تراکم انرژی

تراکم انرژی مقدار انرژی ذخیره شده در یک سیستم یا قسمتی از فضا در واحد حجم است.  اغلب تنها انرژی مفید یا قابل استخراج اندازه گیری می شود، یعنی این که انرژی غیرقابل دسترسی (مانند انرژی توده ی انبساطی) نادیده گرفته می شود. با این حال، در کیهان شناسی و دیگر نظریه های مربوط به نسبیت عام، تراکم انرژی،  چیزی در نظر گرفته شده است که با تنسور انرژی سنج برابری کند؛ بنابراین شامل جرم و همچنین تراکم انرژی مرتبط با فشار نیز می شود.

انرژی در واحد حجم یک واحد فیزیکی مشابه فشار دارد و در بسیاری از موارد با آن مترادف است: به عنوان مثال، چگالی انرژی یک میدان مغناطیسی ممکن است تحتِ عنوان یک فشار فیزیکی بیان شود. به طور خلاصه، فشار میزانِ  آنتالپی در واحد حجم هرچیز است. گرادیان فشار قادر است کارِ انجام شده در محیط را با تبدیلِ آنتالپی، به کارِ انجام شده، نمایش دهد تا زمانی که در محیط تعادل برقرار شود.

مقدمه ای بر تراکم انرژی

انواع مختلفی از انرژی ذخیره شده در مواد وجود دارد و نوع خاصی از واکنش برای انتشار هر نوع انرژی وجود دارد. به ترتیب از مقدار معمول انرژی آزاد شده، این نوع واکنش ها عبارتند از: هسته ای، شیمیایی، الکتروشیمیایی و الکتریکی.

واکنش های هسته ای در ستارگان و نیروگاه های هسته ای استفاده می شود که هر دو انرژی را از اتصال هسته ها به دست می آورند. واکنش های شیمیایی در بدنِ حیوانات برای تولید انرژی از غذا و در خودرو  از بنزین به دست می آید. هیدروکربن های مایع (سوخت هایی مانند بنزین، دیزل و کروزن) امروزه به عنوان وسیع ترین روش شناخته شده برای صرفه جویی اقتصادی و انتقال انرژی شیمیایی در مقیاس بسیار بزرگ هستند. واکنش های الکتروشیمیایی اغلب تلفن های همراه  و تبلت و لپ تاپ ها نیز برای آزاد تامینِ انرژی از باتری ها استفاده می کنند.

تراکم انرژی در ذخیره انرژی و سوخت

در برنامه های ذخیره انرژی، تراکم انرژی، جرم یک منبعِ انرژی را به حجم ذخیره سازی مرتبط می کند، به عنوان مثال مخزن سوخت. هرقدر چگالی انرژی سوخت بیشتر است، انرژی بیشتری برای یک کارِ یکسان ذخیره یا حمل می شود. تراکم انرژی یک سوخت در واحد جرم انرژی اختصاصیِ آن سوخت نامیده می شود. به طور کلی یک موتور با استفاده از این سوخت سبب کاهش انرژی جنبشی به دلیل ناکارایی و ملاحظات ترمودینامیکی خواهد شد؛ بنابراین مصرف سوخت خاص موتور همیشه از میزان تولید انرژی جنبشی حرکتی بیشتر خواهد بود.

منابع انرژی هسته ای

بزرگترین منبع انرژی تا به امروز، خود جرم است. این انرژی، E = mc2، به صورتی  که m = ρV، جرم در واحد حجم است، V حجم است و c سرعت نور است. با این حال، این انرژی تنها می تواند توسط فرآیندهای تقسیم هسته ای (۰٫۱٪)، همجوشی هسته ای (۱٪)، یا نابودی برخی یا همه ماده در حجم V با برخورد های ضد ماده (۱۰۰٪) آزاد شود. واکنش های هسته ای نمی توانند به وسیله واکنش های شیمیایی مانند احتراق تحقق یابد. اگر چه تراکم ماده بیشتریحاصل می شود، تراکم یک ستاره نوترون تقریبا یک سیستم متراکم است که قادر به نابودی ماده- ضد ماده است. یک سیاهچاله، هرچند چگالتر از ستاره نوترونی است، یک فرم ضد ذره معادل ندارد، اما همان میزان تبدیل ۱۰۰٪ جرم به انرژی را در فرم تابش هاوکینگ ارائه می دهد. در مورد سیاهچاله های نسبتا کوچک (کوچکتر از اشیاء نجومی) توان خروجی بسیار زیاد خواهد بود.

قوی ترین منبع انرژی تراکم در کنار ماده ضد ماده، همجوشی و تقسیم است. فیوژن شامل انرژی از خورشید است که برای میلیاردها سال (به شکل نور خورشید) در دسترس است، اما تا سال ۲۰۱۸  تولید برق فیوژن پایدار  در حال کاهش بوده و هست.

انرژی حاصل از تجزیه اورانیوم و توریم در نیروگاه های هسته ای برای چندین دهه یا حتی قرن ها به علت عرضه فراوان عناصر روی زمین در دسترس خواهد بود، هرچند پتانسیل کامل این منبع تنها از طریق راکتورهای پرورشدهنده به دست می آید. زغال سنگ، گاز و نفت، منابع اصلی انرژی فعلی در ایالات متحده هستند  اما دارای چگالی انرژی پایین تری می باشند. سوخت های زیست توده ی محلی نیز سوختِ موردِ نیازِ  خانوار ها(اجاق پخت و پز، چراغ های نفت و غیره) در سراسر جهان را تامین می کند.

انرژی میدان های الکتریکی و مغناطیسی

میدان های الکتریکی و مغناطیسی انرژی ذخیره می کنند. در خلاء، تراکم انرژی (حجمی) به این صورت داده می شود  :

به صورتی که E میدان الکتریکی است و B میدان مغناطیسی است. در زمینه مغناطیسی هیدرودینامیک و فیزیک مایعات هدایت پذیر، چگالی انرژی مغناطیسی مانند فشار اضافی عمل می کند که به فشار گاز پلاسما افزوده می شود.

در مواد طبیعی (خطی و غیر انسدادی)،محاسبه ی چگالی انرژی به صورتِ زیر است:

به صورتی که D جابه جایی میدان الکتریکی است و H میدان مغناطیسی است.

در صورتِ عدم وجود میدان مغناطیسی، با کشف رابطه Fröhlich نیز این معادلات را می توان به الگوریتم های غیر انعکاسی و غیر خطی، و نیز محاسبه انرژی آزاد و انرژی های انتروپی Helmholtz  ارتباط داد.