Energikonvertering - elektrisk, termisk, mekanisk, lys

Begrepet energi brukes i alle vitenskaper. Det er også kjent at energilegemer kan utføre arbeid. Loven om bevaring av energi sier at energi ikke forsvinner og ikke kan skapes fra ingenting, men opptrer i sine ulike former (for eksempel i form av termisk, mekanisk, lys, elektrisk energi, etc.).

En form for energi kan gå over i en annen og samtidig observeres nøyaktige kvantitative forhold mellom ulike energityper. Generelt sett er overgangen fra en form for energi til en annen aldri fullført, da det alltid finnes andre (for det meste uønskede) energityper. For eksempel, i den elektriske motoren ikke all elektrisk energi omdannes til mekanisk energi, men en del av den omdannes til termisk energi (oppvarming av ledninger med strømmer, oppvarming som et resultat av friksjonskrefter).

Faktumet med ufullstendig overgang av en type energi til en annen karakteriserer effektivitetskoeffisienten (effektivitet).Denne koeffisienten er definert som forholdet mellom nyttig energi og dens totale mengde eller som forholdet mellom nyttig energi og totalen.

Elektrisk energi den har fordelen at den kan overføres relativt enkelt og med lavt tap over lange avstander og har dessuten et ekstremt bredt bruksområde. Distribusjonen av elektrisk energi er relativt enkel å administrere og kan lagres og lagres i kjente mengder.

I løpet av en arbeidsdag bruker en person i gjennomsnitt 1000 kJ eller 0,3 kW energi. En person trenger cirka 8000 kJ i form av mat og 8000 kJ til oppvarming av boliger, industrilokaler, matlaging m.m. kcal, eller 60 kWh

Elektrisk og mekanisk energi

Elektrisk energi omdannes til mekanisk energi i elektriske motorer og i mindre grad i elektromagneter… I begge tilfeller de tilhørende effektene med et elektromagnetisk felt… Energitap, det vil si den delen av energien som ikke omdannes til ønsket form, består hovedsakelig av energikostnader for oppvarming av ledninger fra strøm- og friksjonstap.

Store elektriske motorer har en virkningsgrad over 90 %, mens små elektriske motorer har en virkningsgrad litt under dette nivået. Hvis for eksempel den elektriske motoren har en effekt på 15 kW og en effektivitet lik 90%, er dens mekaniske (nyttige) effekt 13,5 kW. Hvis den mekaniske effekten til den elektriske motoren skal være lik 15 kW, er den elektriske effekten som forbrukes ved samme effektivitetsverdi 16,67 kWh.

Prosessen med å konvertere elektrisk energi til mekanisk energi er reversibel, dvs. mekanisk energi kan konverteres til elektrisk energi (se - Energikonverteringsprosess i elektriske maskiner). Til dette formål brukes de hovedsakelig generatorersom i design ligner elektriske motorer og kan drives av dampturbiner eller hydrauliske turbiner. Disse generatorene har også energitap.

Elektrisk og termisk energi

Hvis ledningen flyter elektrisitet, så kolliderer elektronene i deres bevegelse med atomene i materialet til lederen og får dem til en mer intens termisk bevegelse. I dette tilfellet mister elektronene noe av energien. Den resulterende termiske energien, på den ene siden, fører for eksempel til en økning i temperaturen på delene og ledningene til viklingene i elektriske maskiner, og på den annen side til en økning i temperaturen i omgivelsene. Det må skilles mellom nyttig varmeenergi og varmetap.

I elektriske oppvarmingsenheter (elektriske kjeler, strykejern, varmeovner, etc.) er det tilrådelig å tilstrebe at den elektriske energien omdannes så fullstendig som mulig til termisk energi. Dette er for eksempel ikke tilfellet når det gjelder kraftledninger eller elektriske motorer, hvor varmeenergien som genereres er en uønsket bivirkning og derfor ofte må tas for å fjerne den.

Som et resultat av den påfølgende økningen i kroppstemperatur, overføres termisk energi til miljøet. Prosessen med varmeenergioverføring foregår i form varmeledning, konveksjon og varmestråling… I de fleste tilfeller er det svært vanskelig å gi et nøyaktig kvantitativt estimat av den totale mengden varmeenergi som frigjøres.

Hvis en kropp skal varmes opp, må verdien av dens slutttemperatur være betydelig høyere enn den nødvendige oppvarmingstemperaturen. Dette er nødvendig for å overføre minst mulig varmeenergi til omgivelsene.

Hvis tvert imot oppvarming av kroppstemperaturen er uønsket, bør verdien av slutttemperaturen til systemet være liten. For dette formålet skapes forhold som letter fjerning av varmeenergi fra kroppen (stor kontaktflate av kroppen med miljøet, tvungen ventilasjon).

Den termiske energien som forekommer i elektriske ledninger begrenser mengden strøm som er tillatt i disse ledningene. Maksimal tillatt temperatur på lederen bestemmes av den termiske motstanden til isolasjonen. Hvorfor, for å sikre overføring av noen spesifikke elektrisk kraft, bør du velge lavest mulig strømverdi og følgelig høyspenningsverdi. Under disse forholdene vil kostnaden for trådmaterialet reduseres. Dermed er det økonomisk mulig å overføre elektrisk energi med høy effekt ved høye spenninger.

Konvertering av termisk energi til elektrisk energi

Termisk energi omdannes direkte til elektrisk energi i den såkalte termoelektriske omformere… Termoelementet til en termoelektrisk omformer består av to metallledere laget av forskjellige materialer (f.eks. kobber og konstantan) og loddet sammen i den ene enden.

Ved en viss temperaturforskjell mellom tilkoblingspunktet og de to andre endene av de to ledningene, EMF, som i den første tilnærmingen er direkte proporsjonal med denne temperaturforskjellen. Denne termo-EMF, lik noen få millivolt, kan registreres ved hjelp av svært følsomme voltmetre. Hvis voltmeteret er kalibrert i grader Celsius, kan den resulterende enheten brukes til direkte temperaturmåling sammen med den termoelektriske omformeren.

Konverteringseffekten er lav, så slike omformere brukes praktisk talt ikke som kilder til elektrisk energi. Avhengig av materialene som brukes til å lage termoelementet, fungerer det i forskjellige temperaturområder. For sammenligning kan noen karakteristika til forskjellige termoelementer angis: et kobber-konstantan termoelement kan brukes opp til 600 ° C, EMF er omtrent 4 mV ved 100 ° C; et jernkonstant termoelement kan brukes opp til 800 °C, EMF er omtrent 5 mV ved 100 °C.

Et eksempel på praktisk bruk av konvertering av termisk energi til elektrisk energi — Termoelektriske generatorer

Elektrisk og lett energi

Når det gjelder fysikk, er lys elektromagnetisk stråling, som tilsvarer en viss del av spekteret av elektromagnetiske bølger og som det menneskelige øyet kan oppfatte. Spekteret av elektromagnetiske bølger inkluderer også radiobølger, varme og røntgenstråler. Se - Grunnleggende mengder belysning og deres forhold

Det er mulig å oppnå lysstråling ved hjelp av elektrisk energi som følge av termisk stråling og ved gassutladning.Termisk (temperatur) stråling oppstår som et resultat av oppvarming av faste eller flytende legemer, som på grunn av oppvarming sender ut elektromagnetiske bølger med forskjellige bølgelengder. Fordelingen av intensiteten til termisk stråling avhenger av temperaturen.

Når temperaturen øker, skifter den maksimale strålingsintensiteten til elektromagnetiske svingninger med kortere bølgelengde. Ved en temperatur på ca 6500 K oppstår maksimal strålingsintensitet ved en bølgelengde på 0,55 μm, d.v.s. ved bølgelengden som tilsvarer den maksimale følsomheten til det menneskelige øyet. For belysningsformål kan ingen fast kropp varmes opp til en slik temperatur, selvfølgelig.

Wolfram tåler den høyeste oppvarmingstemperaturen. I vakuumglassflasker kan den varmes opp til en temperatur på 2100 ° C, og ved høyere temperaturer begynner den å fordampe. Fordampningsprosessen kan bremses ved å tilsette noen gasser (nitrogen, krypton), som gjør det mulig å øke oppvarmingstemperaturen til 3000 ° C.

For å redusere tap i glødelamper som et resultat av den resulterende konveksjonen, er glødetråden laget i form av en enkel eller dobbel spiral. Til tross for disse tiltakene lyseffektiviteten til glødelamper er 20 lm / W, som fortsatt er ganske langt fra det teoretisk oppnåelige optimum. Termiske strålingskilder har svært lav virkningsgrad, fordi med dem blir det meste av den elektriske energien omdannet til varmeenergi og ikke til lys.

I gassutladningslyskilder kolliderer elektroner med gassatomer eller molekyler og får dem til å sende ut elektromagnetiske bølger med en viss bølgelengde. Hele gassvolumet er involvert i prosessen med å sende ut elektromagnetiske bølger, og generelt ligger linjene i spekteret av slik stråling ikke alltid i området for synlig lys. For tiden er LED-lyskilder de mest brukte i belysning. Se - Valg av lyskilder for industrilokaler. 

Overgang av lysenergi til elektrisk energi

Lysenergi kan omdannes til elektrisk energi og denne overgangen er mulig på to forskjellige måter fra et fysisk synspunkt. Denne energikonverteringen kan være et resultat av den fotoelektriske effekten (fotoelektrisk effekt). For å realisere den fotoelektriske effekten brukes fototransistorer, fotodioder og fotomotstander.

I grensesnittet mellom noen halvledere (germanium, silisium, etc.) og metaller, dannes det en grensesone der atomene til de to kontaktmaterialene utveksler elektroner. Når lys faller på grensesonen, blir den elektriske likevekten i den forstyrret, som et resultat av at det oppstår en EMF, under påvirkning av hvilken en elektrisk strøm oppstår i en ekstern lukket krets. EMF og derfor verdien av strømmen avhenger av den innfallende lysfluksen og bølgelengden til strålingen.

Noen halvledermaterialer brukes som fotomotstander.Som et resultat av lysets innvirkning på fotomotstanden, øker antallet frie bærere av elektriske ladninger i den, noe som forårsaker en endring i dens elektriske motstand. Hvis du inkluderer en fotomotstand i en elektrisk krets, vil strømmen i denne kretsen avhenge på energiene til lyset som faller på fotomotstanden.

Se også - Prosessen med å konvertere solenergi til elektrisitet

Kjemisk og elektrisk energi

Vandige løsninger av syrer, baser og salter (elektrolytter) leder mer eller mindre elektrisk strøm, som er pga. Fenomenet elektrisk dissosiasjon av stoffer… Noen av de oppløste molekylene (størrelsen på denne delen bestemmer graden av dissosiasjon) er tilstede i løsningen i form av ioner.

Hvis det er to elektroder i løsningen som en potensialforskjell påføres, vil ionene begynne å bevege seg, med de positivt ladede ionene (kationene) som beveger seg mot katoden og de negativt ladede ionene (anionene) mot anoden.

Når de kommer til den tilsvarende elektroden, får ionene sine manglende elektroner, eller omvendt gir de opp de ekstra og blir som et resultat elektrisk nøytrale. Massen av materiale avsatt på elektrodene er direkte proporsjonal med ladningen som overføres (Faradays lov).

I grensesonen mellom elektroden og elektrolytten står oppløsningselastisiteten til metallene og det osmotiske trykket mot hverandre. (Osmotisk trykk forårsaker avsetning av metallioner fra elektrolytter på elektrodene. Denne kjemiske prosessen alene er ansvarlig for potensialforskjellen).

Konvertering av elektrisk energi til kjemisk energi

For å oppnå avsetning av et stoff på elektrodene som et resultat av bevegelser av ioner, er det nødvendig å bruke elektrisk energi. Denne prosessen kalles elektrolyse. Denne konverteringen av elektrisk energi til kjemisk energi brukes i elektrometallurgi for å oppnå metaller (kobber, aluminium, sink, etc.) i en kjemisk ren form.

Ved elektroplettering dekkes aktivt oksiderende metaller med passive metaller (forgylling, forkromning, nikkelplettering, etc.). Ved elektroforming lages tredimensjonale avtrykk (klisjeer) av ulike kropper, og dersom en slik kropp er laget av et ikke-ledende materiale, må den dekkes med et elektrisk ledende lag før avtrykket gjøres.

Konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi

Hvis to elektroder laget av forskjellige metaller senkes ned i elektrolytten, oppstår det en potensiell forskjell mellom dem, på grunn av forskjellen i elastisiteten til oppløsningen av disse metallene. Hvis du kobler en mottaker av elektrisk energi, for eksempel en motstand, mellom elektrodene utenfor elektrolytten, vil en strøm flyte i den resulterende elektriske kretsen. Her er hvordan de fungerer galvaniske celler (primærelementer).

Den første galvaniske kobber-sinkcellen ble oppfunnet av Volta. I disse grunnstoffene blir kjemisk energi omdannet til elektrisk energi. Virkningen av galvaniske celler kan hindres av fenomenet polarisering, som oppstår som et resultat av avsetning av et stoff på elektrodene.

Alle galvaniske celler har den ulempen at kjemisk energi omdannes irreversibelt til elektrisk energi i dem, det vil si at galvaniske celler ikke kan lades opp igjen. De er blottet for denne ulempen akkumulatorer.