، فنل‌ها ، نفتالین ، فتانترن) ، آنتراسن و غیره را در بر دارد و به روش تقطیر می‌توان آنها را از یکدیگر جدا کرد، اما اگر دما به 900 درجه برسد، قطران خود تجزیه می‌شود و از مقدار محصولات مفید کاسته می‌شود. مواد جامد حاصل از پیرولیز زغال سنگ عمدتا شامل زغال کک (با توان گرمایی پایین و توان گرمایی بالا) ، دوده (برای رنگدانه‌ها) ، گرانیت (برای الکترودها) ، کربن فعال و مواد ساختمانی است. بطور کلی ، در فرآیند پیرولیز حدود %70 زغال سنگ به کک و %5 آن به قطران تبدیل می‌شود.

کاربردهای مهم زغال سنگ
از زغال سنگ به عنوان سوخت در نیروگاه‌های حرارتی مولد برق ، در تولید بخار توسط توربین‌های بخار در کارخانجات صنعتی ، راه‌آهن و در کشتی‌ها و نیز به صورت سوخت خانگی در برخی از کشورها استفاده می‌شود. تقریبا 87% زغال سنگ جهان برای تولید گرما و دیگر انواع انرژی‌های مربوطه سوزانیده می‌شود. بدیهی است که ضمن سوختن زغال سنگ فرآورده‌های جنبی مانند گازهای سوختنی ، زغال کک و قطران نیز بدست می‌آید. باید توجه داشت که در برخی از کشورهای جهان ، قسمتی از گازهای سوختی شهری از زغال سنگ تهیه می‌شود.

برای این منظور ، زغال سنگ را با جریانی از بخار آب و اکسیژن در فشار 20 تا 30 اتمسفر مجاور می‌کنند. در این عمل قسمتی از زغال سنگ در مجاورت با بخار آب و اکسیژن به هیدروژن و منوکسید کربن تبدیل می‌شود. بعد ، این فرآورده‌های گازی را در مجاورت کاتالیزور آهن به هیدروکربن و یا بوسیله کاتالیزور روی و مس به متیل الکل تبدیل می‌کنند. علاوه بر مصارف سوختی ، از زغال سنگ در تهیه بسیاری از مواد مفید و مهم آلی و غیرآلی استفاده می‌شود که عمدتا از تقطیر قطران حاصل از پیرولیز زغال سنگ و یا مواد جامد باقی مانده از عمل پیرولیز تهیه می‌شود.
ذغالسنگ ماده ای سخت و سیاهرنگ است. ذغالسنگ از کربن ، ئیدروژن ، اکسیژن ، نیتروژن و مقادیر متغیری سولفور تشکیل شده است. سه نوع اصلی ذغالسنگ عبارتند از : آنتراسیت (ذغالسنگ خشک خالص) ، بیتومین (قیر) و لیگنیت (ذغال قهوه ای رنگ).
سخت ترین نوع ذغالسنگ، آنتراسیت است که دارای کربن بیشتری بوده و درنتیجه دارای انرژی زیادی است. لیگنیت نرم و مقدار کربن آن کم بوده امّا مقدار ئیدروژن و اکسیژن آن زیاد است. خواص بیتومین بین آنتراسیت و لیگنیت قرار دارد. امروزه هنوز می توان تورب را در کشورهای زیادی یافته و از آن بعنوان منشاء انرژی استفاده نمود.
چینی ها اولین انسانهایی بودند که از ذغالسنگ استفاده کردند . معدن ذغالسنگ فوشان در شمال شرقی کشور چین قدمّتی در حدود سیصد سال دارد. چینی ها معتقد بودند که ذغال ، سنگی است که
می تواند بسوزد. ذغالسنگ در بیشتر 48 ایالت آمریکا و در سایر نقاط جهان یافت می شود. استخراج ذغالسنگ به روشهای مختلفی صورت می گیرد. استخراج بعضی از معادن ذغالسنگ از طریق حفر چاه های عمودی و افقی عمیق و فرستادن معدن چیان به اعماق زمین با آسانسور یا ترن انجام می شود. روش دیگری که مورد استفاده قرار می گیرد ، روش استخراج روباز است. در این روش به کمک بیل های مکانیکی بزرگ لایه های فوقانی روی ذغالسنگ را برداشته و بعداز خارج نمودن ذغالسنگ مجدداً آنها را به جایاولیه اشان باز می گردانند.
محلی به نام دریای مرده، واقع در نزدیکی اسرائیل کنونی، به آسفالت دریاچه ای معروف است. از آنجایی که در این محّل توده های نفت چسبناک ناشی ازتراوشات زیر آبی در سواحل دریاچه تجمع یافته اند ، از این رو نام کلمة آسفالت از این محل گرفته شده است.
در شمال آمریکا ، آمریکایی های بومی از پتو برای جمع آوری نفت از سطح نهرها و دریاها استفاده می کردند. آنها از نفت بعنوان دارو و آب بندی قایق ها بهره می بردند. در خلال جنگهای داخلی ، آمریکائیهای بومی به سربازان جرج وانشگتن آموختند که چگونه از نفت برای درمان سرمازدگی استفاده کنند. بارشد و پیشرفت آمریکا ، تقاضا برای نفت بعنوان سوخت چراغهای فانوسی روبه فزونی گذاشت. به دلیل قیمت بالای روغن نهنگ ، استفاده از روغن نفت در چراغهای فانوسی مرسوم گردید. در این دوران، قسمت اعظم روغن نفت از طریق تقطیر ذغالسنگ بصورت مایع یا از سطح دریاچه ها تأمین می شد.

سپس در بیست و هفتم آگوست سال 1859 ، شخصی بنام ادوین دریک روغن مایع را از چاهی در نزدیک محلّی بنام تیتوسویل (Titusville) در پنسیلوانیا استخراج کرد. او نفت را در زیرزمین یافته و آن را به بیرون پمپاژ نمود. سپس نفت پمپاژ شده از چاه بداخل بشکه های چوبی ریخته شد.
امروزه ، هنوز در سرتاسر جهان از این نوع روش حفاری برای استخراج نفت از زیرزمین استفاده می شودنفت و گاز طبیعی در زیرزمین بین چین خوردگی لایه ها و سنگهای متخلخل (پوک) یافت می شود. چین خوردگی سنگها ناشی از حرکت و تغییر مکان لایه های زمین است. این چین خوردگی ها دقیقاً مشابه با برآمدگیهایی است که هنگام پهن کردن فرش برروی کف اطاق بوجود می آید.
شرکت های نفتی جهت اکتشاف نفت و گاز طبیعی ، چاههای عمیقی را حفر می کنند. سپس آنها از طریق دکل حفاری به بیرون پمپاژ شده (رجوع به شکل) و سرانجام از طریق خطوط لوله یا کشتی به محلهای مورد نظر حمل می شوند.
نفت در هجده بخش از پنجاه و هشت بخش ایالت کالیفرنیا یافت می شود. بخش کرن (Kern) ، که در آن میدان نفتی بیکر (Baker) قرار دارد ، یکی از بزرگترین تولید کنندگان نفت در آمریکاست. امّا صرفاً نیمی از نفت مورد نیاز این کشور از چاههای کالیفرنیا تأمین می گردد. بقیه نفت مورد نیاز از ایالت آلاسکا و تا حدود زیادی از طریق کشورهای دیگر تأمین می شود. بیش از 50 درصد از نفت مورد نیاز ایالات متحده از کشورهای خارجی بویژه خاورمیانه تهیه می گردد. نفت توسط کشتی های نفت کش بزرگ به کالیفرنیا آورده می شود. نفت یا نفت خام باید قبل از استفاده پالایش شده تا محصولات قابل استفاده ای از آن بدست آید.
پالایشگاه ها
نفت در مخازن بزرگی ذخیره شده و سپس جهت استفاده به مکانهای مختلف فرستاده می شود. در پالایشگاههای نفت ، با حرارت دادن نفت خام می توان محصولات مختلفی بدست آورد.محصولات مختلف نفت عبارتند از کود برای مزارع ، لباس ، مسواک ، بطری پلاستیکی ، خودکار پلاستیکی . به غیراز این موارد ، هزاران محصول دیگر نیز از نفت بدست می آید. تقریباً کلیه اجناس پلاستیکی جزو محصولات نفتی هستند. آیا می توانید محصولات نفتی دیگری را نیز نام ببرید ؟
این محصولات شامل بنزین ، سوخت دیزل ، سوخت هواپیما ، نفت جهت گرم نمودن خانه ، نفت کشتی ها و سوخت نیروگاههای برق است. در تصویر محصولاتی را که می توان از یک بشکه نفت خام بدست آورد ، نشان داده شده است. 74 درصد از نفت تولیدی ایالت کالیفرنیا برای سوخت ماشینها ، هواپیماها، کامیونها ، اتوبوسها و موتورسیکلتها استفاده می شود.
در فصل 18 در رابطه با انرژی حمل و نقل بیشتر صحبت خواهیم کرد.
گاز طبیعی
اولین اکتشافات گاز طبیعی 2000 تا 6000 سال قبل در ایران انجام گردید. خیلی از نویسندگان قدیمی مطالبی را درباره تراوش گاز طبیعی در خاورمیانه بویژه منطقه باکو (آذربایجان) نوشته اند. تراوشات گازی ای که احتمالاً اولین بار توسط رعد و برق روشن شد ، آتشهای دائمی ای را بوجود آورد که توسط آتش پرستان ایران باستان مورد پرستش قرار می گرفتند.
گاز طبیعی سبکتر از هوا می باشد. قسمت اعظم گاز طبیعی از گاز متان ساخته شده است. متان ترکیب شیمیایی ساده ای است که از اتمهای کربن و هیدروژن تشکیل می گردد. فرمول شیمیایی آن CH4 است (یک اتم کربن همراه با 4 اتم هیدروژن). این گاز بسیار قابل اشتعال است. معمولاً گاز طبیعی نزدیک مخازن نفت در زیرزمین یافت می شود. آنرا از زیرزمین پمپاژ و از طریق خطوط لوله به مخازن منتقل
می کنند. در فصل بعد شبکه خط لولة انتقال نفت مورد بررسی قرار خواهد گرفت. گاز طبیعی معمولاً بو نداشته و نمی توان آنرا دید. قبل از اینکه گاز طبیعی را به خطوط لوله و مخازن بفرستند ، آنرا با ماده شیمیایی ترکیب کرده که به آن بوی تندی میدهد. بوی آن تقریباً شبیه تخم مرغ فاسد است. اگر گاز مقداری نشت داشته باشد ، می توان براحتی بوی آن را استشمام نمود.
هشدار ! ایمنی در برابر خطرات ناشی از انرژی
اگر در خانه خود بوی تخم مرغ فاسدی را استشمام نمودید ، اطرافین را خبر نموده و سریعاً از خانه خارج شوید. هیچ چراغی یا وسیله برقی دیگری را روشن نکنید. صرفاً یک جرقه کلید برق می تواند براحتی گاز را مشتعل کند. به خانه همسایه بروید و برای کمک اضطراری با شماره 1-1-9 تماس بگیرید.
صرفه جویی در مصرف سوختهای فسیلی
میلیونها سال طول می کشد تا سوختهای فسیلی تشکیل شوند. ما از سوختهایی استفاده می کنیم که 300 میلیون سال پیش و قبل از عصر دایناسورها بوجود آمده اند. اگر روزی این سوختها به اتمام برسد ، دیگر نمی توان کاری کرد.
بنابراین بهتر است سوختهای فسیلی را به هدر ندهیم. آنها تجدید پذیر نیستند و نمی توانند مجدداً ساخته شوند. از این رو، با صرفه جوئی در انرژی می توانیم از سوختهای فسیلی برای مدت بیشتری استفاده کنیم.

تحقیق در مورد درس فیزیک سال اول دبیرستان موضوع :سوختهای فسیلی

مطالب مشابه :