Energy density
طبیعیات میں، توانائی کی کثافت کسی دیئے گئے نظام یا جگہ کے علاقے فی یونٹ حجم میں ذخیرہ شدہ توانائی کی مقدار ہے۔ یہ بعض اوقات فی اکائی کمیت توانائی کے ساتھ الجھ جاتا ہے جسے مناسب طور پر مخصوص توانائی یا مخصوص توانائی کہا جاتا ہے۔ اکثر صرف مفید یا نکالنے کے قابل توانائی کی پیمائش کی جاتی ہے، جس کا مطلب یہ ہے کہ ناقابل رسائی توانائی (جیسے کہ ریسٹ ماس انرجی) کو نظر انداز کر دیا جاتا ہے۔ کائناتی اور دیگر عمومی رشتہ دار سیاق و سباق میں، تاہم، جن توانائی کی کثافتوں پر غور کیا جاتا ہے وہ وہ ہیں جو تناؤ-توانائی ٹینسر کے عناصر سے مطابقت رکھتے ہیں اور اس وجہ سے بڑے پیمانے پر توانائی کے ساتھ ساتھ دباؤ سے وابستہ توانائی کی کثافت بھی شامل ہوتی ہیں۔ فی اکائی حجم توانائی کی جسمانی اکائیاں دباؤ جیسی ہی ہوتی ہیں اور بہت سے حالات میں یہ مترادف ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، مقناطیسی میدان کی توانائی کی کثافت کو جسمانی دباؤ کے طور پر ظاہر کیا جا سکتا ہے اور اس کی طرح برتاؤ کرتا ہے۔ اسی طرح، گیس کو ایک مخصوص حجم تک کمپریس کرنے کے لیے درکار توانائی کا تعین گیس کے دباؤ اور بیرونی دباؤ کے درمیان فرق کو حجم میں تبدیلی سے ضرب دے کر کیا جا سکتا ہے۔ دباؤ کا میلان اندرونی توانائی کو کام میں تبدیل کرکے ماحول پر کام انجام دینے کی صلاحیت کو بیان کرتا ہے جب تک کہ توازن حاصل نہ ہو جائے۔ مواد میں مختلف قسم کی توانائی جمع ہوتی ہے، اور ہر قسم کی توانائی کو جاری کرنے کے لیے ایک خاص قسم کا رد عمل درکار ہوتا ہے۔ خارج ہونے والی توانائی کی مخصوص شدت کی ترتیب میں، اس قسم کے رد عمل یہ ہیں: جوہری، کیمیائی، برقی کیمیائی اور برقی۔ نیوکلیئر رد عمل ستاروں اور نیوکلیئر پاور پلانٹس میں ہوتے ہیں، یہ دونوں نیوکلئی کی بائنڈنگ انرجی سے توانائی حاصل کرتے ہیں۔ کیمیائی تعاملات حیاتیات کے ذریعہ خوراک سے توانائی حاصل کرنے کے لیے اور آٹوموبائل کے ذریعے پٹرول سے توانائی حاصل کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ مائع ہائیڈرو کاربن (ایندھن جیسے پٹرول، ڈیزل اور مٹی کے تیل) آج کل سب سے گھنے طریقے ہیں جو بڑے پیمانے پر کیمیائی توانائی کو اقتصادی طور پر ذخیرہ کرنے اور منتقل کرنے کے لیے جانا جاتا ہے (1 کلو ڈیزل ایندھن ≈ 15 کلو ہوا میں موجود آکسیجن کے ساتھ جلتا ہے)۔ الیکٹرو کیمیکل رد عمل زیادہ تر موبائل آلات جیسے لیپ ٹاپ کمپیوٹرز اور موبائل فونز بیٹریوں سے توانائی خارج کرنے کے لیے استعمال کرتے ہیں۔ توانائی کے مواد کی اقسام توانائی کے مواد کی کئی مختلف قسمیں ہیں۔ ایک تھرموڈینامک کام کی نظریاتی کل مقدار ہے جو کسی نظام سے حاصل کی جا سکتی ہے، کسی دیئے گئے درجہ حرارت اور ماحول کے ذریعہ عائد دباؤ پر۔ اسے ایکسرجی کہتے ہیں۔ دوسرا برقی توانائی کی نظریاتی مقدار ہے جو کمرے کے درجہ حرارت اور ماحولیاتی دباؤ پر رد عمل سے حاصل کی جا سکتی ہے۔ یہ معیاری گبز فری انرجی میں تبدیلی کے ذریعے دیا جاتا ہے۔ لیکن حرارت کے منبع کے طور پر یا ہیٹ انجن میں استعمال کے لیے، متعلقہ مقدار معیاری اینتھالپی یا دہن کی حرارت میں تبدیلی ہے۔ دہن کی حرارت دو قسم کی ہوتی ہے: اعلی قدر (ایچ ایچ وی)، یا دہن کی مجموعی حرارت، میں وہ تمام حرارت شامل ہوتی ہے جو مصنوعات کے کمرے کے درجہ حرارت پر ٹھنڈا ہونے کے بعد خارج ہوتی ہے اور جو بھی پانی کا بخارات موجود ہوتا ہے وہ گاڑھا ہوتا ہے۔ کم قیمت (ایل ایچ وی)، یا دہن کی خالص حرارت میں وہ حرارت شامل نہیں ہے جو پانی کے بخارات کو گاڑھا کرنے سے چھوڑی جا سکتی ہے، اور ہو سکتا ہے کہ کمرے کے درجہ حرارت تک ٹھنڈا ہونے پر خارج ہونے والی گرمی شامل نہ ہو۔ حوالہ جات میں کچھ ایندھنوں کی ایچ ایچ وی اور ایل ایچ وی کی ایک آسان میز مل سکتی ہے۔ توانائی ذخیرہ کرنے اور ایندھن میں توانائی ذخیرہ کرنے کی ایپلی کیشنز میں توانائی کی کثافت کا تعلق توانائی کے ذخیرے میں موجود توانائی کو ذخیرہ کرنے کی سہولت کے حجم سے ہے، مثال کے طور پر۔ ایندھن کا ٹینک۔ ایندھن کی توانائی کی کثافت جتنی زیادہ ہوگی، اتنی ہی مقدار میں زیادہ توانائی کو ذخیرہ یا منتقل کیا جا سکتا ہے۔ پٹرول کی اعلی توانائی کی کثافت کو دیکھتے ہوئے، کار کو طاقت دینے کی توانائی کو ذخیرہ کرنے کے لیے متبادل میڈیا کی تلاش، جیسے ہائیڈروجن یا بیٹری، متبادل میڈیم کی توانائی کی کثافت کی وجہ سے مضبوطی سے محدود ہے۔ مثال کے طور پر لتیم آئن اسٹوریج کی ایک ہی مقدار کے نتیجے میں ایک ایسی کار ہوگی جس کی رینج اس کے پٹرول ہم منصب کے مقابلے میں صرف 2 فیصد ہوگی۔ اگر رینج کی قربانی دینا ناپسندیدہ ہے، تو اتنا زیادہ ایندھن لے جانا ضروری ہو جاتا ہے۔ فی اکائی کمیت والے ایندھن کی توانائی کی کثافت کو اس ایندھن کی مخصوص توانائی کہا جاتا ہے۔ عام طور پر اس ایندھن کا استعمال کرنے والا انجن ناکارہیوں اور تھرموڈینامک تحفظات کی وجہ سے کم حرکی توانائی پیدا کرے گا-اس لیے انجن کی مخصوص ایندھن کی کھپت ہمیشہ حرکت کی حرکی توانائی کی پیداوار کی شرح سے زیادہ ہوگی۔ توانائی کی کثافت توانائی کی تبدیلی کی کارکردگی (فی ان پٹ خالص پیداوار) یا مجسم توانائی (فراہم کرنے کے لیے توانائی کی پیداوار کے اخراجات، جیسے کہ کٹائی، ریفائننگ، تقسیم، اور آلودگی سے نمٹنے کے لیے تمام استعمال شدہ توانائی) سے مختلف ہے۔ بڑے پیمانے پر، توانائی کے شدید استعمال کے اثرات اور آب و ہوا، فضلہ ذخیرہ کرنے اور ماحولیاتی نتائج سے متاثر ہوتے ہیں۔ توانائی ذخیرہ کرنے کا کوئی بھی واحد طریقہ مخصوص طاقت، مخصوص توانائی، اور توانائی کی کثافت میں بہترین نہیں ہے۔ پیوکرٹ کا قانون بیان کرتا ہے کہ کس طرح مفید توانائی کی مقدار جو (لیڈ ایسڈ سیل کے لیے) حاصل کی جا سکتی ہے اس کا انحصار اس بات پر ہوتا ہے کہ اسے کتنی جلدی باہر نکالا جاتا ہے۔ توانائی کی کثافت کو بڑھانے اور چارج کرنے کے وقت کو کم کرنے کے لیے توانائی کے ذخیرے کے متبادل اختیارات پر تبادلہ خیال کیا گیا ہے۔ مندرجہ بالا شکل کچھ ایندھن اور اسٹوریج ٹیکنالوجیز کی کشش ثقل اور حجم توانائی کی کثافت کو ظاہر کرتی ہے (گیسولین مضمون سے ترمیم شدہ)۔ آئسومرز یا دیگر بے ضابطگیوں کی وجہ سے کچھ اقدار درست نہیں ہو سکتی ہیں۔ اہم ایندھنوں کی مخصوص توانائیوں کی جامع میز کے لیے ہیٹنگ ویلیو دیکھیں۔ عام طور پر کیمیائی ایندھن کے لیے کثافت کی اقدار میں دہن کے لیے درکار آکسیجن کا وزن شامل نہیں ہوتا ہے۔ کاربن اور آکسیجن کے جوہری وزن ایک جیسے ہوتے ہیں، جبکہ ہائیڈروجن بہت ہلکا ہوتا ہے۔ اعداد و شمار ان ایندھنوں کے لیے اس طرح پیش کیے جاتے ہیں جہاں عملی طور پر ہوا صرف مقامی طور پر برنر کی طرف کھینچی جائے گی۔ یہ ان مواد کی بظاہر کم توانائی کی کثافت کی وضاحت کرتا ہے جن میں ان کے اپنے آکسیڈائزر (جیسے گن پاؤڈر اور ٹی این ٹی) ہوتے ہیں، جہاں آکسیڈائزر کی کمیت اثر میں وزن میں اضافہ کرتی ہے، اور ردعمل کو جاری رکھنے کے لیے آکسیجن کو الگ کرنے اور آزاد کرنے کے لیے دہن کی کچھ توانائی کو جذب کرتی ہے۔ یہ کچھ واضح بے ضابطگیوں کی بھی وضاحت کرتا ہے، جیسے کہ سینڈوچ کی توانائی کی کثافت ڈائنامائٹ کی چھڑی سے زیادہ دکھائی دیتی ہے۔ مادی توانائی کی کثافت کی فہرست جدولوں میں موجود اعداد و شمار پر غور کرتے وقت درج ذیل اکائی کے تبادلے مددگار ثابت ہو سکتے ہیں: 3.6 MJ = 1 kW ⋅ h ≈ 1.34 hp ⋅ h۔ چونکہ 1 جے = 10−6 ایم جے اور 1 ایم 3 = 103 ایل، ایم جے/ایل = جی جے/ایم 3 حاصل کرنے کے لیے جول/ایم 3 کو 109 سے تقسیم کریں۔ ایم جے/ایل کو 3.6 سے تقسیم کر کے کلو واٹ ⋅ ایچ/ایل حاصل کریں۔ کیمیائی تعاملات (آکسیکرن) میں جب تک کہ دوسری صورت میں بیان نہ کیا جائے، مندرجہ ذیل جدول میں اقدار کامل دہن کے لیے کم حرارتی اقدار ہیں، آکسیڈائزر ماس یا حجم کو شمار نہیں کرتے ہیں۔ جب ایندھن کے خلیے میں بجلی پیدا کرنے یا کام کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، تو یہ گبز فری انرجی آف ری ایکشن (ΔG) ہوتی ہے جو نظریاتی اوپری حد طے کرتی ہے۔ اگر پیدا شدہ بخارات ہے، تو یہ عام طور پر دہن کی کم گرمی سے زیادہ ہوتا ہے، جبکہ اگر پیدا شدہ مائع ہے، تو یہ عام طور پر دہن کی زیادہ گرمی سے کم ہوتا ہے۔ لیکن ہائیڈروجن کے سب سے زیادہ متعلقہ معاملے میں، اگر پانی کا بخارات پیدا ہوتا ہے تو α جی 113 ایم جے/کلوگرام ہے، اور اگر مائع پانی پیدا ہوتا ہے تو 118 ایم جے/کلوگرام ہے، دونوں دہن کی کم گرمی (120 ایم جے/کلوگرام) سے کم ہیں۔ جوہری تعاملات میں دیگر ریلیز میکانزم مادی اخترتی میں مکینیکل انرجی اسٹوریج کی صلاحیت، یا لچک، جب کسی ہکئین مواد کو ناکامی کے مقام تک خراب کیا جاتا ہے تو اس کا حساب تناؤ کی طاقت کے گنا زیادہ سے زیادہ لمبائی کو دو سے تقسیم کرکے کیا جا سکتا ہے۔ ہوکین مادے کی زیادہ سے زیادہ لمبائی کا حساب اس مادے کی سختی کو اس کی حتمی تناؤ کی طاقت سے تقسیم کر کے لگایا جا سکتا ہے۔ مندرجہ ذیل جدول میں ان اقدار کی فہرست دی گئی ہے جن کا حساب ینگ کے ماڈیولس کو سختی کی پیمائش کے طور پر استعمال کرتے ہوئے کیا گیا ہے: بیٹریوں میں جوہری توانائی کے ذرائع اب تک کا سب سے بڑا توانائی کا ذریعہ مادہ ہی ہے۔ یہ توانایٔی، E = mc2، جہاں m = ρV، ρ کمیت فی اکائی حجم ہے، V کمیت کا حجم ہے اور c روشنی کی رفتار ہے۔ تاہم، یہ توانائی صرف نیوکلیئر فشن (0.1 ٪)، نیوکلیئر فیوژن (1 ٪)، یا حجم V میں کچھ یا تمام مادے کے مادے-مادے کے تصادم (100%) کے ذریعے خارج کی جا سکتی ہے۔ جوہری تعاملات کا ادراک کیمیائی تعاملات جیسے دہن سے نہیں کیا جا سکتا۔ اگرچہ مادے کی زیادہ کثافت حاصل کی جا سکتی ہے، لیکن نیوٹرون ستارے کی کثافت ممکنہ مادے مخالف مادے کے خاتمے کے قابل سب سے زیادہ گھنے نظام کا تخمینہ لگائے گی۔ بلیک ہول، اگرچہ نیوٹران ستارے سے زیادہ گھنے ہوتے ہیں، لیکن اس میں مخالف ذرات کی مساوی شکل نہیں ہوتی ہے، لیکن ہاکنگ تابکاری کی شکل میں بڑے پیمانے پر توانائی میں تبدیلی کی وہی 100% شرح پیش کرتا ہے۔ نسبتا چھوٹے بلیک ہولز (فلکیاتی اشیاء سے چھوٹے) کی صورت میں بجلی کی پیداوار زبردست ہوگی۔ اینٹی میٹر کے علاوہ توانائی کے سب سے زیادہ کثافت کے ذرائع فیوژن اور فشن ہیں۔ فیوژن میں سورج کی توانائی شامل ہے جو اربوں سالوں تک (سورج کی روشنی کی شکل میں) دستیاب رہے گی لیکن اب تک (2021)، فیوژن پاور کی مستقل پیداوار اب بھی مشکل ہے۔ نیوکلیئر پاور پلانٹس میں یورینیم اور تھوریم کے بکھرنے سے پیدا ہونے والی بجلی کئی دہائیوں یا صدیوں تک دستیاب رہے گی کیونکہ زمین پر عناصر کی وافر فراہمی ہے، حالانکہ اس ماخذ کی مکمل صلاحیت کا ادراک صرف بریڈر ری ایکٹرز کے ذریعے کیا جا سکتا ہے، جو کہ بی این-600 ری ایکٹر کے علاوہ ہیں، جو ابھی تک تجارتی طور پر استعمال نہیں ہوئے ہیں۔ کوئلہ، گیس اور پٹرولیم امریکہ میں توانائی کے موجودہ بنیادی ذرائع ہیں لیکن ان کی توانائی کی کثافت بہت کم ہے۔ مقامی بائیو ماس ایندھن کو جلانے سے گھریلو توانائی کی ضروریات (کھانا پکانے کی آگ، تیل کے لیمپ وغیرہ) کی فراہمی ہوتی ہے۔ دنیا بھر میں۔ نیوکلیئر فشن ری ایکٹرز کی تھرمل پاور ہلکے پانی کے ری ایکٹر (پی ڈبلیو آر یا بی ڈبلیو آر) کے کور میں موجود تھرمل توانائی کی کثافت عام طور پر 1 جی ڈبلیو ای (1,000 میگاواٹ برقی جو کہ ≈ 3,000 میگاواٹ تھرمل سے مطابقت رکھتی ہے) 10 سے 100 میگاواٹ تھرمل توانائی فی مکعب میٹر کولنگ واٹر کی حد میں ہوتی ہے جو نظام میں زیر غور مقام (کور خود (≈ 30 ایم 3)، ری ایکٹر پریشر برتن (≈ 50 ایم 3)، یا پورے پرائمری سرکٹ (≈ 300 ایم 3) پر منحصر ہوتی ہے۔ یہ توانائی کی کافی کثافت کی نمائندگی کرتا ہے جس کے لیے ری ایکٹر کے ہنگامی طور پر بند ہونے کے بعد بھی کور سے گرمی کو ہٹانے کے قابل ہونے کے لیے تمام حالات میں تیز رفتار سے پانی کے مسلسل بہاؤ کی ضرورت ہوتی ہے۔ 2011 میں سونامی کے بعد فوکوشیما میں تین ابلتے پانی کے ری ایکٹرز (بی ڈبلیو آر) کے کور کو ٹھنڈا کرنے میں ناکامی اور اس کے نتیجے میں بیرونی برقی طاقت اور ٹھنڈے منبع کا نقصان صرف چند گھنٹوں میں تین کور کے پگھلنے کی وجہ تھی، حالانکہ تین ری ایکٹر توہوکو زلزلے کے فورا بعد ہی صحیح طریقے سے بند ہو گئے تھے۔ یہ انتہائی اعلی طاقت کی کثافت جوہری بجلی گھروں (این پی پیز) کو کسی بھی تھرمل پاور پلانٹس (جلتے ہوئے کوئلے، ایندھن یا گیس) یا کسی بھی کیمیائی پلانٹس سے ممتاز کرتی ہے اور نیوٹران کی رد عمل کو مستقل طور پر کنٹرول کرنے اور این پی پیز کے مرکز سے بقایا گرمی کو دور کرنے کے لیے درکار بڑی بے کاری کی وضاحت کرتی ہے۔ برقی اور مقناطیسی میدانوں کی توانائی کی کثافت برقی اور مقناطیسی میدان توانائی کو ذخیرہ کرتے ہیں۔ (حجم) توانائی کی کثافت اس بات سے دی جاتی ہے کہ برقی میدان کہاں ہے، مقناطیسی میدان ہے، اور بالترتیب آس پاس کی اجازت اور پارگمیتا ہے۔ حل (ایس آئی اکائیوں میں) جول فی مکعب میٹر میں ہوگا۔ مقناطیسی ہائیڈروڈائنامکس کے تناظر میں، موصل سیالوں کی طبیعیات، مقناطیسی توانائی کی کثافت ایک اضافی دباؤ کی طرح برتاؤ کرتی ہے جو پلازما کے گیس کے دباؤ میں اضافہ کرتی ہے۔ مثالی (لکیری اور غیر منتشر) مادوں میں، توانائی کی کثافت (ایس آئی اکائیوں میں) وہ جگہ ہے جہاں برقی نقل مکانی کا میدان ہے اور مقناطیسی میدان ہے۔ مقناطیسی میدانوں کی عدم موجودگی کی صورت میں، فریہلچ کے تعلقات کو بروئے کار لاتے ہوئے ان مساوات کو انیسوٹروپک اور غیر لکیری ڈائی الیکٹرکس تک بڑھانا بھی ممکن ہے، ساتھ ہی ساتھ مربوط ہیلم ہولٹز فری انرجی اور اینٹروپی کثافت کا حساب لگانا بھی ممکن ہے۔ جب ایک پلسڈ لیزر کسی سطح پر اثر انداز ہوتا ہے، تو تابکار نمائش، یعنی۔ سطح کی فی اکائی میں جمع ہونے والی توانائی کو توانائی کی کثافت یا روانی کہا جا سکتا ہے۔ بائیو فیول انرجی ڈینسٹی کی توانائی کا مواد بھی دیکھیں توسیعی حوالہ ٹیبل میرٹ کی شکل فوڈ انرجی دہن کی حرارت ہائی انرجی ڈینسٹی میٹر پاور ڈینسٹی اور خاص طور پر پاور ٹو ویٹ تناسب ریچارج ایبل بیٹری سالڈ اسٹیٹ بیٹری مخصوص توانائی مخصوص امپلس فوٹ نوٹ مزید پڑھنا افراط زر کائنات: ایلن ایچ گوتھ (1998) کاسمولوجیکل انفلیشن اینڈ لارج اسکیل اسٹرکچر بذریعہ اینڈریو آر لڈل، ڈیوڈ ایچ لیتھ (2000) رچرڈ بیکر، "برقی مقناطیسی میدان اور تعاملات"، ڈوور پبلکیشنز انکارپوریٹڈ، 1964 بیرونی روابط "ہوائی جہاز کے ایندھن"۔ توانائی، ٹیکنالوجی اور ماحولیات ایڈ۔ ایٹیلیو بسیو۔ جلد۔ 1. نیویارک: جان ولی اینڈ سنز، انکارپوریٹڈ، 1995۔ 257-259 "کاروں اور ٹرکوں کے مستقبل کے ایندھن"-ڈاکٹر جیمز جے ایبرہارٹ-توانائی کی کارکردگی اور قابل تجدید توانائی، امریکی محکمہ توانائی-2002 ڈیزل انجن کے اخراج میں کمی (DEER) ورکشاپ سان ڈیاگو، کیلیفورنیا-اگست 25-29، 2002 توانائی کثافت حجم-مخصوص مقداریں جسمانی مقدار