تازه های علوم پایه

[مدرسه نمونه دولتی ابرار]

CNG ، از رويا تا واقعيت

چندي است که مبحث استفاده از گاز طبيعي به عنوان سوخت در وسايل نقليه، به بحث روز کشورهاي خارجي و حتي ايران تبديل شده است.
آيا گاز طبيعي قادر خواهد بود تا روزي جاي بنزين و گازوئيل را بگيرد؟ ايا واقعاً صلاح است که اين سوخت را جايگزين سوخت هاي مايع بکنيم ؟
گزارشي که مطالعه خواهيد کرد، نقد کوتاهي است بر موضوع استفاده از گاز طبيعي يا همان CNG در وسائط نقليه .
گاز طبيعي چيست؟
گاز طبيعي يا متان، سبک ترين هيدروکربن موجود در زمين است. فرمول شيميايي اين گاز CH4 است بدين معنا که هر ملکول متان از 1 اتم کربن و چهار اتم هيدروژن تشکيل شده است.
متان همانند نفت و ذغال سنگ يک سوخت فسيلي محسوب مي شود با اين تفاوت که متان از تجزيه بدن موجودات زنده توسط باکتري هاي غير هوازي بوجود مي آيد.

متان به علت داشتن شکل گازي سريعاً با هوا ترکيب شده و در صورت محترق شدن، با شعله آبي رنگي مي سوزد.
استفاده از متان در گرمايش ساختمان ها و کاربرد آن به عنوان سوخت در نيروگاه ها سال ها است که ادامه دارد ولي شايد به جرات بتوان گفت که استفاده از ان در صنعت حمل و نقل هيچگاه بصوت اصولي دنبال نشده است. دليل اين امر را مي توان در نفوذ سياسي و اقتصادي کمپاني هاي عظيم نفتي و سياست هاي اشتباه خودروسازان جستجو کرد.
ولي جايگاه متان در کشور ما چگونه ارزيابي مي شود؟

ايران به لحاظ دارا بودن منابع غني گاز طبيعي در رتبه دوم ( و به عقيده بسياري از کارشناسان در رتبه اول ) جهاتن قرار دارد و استفاده صحيح از منابع گاز طبیعی می تواند به رشد و شکوفایی اقتصاد آن بیانجامد.
متان و موتور اتومبیل:
همه ما کمابیش داستان های ضد و نقیضی در مورد گاز سوز کردن خودروها و مزایا و معیب آن شنیده ایم ولی واقعیت ماجرا از چه قرار است؟ گاز طبیعی بهتر است یا بنزین؟ کدامیک راندمان بالاتری دارد و کدامیک آسیب کمتری به موتور اتومبیل می رساند؟
مقایسه مولکولی متان و بنزین:
همانگونه که گفتیم هر ملکول متان از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است. درمقابل هر ملکول بنزین با نام علمی "اکتان" از هشت اتم کربن و 18 اتم هیدروژن تشکیل شده است.
متان بسیار سبک بوده و به سرعت با هوا ترکیب می شود در حالی که برای ترکیب بنزین با هوا باید تدابیری چون ایجاد خلاء (اساس کار کاربراتور)، تزریق بنزین به درون منیفولد یا سیلندر (انژکتور) یا گرم کردن بنزین بیاندیشیم.
موتور گاز سوز و موتور بنزینی:
برای این که بتوانیم از گاز طبیعی در اتومبیل ها استفاده کنیم ابتدا باید آن را فشرده کنیم تا به حالت مایع در آید. به همین علت این نوع سوخت را CNG (Compressed Natural Gas) یا گاز طبیعی فشرده می نامند.
گاز طبیعی دارای عدد اکتان بالای 100 است یعنی از بهترین و مرغوب ترین بنزین هم راندمان بالاتری دارد. اکتان بالا یعنی قابلیت ایجاد تراکم بیشتر و تراکم بیشتر یعنی تو.ان فوق العاده و مصرف سوخت کمتر.
یک موتور گاز سوز نسبت به یک موتور بنزینی با حجم و تعداد سیلندر مشابه، قدرت بیشتری دارد و در مقابل سوخت کمتری مصرف می کند ولی چرا مرتباً شکایت و گلایه رانندگان تاکسی که ماشین خود را گاز سوز کرده اند به گوش می رسد؟
چرا بسیاری معتقدند که اتومبیل گاز سوز در مقایسه با اتومبیل بنزینی توان کمتر و استهلاک بالاتری دارد؟
باید توجه داشت که موتور اتومبیلی چون پیکان خود یک موتو کهنه با استهلاک بالاست و از ابتدای امر به عنوان یک موتور گاز سوز طراحی نشده است. موتور سمند که در واقع موتور پژو است و بسیاری دیگر از اتومبیل هایی که ما اقدام به گاز سوز کردن آن ها می کنیم همین مشخصه را دارا هستند.
گاز سوز کردن یک اتومبیل کاری تخصصی است و باید با توجه به اصول مهندسی و مکانیکی صحیح انجام پذیرد ولی بهترین راه برای نیل به یک راندمان بالا همانا طراحی موتور از بدو امر به عنوان یک موتور گاز سوز است.
گاز طبیعی بصورت خالص و بدون افزودن هر گونه ماده ای سوزانده می شود در حالی که بنزین با چندین نوع ماده افزودنی مخلوط می شود تا هم فراریت آن افزایش یابد و هم باعث کارکرد نرم تر قطعاتی چون سوپاپ ها بشود.
از جمله این مواد افزودنی که همگی سرطان زا و کشنده هستند می توان به تترا اتیل سرب (در بنزین های سرب دار) و بنزین (که باعث سرطان کبد می شود) اشاره کرد .
خوشبختانه استفاده از این مواد منسوخ و در بسیاری از کشورها ممنوع شده است ولی موادی که جایگزین بنزین و تترا اتیل سرب شده اند کماکان مضر و بیماری زا هستند. دلیل کارکرد خشک اتومبیل های گاز سوز همین است ولی باید یک نکته را در نظر داشت. زمانی که موتور اتومبیل سرد است، بنزین بر روی دیواره سیلندرها تقطیر می شود و به پایین یعنی به سمت کاتل روغن سرازیر می شود. این مقدار اگر چه بسیار نا چیز و غیر قابل اندازه گیری است ولی در دراز مدت باعث خراب شدن روغن و از بین رفتن خاصیت روانکاری روغن می شود در حالی که گاز طبیعی حتی در دمای 10 درجه زیر صفر هم تقطیر نمی شود و حتی اگر در مجاورت روغن قرار گیرد باعث خراب شدن آن نخواهد شد.
کارکرد خشک موتورهای گاز سوز بیشتر یک ذهنیت اشتباه است چرا که روغن موتور اتومبیل های گاز سوز دیرتر خراب می شود. با این حال استفاده از مکمل های روغن برای کاهش اصطحلاک جداره سیلندرها پیشنهاد می شود.
در خصوص کند شدن ماشین های گاز سوز و کاهش قدرت موتورها، همانطور که گفتیم عدد اکتان متان بسیار بالا است و برای احتراق صحیح و حصول راندمان کافی از آن باید هوای بیشتری به موتور رساند و البته باید کمی هم موتور را دستکاری کرد.
موتوری که گازسوز می شود در واقع ریتارد می شود. به همین علت احساس می کنیم که موتور کند شده است.
یک موتور گاز سوز و توربو تا 2 برابر موتورهای بنزینی قدرت دارد ولی مصرف سوخت آن کمتر از موتور بنزینی است!
مهمترین مسئله ای که باعث شده تا دولت ایران به فکر گاز سوز کردن خودروها بیافتد یکی آلودگی هوا و دیگری کاهش واردات بنزین و جلوگیری از خروج ارز از کشور است.
اتومبیل های گاز سوز، اگر چنانچه موتور آن ها درست تنظیم شود، دارای مصرف بسیار کمی هستند و آلودگی آن ها به هیچ عنوان قابل مقایسه با اتومبیل های بنزینی نیست.
میزان اکسید ازت خارج شده از اگزوز اتومبیل های گاز سوز تا 75 درصد کمتر از انواع مشابه بنزینی است.
گاز طبیعی بر خلاف بنزین فاقد گوگرد است و دود حاصل از سوختن آن عاری از اکسید گوگرد است. میزان مونو اکسید کربن آن بسیار کمتر از سخت ترین استانداردهای موجود در آمریکا و اروپاست. مقدار ذرات معلق نیز عملاً به صفر می رسد.
بصورت خلاصه می توان اینچنین نتیجه گیری کرد که گاز سوز کردن تاکسی ها و اتوبوس های شهری چون تهران باعث آلودگی هوا تا میزان 40 درصد خواهد شد.
تاکنون تعدادی از اتوبوس ها و تعداد بیشتری از تاکسی ها و اتومبیل های سواری در ایران (بیشتر در تهران) گاز سوز شده اند که جای تقدیر و تشکر دارد ولی این مقدار هنوز کافی نیست.
مسئله دیگری که ما را به تفکر وا می دارد مصرف بنزین در کشور است. متاسفانه ایران از نظر سرانه مصرف بنزین رکورد دار است. این امر علاوه بر ایجاد آلودگی هوا باعث خروج مقادیر هنگفتی ارز برای واردات بنزین از کشورهای عربی می شود.
گاز سوز کردن تاکسی ها و اتوبوس های تهران علاوه بر کاهش آلودگی هوا، تا 30 درصد از واردات بنزین خواهدکاست. اعمال این سیاست در سراسر کشور نتایج بهتری نیز در پی خواهد داشت.
بودجه ای که به واردات بنزین اختصاص می یابد چیزی در حدود سالانه 2 میلیارد دلار است. اگر همین میزان بودجه را، تنها برای یک بار، صرف تاسیس ایستگاه های سوخت رسانی و گاز سوز کردن اتومبیل ها کنیم، برای همیشه مشکل کمبود بنزین که به وارد کردن آن و خروج ارز منجر می شود، و معضل آلودگی هوا را حل کرده ایم .
به امید روزی که دیگر بوی زننده دود اگزوز اتومبیل ها و اتوبوس مشام ما را آزار ندهد.

[مدرسه نمونه دولتی ابرار]

كاربرد رايانه در فيزيك
امروزه كامپيوتر تقريبا در تمام علوم براي خود جاي پايي ايجاد كرده است. و اغرق آميز نيست، اگر بگوييم كه در آينده كامپيوتر يكي از لوازم ضروري زندگي بشر خواهد بود. يعني همانطور كه امروزه در هر خانه‌اي تلويزيون وجود دارد و تقريبا كمتر خانه‌اي است كه در آن تلويزيون وجود نداشته باشد، لذا در آينده نيز كامپيوتر تقريبا در هر خانه‌اي وجود خواهد داشت. اما نقش كامپيوتر در علوم مهندسي و علومي كه با محاسبات پيچيده سرو كار دارند، بسيار پررنگ‌تر است. بر اين اساس در علم فيزيك مباحثي تحت عنوان كاربرد كامپيوتر در فيزيك مطرح مي‌شود.

محاسبات عددي

تعداد مسائلي كه در دنياي فيزيك با استفاده از روشهاي تحليلي حل مي‌شوند، كم است. بر اين اساس در حل مسائل از روشهاي ديگري استفاده مي‌كنند. يك روش كه به جوابهاي كاملا دقيق منجر نمي‌شود، روش تقريبي است. نظريه اختلال در مكانيك كوانتومي از جمله اين روشهاي تقريبي مي‌باشند. طريقه دوم در حل مسائل استفاده از روشهاي عددي است. در اين روشهاي برنامه‌هاي كامپيوتري مناسب با مسئله مورد نظر نوشته مي‌شود، سپس داده‌هاي مربوط به مسئله به كامپيوتر داده شده و نتيجه آن به صورت خروجي بدست مي‌آيد.

حل معادلات جبري

منظور از حل يك معادله جبري بدست آوردن ريشه‌هاي حقيقي آن معادله است. البته براي اين كار روش‌هاي مختلفي وجود دارد كه هر روش بر اساس ميزان خطا و دقت از روشهاي ديگر متمايز مي‌گردد. از جمله اين روش‌ها مي‌توان به روش تنصيف ، روش ناجابجايي و روش تكرار اشاره نمود.

حل معادلات ديفرانسيل

دستگاههاي با تعداد مجهولات كم به آساني توسط روشهاي عددي حل مي‌شوند، اما در حل معادلات با تعداد مجهولات بيشتر با شكل مواجه مي‌شويم. بنابراين در اين حالت به روشهاي عددي متوسل مي‌شويم. از روشهايي كه در اين حالت از آنها استفاده مي‌كنيم، روش حذفي گوسي و روش تكرار است. ميزان دقت روش تكرار بيشتر از روش گوسي است.

حل انتگرالهاي نامعين

در حل عددي انتگرالها از روشهاي ذوزنقه ، روش سيمسون و روش گوس استفاده مي‌گردد. البته لازم به ذكر است كه در هر مسئله تناسب با نوع مسئله از روش خاصي استفاده مي‌شود. اغما يك روشي كه تداد خطاي آن خيلي كمتر است و علاوه بر آن در مورد انواع انتگرالها قابل اعمال است، روش مونت كارلو مي‌باشد. با استفاده از اين روش مي‌توان انتگرالهاي n گانه را با دقت خوب حل كرد.

هر كدام از اين روش‌ها يك سري محاسن و با معايبي دارند. به عنوان مثال حسن روش گاوسي در سرعت عمل حل مسائل با دقت خوب است. در صورتي كه دقت روش ذوزنقه در مقايسه با اين روش كم است. ولي عيب آن در حل انتگرالهاي چندگانه است. كه براي رفع اين عيب روش مونت كارلو ابداع شده است.

برنامه نويسي كامپيوتري

براي استفاده از كامپيوتر جهت محاسبات عددي ، بايد بتوانيم معلومات مسئله و الگوريتم (مراحل مختلف در روش مورد استفاده) متناسب با روش بكار رفته را به زبان ماشين ترجمه كنيم. براي اين كار بايد به زبان برنامه نويسي آشنا باشيم. زبان مورد استفاده جهت حل مسئله نيز بايد متناسب با مسئله مورد نظر انتخاب گردد. بعد از نوشتن برنامه ، داده‌ها يا معلومات مسئله را به كامپيوتر مي‌دهند و خروجي يا نتيجه را در روي صفحه كامپيوتر مشاهده مي‌كنند.

[مدرسه نمونه دولتی ابرار]

در سالهای اخیر اکثر کشورهای جهان به سمت استفاده از تکنولوژیهایی گرایش پیدا کرده اند که به نحوی در کاهش آلودگی محیط زیست موثر بوده و در عین حال قادر به تولید پاک انرژی باشد.

به گزارش خبرگزاری مهر، آنچه بیان می شود شرح عملکرد و تولید سه تکنولوژی جدیدی است که در نقاط مختلف جهان به منظور پیشرفت در این حرکت جهانی و در راستای حفاظت از محیط زیست تولید شده و مورد استفاده قرار گرفته اند . . .