Konwersja energii — elektryczna, termiczna, mechaniczna, świetlna

Pojęcie energii jest używane we wszystkich naukach. Wiadomo również, że ciała energetyczne mogą wykonywać pracę. Prawo zachowania energii stwierdza, że ​​energia nie znika i nie może powstać z niczego, ale pojawia się w różnych formach (np. w postaci energii termicznej, mechanicznej, świetlnej, elektrycznej itp.).

Jedna forma energii może przechodzić w inną, a jednocześnie obserwuje się dokładne stosunki ilościowe różnych rodzajów energii. Ogólnie rzecz biorąc, przejście od jednej formy energii do drugiej nigdy nie jest całkowite, ponieważ zawsze istnieją inne (przeważnie niechciane) rodzaje energii. Na przykład, w silniku elektrycznym nie cała energia elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną, ale jej część jest zamieniana na energię cieplną (nagrzewanie drutów przez prądy, nagrzewanie w wyniku działania sił tarcia).

Fakt niepełnego przejścia jednego rodzaju energii na inny charakteryzuje współczynnik sprawności (sprawności).Współczynnik ten definiuje się jako stosunek energii użytecznej do jej całkowitej ilości lub jako stosunek mocy użytkowej do całości.

Energia elektryczna ma tę zaletę, że może być przesyłany stosunkowo łatwo iz małymi stratami na duże odległości, a ponadto ma niezwykle szeroki zakres zastosowań. Dystrybucja energii elektrycznej jest stosunkowo łatwa do zarządzania i może być magazynowana i przechowywana w znanych ilościach.

W ciągu dnia roboczego człowiek zużywa średnio 1000 kJ lub 0,3 kW energii. Człowiek potrzebuje około 8000 kJ w postaci pożywienia i 8000 kJ do ogrzewania domów, obiektów przemysłowych, gotowania itp. kcal, czyli 60 kWh

Energia elektryczna i mechaniczna

Energia elektryczna jest przekształcana w energię mechaniczną w silnikach elektrycznych iw mniejszym stopniu w elektromagnesach… W obu przypadkach powiązane efekty z polem elektromagnetycznym… Straty energii, czyli ta część energii, która nie jest przekształcana w pożądaną formę, to głównie koszty energii na ogrzewanie drutów ze strat prądowych i tarcia.

Duże silniki elektryczne mają sprawność powyżej 90%, podczas gdy małe silniki elektryczne mają sprawność nieco poniżej tego poziomu. Jeżeli np. silnik elektryczny ma moc 15 kW i sprawność równą 90%, to jego moc mechaniczna (użytkowa) wynosi 13,5 kW. Jeżeli moc mechaniczna silnika elektrycznego ma być równa 15 kW, to moc elektryczna pobierana przy tej samej wartości sprawności wynosi 16,67 kWh.

Proces przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną jest odwracalny, tj. energia mechaniczna może zostać przekształcona w energię elektryczną (zob. Proces konwersji energii w maszynach elektrycznych). W tym celu są one głównie wykorzystywane generatoryktóre są podobne w konstrukcji do silników elektrycznych i mogą być napędzane przez turbiny parowe lub turbiny hydrauliczne. Te generatory mają również straty energii.

Energia elektryczna i cieplna

Jeśli drut płynie Elektryczność, wtedy elektrony w swoim ruchu zderzają się z atomami materiału przewodnika i powodują ich intensywniejszy ruch termiczny. W tym przypadku elektrony tracą część swojej energii. Powstająca energia cieplna z jednej strony prowadzi np. do wzrostu temperatury części i drutów uzwojeń w maszynach elektrycznych, az drugiej strony do wzrostu temperatury otoczenia. Należy dokonać rozróżnienia między użyteczną energią cieplną a stratami ciepła.

W elektrycznych urządzeniach grzewczych (kotły elektryczne, żelazka, piece grzewcze itp.) należy dążyć do tego, aby energia elektryczna była jak najpełniej przetwarzana na energię cieplną. Inaczej jest np. w przypadku linii elektroenergetycznych czy silników elektrycznych, gdzie wytwarzana energia cieplna jest niepożądanym efektem ubocznym i dlatego często trzeba ją usuwać.

W wyniku późniejszego wzrostu temperatury ciała energia cieplna przekazywana jest do otoczenia. Proces przekazywania energii cieplnej odbywa się w formie przewodzenie ciepła, konwekcja i promieniowanie cieplne… W większości przypadków bardzo trudno jest podać dokładne ilościowe oszacowanie całkowitej ilości uwolnionej energii cieplnej.

Jeżeli ciało ma być ogrzane, wartość jego temperatury końcowej musi być znacznie wyższa od wymaganej temperatury nagrzania. Jest to konieczne, aby jak najmniej energii cieplnej było przekazywane do otoczenia.

Jeśli wręcz przeciwnie, wzrost temperatury ciała jest niepożądany, to wartość temperatury końcowej układu powinna być niewielka. W tym celu tworzone są warunki ułatwiające odprowadzanie energii cieplnej z organizmu (duża powierzchnia kontaktu ciała z otoczeniem, wymuszona wentylacja).

Energia cieplna występująca w przewodach elektrycznych ogranicza ilość prądu, który jest dozwolony w tych przewodach. Maksymalna dopuszczalna temperatura przewodnika jest określona przez opór cieplny jego izolacji. Dlaczego, aby zapewnić transfer niektórych konkretnych siła elektrycznanależy wybrać najniższą możliwą wartość prądu i odpowiednio wysoką wartość napięcia. W tych warunkach koszt materiału drutu zostanie zmniejszony. Zatem ekonomicznie możliwe jest przesyłanie energii elektrycznej dużej mocy przy wysokich napięciach.

Konwersja energii cieplnej na energię elektryczną

Energia cieplna jest zamieniana bezpośrednio na energię elektryczną w tzw przetworniki termoelektryczne… Termopara konwertera termoelektrycznego składa się z dwóch metalowych przewodników wykonanych z różnych materiałów (np. miedzi i konstantanu) i zlutowanych ze sobą na jednym końcu.

Przy pewnej różnicy temperatur między punktem połączenia a pozostałymi dwoma końcami dwóch przewodów, pole elektromagnetyczne, która w pierwszym przybliżeniu jest wprost proporcjonalna do tej różnicy temperatur. Ten termo-EMF, równy kilku miliwoltom, można zarejestrować za pomocą bardzo czułych woltomierzy. Jeżeli woltomierz jest skalibrowany w stopniach Celsjusza, to razem z przetwornikiem termoelektrycznym powstałe urządzenie może służyć do bezpośredniego pomiaru temperatury.

Moc konwersji jest niska, więc takie konwertery praktycznie nie są wykorzystywane jako źródła energii elektrycznej. W zależności od materiałów użytych do wykonania termopary działa ona w różnych zakresach temperatur. Dla porównania można wskazać niektóre cechy różnych termopar: termopara miedziowo-konstantanowa ma zastosowanie do 600 ° C, EMF wynosi około 4 mV przy 100 ° C; termopara ze stałą żelazem ma zastosowanie do 800 ° C, pole elektromagnetyczne wynosi około 5 mV przy 100 ° C.

Przykład praktycznego wykorzystania konwersji energii cieplnej na elektryczną — Generatory termoelektryczne

Energia elektryczna i świetlna

Z punktu widzenia fizyki światło jest promieniowanie elektromagnetyczne, co odpowiada pewnej części widma fal elektromagnetycznych i które ludzkie oko może dostrzec. Widmo fal elektromagnetycznych obejmuje również fale radiowe, ciepło i promieniowanie rentgenowskie. Patrzeć - Podstawowe wielkości oświetlenia i ich współczynniki

Możliwe jest uzyskanie promieniowania świetlnego za pomocą energii elektrycznej w wyniku promieniowania cieplnego oraz wyładowań gazowych.Promieniowanie cieplne (temperaturowe) powstaje w wyniku ogrzewania ciał stałych lub ciekłych, które w wyniku ogrzewania emitują fale elektromagnetyczne o różnych długościach fal. Rozkład natężenia promieniowania cieplnego zależy od temperatury.

Wraz ze wzrostem temperatury maksymalne natężenie promieniowania przesuwa się do oscylacji elektromagnetycznych o krótszej długości fali. W temperaturze około 6500 K maksymalne natężenie promieniowania występuje przy długości fali 0,55 μm, tj. przy długości fali odpowiadającej maksymalnej czułości ludzkiego oka. Do celów oświetleniowych oczywiście żadne ciało stałe nie może zostać ogrzane do takiej temperatury.

Wolfram wytrzymuje najwyższą temperaturę ogrzewania. W szklanych butelkach próżniowych można go podgrzać do temperatury 2100°C, a przy wyższych temperaturach zaczyna parować. Proces parowania można spowolnić dodając trochę gazów (azotu, kryptonu), co umożliwia podniesienie temperatury grzania do 3000°C.

W celu zmniejszenia strat w żarówkach w wyniku powstałej konwekcji, żarnik wykonywany jest w postaci pojedynczej lub podwójnej spirali. Jednak pomimo tych środków skuteczność świetlna żarówek wynosi 20 lm / W, co wciąż jest dość dalekie od teoretycznie osiągalnego optimum. Źródła promieniowania cieplnego mają bardzo niską sprawność, ponieważ w ich przypadku większość energii elektrycznej jest zamieniana na energię cieplną, a nie na światło.

W gazowo-wyładowczych źródłach światła elektrony zderzają się z atomami lub cząsteczkami gazu, powodując w ten sposób emisję fal elektromagnetycznych o określonej długości fali. Cała objętość gazu bierze udział w procesie emitowania fal elektromagnetycznych i generalnie linie widma takiego promieniowania nie zawsze leżą w zakresie światła widzialnego. Obecnie źródła światła LED są najczęściej stosowane w oświetleniu. Patrzeć - Dobór źródeł światła do pomieszczeń przemysłowych. 

Przemiana energii świetlnej w energię elektryczną

Energię świetlną można przekształcić w energię elektryczną, a to przejście jest możliwe na dwa różne sposoby z fizycznego punktu widzenia. Ta konwersja energii może być wynikiem efektu fotoelektrycznego (efektu fotoelektrycznego). Aby zrealizować efekt fotoelektryczny, stosuje się fototranzystory, fotodiody i fotorezystory.

Na styku niektórych półprzewodniki (german, krzem itp.) i metale tworzy się strefa graniczna, w której atomy dwóch stykających się materiałów wymieniają elektrony. Kiedy światło pada na strefę graniczną, równowaga elektryczna w nim zostaje zakłócona, w wyniku czego powstaje pole elektromagnetyczne, pod wpływem którego powstaje prąd elektryczny w zewnętrznym obwodzie zamkniętym. SEM, a co za tym idzie wartość prądu, zależy od padającego strumienia światła i długości fali promieniowania.

Niektóre materiały półprzewodnikowe są używane jako fotorezystory.W wyniku oddziaływania światła na fotorezystor zwiększa się w nim liczba wolnych nośników ładunków elektrycznych, co powoduje zmianę jego rezystancji elektrycznej.Jeśli włączysz fotorezystor do obwodu elektrycznego, prąd w tym obwodzie będzie zależał od energii światła padającego na fotorezystor.

Zobacz też - Proces przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną

Energia chemiczna i elektryczna

Wodne roztwory kwasów, zasad i soli (elektrolity) przewodzą mniej lub bardziej prąd elektryczny, co jest spowodowane zjawisko dysocjacji elektrycznej substancji… Część cząsteczek substancji rozpuszczonej (wielkość tej części określa stopień dysocjacji) występuje w roztworze w postaci jonów.

Jeśli w roztworze znajdują się dwie elektrody, do których przyłożona jest różnica potencjałów, wówczas jony zaczną się poruszać, przy czym jony naładowane dodatnio (kationy) będą przemieszczać się w kierunku katody, a jony naładowane ujemnie (aniony) w kierunku anody.

Docierając do odpowiedniej elektrody, jony uzyskują brakujące elektrony lub odwrotnie, oddają dodatkowe, w wyniku czego stają się elektrycznie obojętne. Masa materiału osadzonego na elektrodach jest wprost proporcjonalna do przeniesionego ładunku (prawo Faradaya).

W strefie granicznej między elektrodą a elektrolitem elastyczność rozpuszczania metali i ciśnienie osmotyczne przeciwstawiają się sobie. (Ciśnienie osmotyczne powoduje osadzanie się jonów metali z elektrolitów na elektrodach. Tylko ten proces chemiczny jest odpowiedzialny za różnicę potencjałów).

Przemiana energii elektrycznej w energię chemiczną

Aby osiągnąć osadzanie się substancji na elektrodach w wyniku ruchu jonów, konieczne jest wydatkowanie energii elektrycznej. Ten proces nazywa się elektrolizą. Ta zamiana energii elektrycznej na energię chemiczną jest wykorzystywana w elektrometalurgii do otrzymywania metali (miedzi, aluminium, cynku itp.) w postaci chemicznie czystej.

W galwanotechnice metale aktywnie utleniające się pokrywane są metalami pasywnymi (złocenie, chromowanie, niklowanie itp.). W galwanotechnice wykonuje się trójwymiarowe odciski (klisze) z różnych ciał, a jeśli takie ciało jest wykonane z materiału nieprzewodzącego, to przed wykonaniem odcisku należy je pokryć warstwą przewodzącą prąd elektryczny.

Przemiana energii chemicznej w energię elektryczną

Jeśli dwie elektrody wykonane z różnych metali zostaną zanurzone w elektrolicie, wówczas powstaje między nimi różnica potencjałów, spowodowana różnicą elastyczności rozpuszczania tych metali. Jeśli podłączysz odbiornik energii elektrycznej, na przykład rezystor, między elektrodami na zewnątrz elektrolitu, wówczas w powstałym obwodzie elektrycznym popłynie prąd. Oto jak działają ogniwa galwaniczne (pierwiastki podstawowe).

Pierwsze miedziano-cynkowe ogniwo galwaniczne zostało wynalezione przez Voltę. W tych pierwiastkach energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną. Działanie ogniw galwanicznych może być utrudnione przez zjawisko polaryzacji, które powstaje w wyniku osadzania się substancji na elektrodach.

Wszystkie ogniwa galwaniczne mają tę wadę, że energia chemiczna jest w nich nieodwracalnie przekształcana w energię elektryczną, to znaczy ogniw galwanicznych nie można naładować. Są pozbawione tej wady akumulatory.