המרת אנרגיה להפקת חשמל

אנרגיה והמרתה טכנולוגיה של חומרים תהליכי תיכון וייצור מותאם לתוכנית הלימודים של משרד החינוך 2005 תודה על הלווי והייעוץ המקצועי ל: דר' מיכאל אפשטיין - מכון ויצמן מר ארז אפשטיין - מנכ"ל IT מר אייל ברנר - מנכ"ל "פסיפס" חברה לשיפור מיומנויות לקויות למידה מירב שגיב ואורית מרסיאנו כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 2

4 5 6 9 16 20 23 24 25 26 35 43 46 47 54 55 56 57 59 69 מבוא פרק א' - פרק ב' - פרק ג' - מאגר מושגים מבוא פרק א' - פרק ב' - פרק ג' - פרק ד' - פרק ה' - מאגר מושגים מבוא פרק א' - פרק ב' - פרק ג' - מאגר מושגים תוכן עניינים אנרגיה והמרתה אנרגיה מאפיינים ומקורות סוגי אנרגיה המרת אנרגיה להפקת חשמל טכנולוגיה של החומרים מבנה החומר סוגי חומרים תכונות החומר העברת חום תהליכי ייצור ועיבוד חומרים תהליכי תיכון ויצור תהליך תיכון מהו? השלבים בתהליך התיכון תיק פרויקט (מיזם) כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 3

כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 4

פרק א' - אנרגיה מאפיינים ומקורות אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה, מתוך מקורות המתגלים בטבע בצורות שונות. האנרגיה היא אחד המשאבים החשובים במערכות טכנולוגיות. ללא אנרגיה המערכות הטכנולוגיות אינן יכולות לפעול. מאפייני האנרגיה: יש הרבה צורות של אנרגיה. לדוגמה: אנרגיה חשמלית, אנרגיית השמש, 1) אנרגיה כימית, אנרגיה מכנית, אנרגיית חום ועוד. ניתן להמיר אנרגיה מצורה אחת לצורה אחרת. לדוגמה: במכשיר רדיו 2) מתבצעת המרת אנרגיה חשמלית לאנרגית קול. בתנור אנרגיה חשמלית הופכת לאנרגיית חום. ניתן לשמר אנרגיה. "חוק שימור האנרגיה" קובע: האנרגיה אינה הולכת 3) לאיבוד, אינה נוצרת יש מאין, אלא רק משנה צורה. בחוק שימור האנרגיה קיימים שלושה דגשים: כמות האנרגיה אינה משתנה - כאשר היא מומרת מצורת אנרגיה מסוימת א. לאנרגיה אחרת. ישנם מקורות שונים לאנרגיה: שמש, גז, אנרגיה לא נוצרת מעצמה - ב. פחם, דלק וכו'. למרות שלפעמים היא אינה מנוצלת במלואה. - אנרגיה אינה נעלמת ג. לדוגמה: אנרגיה מכנית אינה מנוצלת במלואה. חלקה הופך לחום. האנרגיה אינה הולכת לאיבוד, אינה נוצרת יש מאין, אלא רק משנה צורה. כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 6

פרק ג' - המרת אנרגיה להפקת חשמל תחנה הידרו חשמלית תחנה שבה האנרגיה החשמלית מופקת מאנרגית הגובה של המים. בתחנות ההידרו חשמליות נמצאים שני מרכיבים חשובים: הגנרטור והטורבינה. כדי להפיק חשמל בגנרטור הענק שבתחנת החשמל יש לסובב "גלגל". ה"גלגל" הגדול המצוי בתחנת החשמל נקרא טורבינה. הטורבינה נראית כגלגל כנפיים ענק, כמו שבשבת גדולה. כאשר המים הזורמים מכים בכנפי הגלגל, הוא מסתובב ומפעיל את הגנרטור וכך מפיקים חשמל. כדי להגביר את עוצמת זרם המים יוצרים מפל מלאכתי באפיק זרימתו של נהר גדול. לצורך זה יש לחסום את דרכו של הנהר בסכר גבוה, והסכר גורם ליצירת אגם מלאכותי. כשנופלים מי האגם מראש הסכר, נוצר מפל מלאכותי. לרגלי הסכר מקימים את התחנה ההידרו חשמלית, כאשר בתוכה יש את הטורבינה והגנרטור. המים שבחלקו העליון של הסכר נכנסים לצינורות ונופלים מגובה רב. בנפילתם המים מניעים את הטורבינה, והטורבינה מסובבת את הגנרטור. גלגולי האנרגיה אנרגית גובה של מים אנרגית תנועה של המים אנרגית תנועה של הטורבינה של תחנת הכוח אנרגיה חשמלית. אנרגית תנועה של הגנרטור בתחנת הכוח ניצול אנרגיית גובה של מים האנרגיה המופקת ממים נופלים היא תוצאה של המרת אנרגית הגובה האנרגיה הפוטנציאלית לאנרגיית תנועה, כלומר מהירות המים הנופלים. כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 16

כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 23

פרק ב' - סוגי חומרים חומרים טבעיים אלו החומרים הנמצאים בטבע, חומרי הגלם (כמו: עץ, גומי, מתכות וכדומה). היסודות,הם אבני הבניין של כל החומרים בטבע, הם נחלקים לאל-מתכות ולמתכות. יסודות חומרים בסיסיים. אלו חומרים הבנויים מאטומים אחידים. הם מכילים מספר שווה של אלקטרונים ניוטרונים ופרוטונים. יסודות כמו חמצן,חנקן, כלור וברזל הם חומרים שלא ניתן לפרקם לחומרים אחרים בשל המבנה שהם בנויים אך ורק מסוג אחד של אטומים. הבנת המבנה של היסודות, ומה משפיע על תכונותיהם, חשובה כדי להשתמש בחומרים באופן מושכל בצורה נכונה. הטבלה המחזורית מתארת את היסודות לפי תכונותיהם. ישנן מתכות שמוליכות זרם חשמלי וחום אשר ניתן לעבד אותן וברובן הן מוצקות. וישנן אל-מתכות שאינן מוליכות זרם חשמלי וחום. למשל: מימן, הליום, פחמן, חנקן, חמצן, כלור, יוד. החומרים יכולים להיות במצב צבירה מוצק, נוזל או גז ובטמפרטורת החדר. יסודות מוצקים נחושת - מתכת בצבע אדמדם מוליכה זרם חשמלי וחום. ניתן לעבדה בקלות לצורות שונות. ארסן - חומר רעיל מאוד. מתפורר בקלות. משמש בעיקר להדברה בחקלאות בשל העובדה שהוא רעיל מאוד. בדיל - מתכת נוחה לעיצוב, עמידה בפני קורוזיה. משמשת למשל כציפוי פלדה למניעת קורוזיה כמו בקופסת שימורים לאחסון מזון. כסף - מתכת רכה בצבע לבן בוהק עם מוליכות חשמל וחום גבוהות מאוד. שימושית למשל בתכשיטים, מטבעות כלי מזון (סכו"ם). פלטינה - מתכת רכה, עמידה בפני חמצן שבאוויר. נדירה ולכן יקרה. כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 26

פרק ג' - תכונות החומר חומרים רבים נמצאים בשימוש התעשייה וכדי לנצל אותם בצורה הטובה ביותר צריך להכיר את תכונותיהם. כאשר מעוניינים ליצור מוצר חדש חשוב מאוד להכיר את תכונות החומר ממנו אמור להיות המוצר. בעת התכנון של המוצר צריך לדעת באילו תנאים המוצר יפעל ולבחור חומר בעל תכונות מתאימות לתנאים אלו. ראינו שניתן לחלק את החומרים ההנדסיים לארבע "משפחות" של חומרים : מתכות, פולימרים, חומרים קרמים וחומרים מרוכבים. חומרים בני אותה משפחה דומים זה לזה, ושונים מחומרים ממשפחות אחרות, בתכונותיהם, במבנה הפנימי שלהם, וכן בשימושים שעושים בהם. לדוגמא: שלד של רכב הוא ממשפחת המתכות והוא שונה מהחומר ממנו עשוי ההגה של הרכב שהוא ממשפחת הפולימרים. תכונות החומר שנבחר משפיעות גם על תהליך הייצור של המוצר ועיצוב צורתו. תכונות פיסיקליות אלו תכונות הנותנות מידע על מבנה החומר והתנהגותו בתנאים שונים. כמו למשל: שקיפות, משקל סגולי, מוליכות חום, התפשטות עקב טמפרטורה, מוליכות חשמל וצפיפות הן תכונות פיסיקליות. צפיפות של חומר - מוגדרת כיחס בין המסה ליחידת נפח של חומר. המסה של קוביית זהב גדולה מזו של קוביית קלקר. לזהב ולקלקר צפיפות שונה. קילו ברזל וקילו צמר גפן הם בעלי משקל זהה ולכן כבדים באותה מידה, אך ברור שקילו ברזל יכאב יותר כאשר ייפול עלינו מאשר קילו צמר גפן. הצפיפות הממוצעת של גוף היא מסת הגוף כולו מחולקת בנפחו. גוף יצוף, ישקע או ירחף (לזמן מסוים) בתווך כלשהו (מים, אוויר ועוד), על פי הצפיפות הממוצעת של הגוף בהשוואה לצפיפות התווך בו הוא נמצא. תכונת הצפיפות של החומרים משמעותית מאוד כשבוחרים חומרים לבניית מטוסים או מבנים מוטסים. קיים צורך לתכנן את המטוס שיהיה קל משקל אבל שיעמוד בתנאי השרות בטיסה ולא ישבר או יינזק. כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 35

פרק ד' - העברת חום כל עצם מוצק, נוזל או גז שנבדוק נוכל לראות שהוא עשוי מחומרים. כל חומר עשוי מאטומים, המורכבים מפרוטונים ניוטרונים ואלקטרונים. חלקי החומר מבצעים תנועות מסוגים שונים: תנודות, סיבובים, היפוכים וכו'. תנועות אלה מושפעות ממצב הצבירה ומהטמפרטורה של החומר. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, אנרגיית התנועה של החלקיקים מהם עשוי החומר גדולה יותר. ככל שמורידים את הטמפרטורה אנרגית התנועה של החלקיקים קטנה יותר. לטמפרטורה בה מפסיקה התנועה של החלקיקים בחומר נקראת: "האפס המוחלט" c).(-273.16 0 אחד החוקים החשובים בתרמודינמיקה שהוא תחום בפיזיקה העוסק בהשפעה של החום על צורות אנרגיה אחרות, קובע שבאופן עקרוני לא ניתן להוריד טמפרטורה ולהגיע ממש עד האפס המוחלט. חום - צורה של אנרגיה העוברת מגוף אחד לגוף אחר כתוצאה מהפרשי הטמפרטורה שביניהם. חום מסמל אנרגיה במעבר מגוף אחד לגוף אחר. חום נוצר כתוצאה מתנועה ומחיכוך בין משטחים, מחיכוך עם נוזלים ועם האוויר או כתוצאה מזרימת זרם חשמלי. כאשר אנו חולים טמפרטורת הגוף שלנו גבוהה יותר מאשר במצב בריא. אם רוצים להוריד את טמפרטורת הגוף נטבול באמבטיה של מים פושרים שהטמפרטורה שלהם היא 25 מעלות. פעולה זו מורידה את טמפרטורת הגוף מפני שהחום יעבור מהגוף שלנו אל המים. לעומת זאת בתרמוס מנסים להשיג בידוד תרמי טוב ככל האפשר כדי לשמור על הטמפרטורה של המשקה. דרכים להעברת חום 1) הולכת חום - אנרגיית החום עוברת מגוף א' לגוף ב' ע"י מגע בין הגופים עד להשוואת הטמפרטורות ביניהם וזאת מבלי שאטומים של גוף א' יעברו לגוף ב' או להיפך. 2) הסעת חום - שני גופים המצויים במרחק זה מזה למשל בתוך מיכל כשבתווך יש בו אוויר, מים או כל תיווך חומרי אחר. אנרגיית חום תעבור מגוף א' לגוף ב', על ידי התווך שהתחמם. כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 44

כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 54

פרק א' - תהליך תיכון מהו? תהליך התיכון (Designing) הוא תהליך של פתרון בעיות על ידי יצירת פתרונות טכנולוגיים. תהליך התיכון עוסק בפתרון בעיה טכנולוגית או במציאת מענה לצורך. התהליך מתחיל בקביעת המטרה והדרישות למוצר ומסתיים בהעלאת רעיונות למוצר, בחירת החומרים, קביעת הצורה וקביעת תהליכי הייצור. התיכון הוא גיבוש תוכנית המיועדת לביצוע פרוייקט הכולל בתוכו: הגדרות מילוליות לגבי תכונות המוצר בכתב, סרטוטים, תחשיבים כלכליים, חישובים טכניים, תיאורים גרפיים ועוד. התהליך מבוסס בדרך כלל על רעיון ראשוני המהווה תשתית לפתוח מוצר מורכב. תהליך התכנון (Planning) מגדיר את מכלול הפעולות הנדרשות לפיתוח מוצר, את סדר ביצוען ואת כל המשאבים הנדרשים. קריטריון חשוב למדידת הצלחת תהליך התיכון והפיתוח הוא שביעות רצון הלקוח ויכולת למכור את המוצר ברווח כספי. פיתוח המוצר מתחיל, בהגדרת משימה ומסתיים בייצור בפועל של המוצר המסוים. תהליך התיכון הוא הליך של פתרון בעיות, פיתוח וייצור תהליך התיכון הוא הליך של פתרון בעיות, פיתוח וייצור מוצר טכנולוגי. מוצר טכנולוגי. כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין לצלם או לשכפל מהספר 56