Energiomvandling — elektrisk, termisk, mekanisk, lätt
Begreppet energi används inom alla vetenskaper. Det är också känt att energikroppar kan utföra arbete. Lagen om bevarande av energi anger att energi inte försvinner och inte kan skapas ur ingenting, utan uppträder i dess olika former (till exempel i form av termisk, mekanisk, ljus, elektrisk energi, etc.).
En energiform kan övergå i en annan och samtidigt observeras exakta kvantitativa förhållanden mellan olika energislag. Generellt sett är övergången från en energiform till en annan aldrig fullständig, eftersom det alltid finns andra (oftast oönskade) energislag. Till exempel, i elmotorn inte all elektrisk energi omvandlas till mekanisk energi, men en del av den omvandlas till termisk energi (uppvärmning av ledningar med strömmar, uppvärmning som ett resultat av friktionskrafternas verkan).
Faktumet med ofullständig övergång av en typ av energi till en annan kännetecknar effektivitetskoefficienten (effektivitet).Denna koefficient definieras som förhållandet mellan användbar energi och dess totala mängd eller som förhållandet mellan användbar energi och totalen.
Elektrisk energi den har fördelen att den kan överföras relativt enkelt och med låg förlust över långa avstånd och har dessutom ett extremt brett användningsområde. Distributionen av elektrisk energi är relativt lätt att hantera och kan lagras och lagras i kända kvantiteter.
Under en arbetsdag använder en person i genomsnitt 1000 kJ eller 0,3 kW energi. En person behöver cirka 8000 kJ i form av mat och 8000 kJ för uppvärmning av bostäder, industrilokaler, matlagning m.m. kcal, eller 60 kWh
Elektrisk och mekanisk energi
Elektrisk energi omvandlas till mekanisk energi i elmotorer och i mindre utsträckning i elektromagneter… I båda fallen de associerade effekterna med ett elektromagnetiskt fält… Energiförluster, det vill säga den del av energin som inte omvandlas till önskad form, består främst av energikostnader för värmetrådar från ström- och friktionsförluster.
Stora elmotorer har en verkningsgrad över 90 %, medan små elmotorer har en verkningsgrad något under denna nivå. Om till exempel elmotorn har en effekt på 15 kW och en verkningsgrad som är lika med 90 %, är dess mekaniska (användbara) effekt 13,5 kW. Om den mekaniska effekten hos elmotorn ska vara lika med 15 kW, är den elektriska effekten som förbrukas vid samma verkningsgrad 16,67 kWh.
Processen att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi är reversibel, dvs. mekanisk energi kan omvandlas till elektrisk energi (se — Energiomvandlingsprocess i elektriska maskiner). För detta ändamål används de huvudsakligen generatorersom till sin design liknar elmotorer och kan drivas av ångturbiner eller hydrauliska turbiner. Dessa generatorer har också energiförluster.
Elektrisk och termisk energi
Om tråden flyter elektricitet, då kolliderar elektronerna i sin rörelse med atomerna i materialet i ledaren och får dem till en mer intensiv termisk rörelse. I det här fallet förlorar elektronerna en del av sin energi. Den resulterande termiska energin leder å ena sidan till en ökning av temperaturen hos delarna och ledningarna i lindningarna i elektriska maskiner, och å andra sidan till en ökning av temperaturen i omgivningen. Man måste skilja på nyttig värmeenergi och värmeförluster.
I elektriska värmeanordningar (elpannor, strykjärn, värmespisar etc.) är det lämpligt att sträva efter att se till att den elektriska energin omvandlas så fullständigt som möjligt till termisk energi. Så är till exempel inte fallet när det gäller kraftledningar eller elmotorer, där värmeenergin som genereras är en oönskad bieffekt och därför ofta måste tas för att avlägsna den.
Som ett resultat av den efterföljande ökningen av kroppstemperaturen överförs termisk energi till miljön. Processen för värmeenergiöverföring sker i formen värmeledning, konvektion och värmestrålning… I de flesta fall är det mycket svårt att ge en exakt kvantitativ uppskattning av den totala mängden värmeenergi som frigörs.
Om en kropp ska värmas måste värdet på dess sluttemperatur vara betydligt högre än den erforderliga uppvärmningstemperaturen. Detta är nödvändigt för att överföra så lite värmeenergi som möjligt till miljön.
Om tvärtom uppvärmningen av kroppstemperaturen är oönskad, bör värdet på systemets sluttemperatur vara litet. För detta ändamål skapas förhållanden som underlättar avlägsnandet av värmeenergi från kroppen (stor yta av kroppens kontakt med omgivningen, forcerad ventilation).
Den termiska energin som uppstår i elektriska ledningar begränsar mängden ström som tillåts i dessa ledningar. Ledarens högsta tillåtna temperatur bestäms av isoleringens termiska motstånd. Varför, för att säkerställa överföringen av vissa specifika elektrisk kraft, bör du välja lägsta möjliga strömvärde och därmed högspänningsvärdet. Under dessa förhållanden kommer kostnaden för trådmaterialet att minska. Således är det ekonomiskt möjligt att överföra högeffekts elektrisk energi vid höga spänningar.
Omvandling av termisk energi till elektrisk energi
Termisk energi omvandlas direkt till elektrisk energi i den sk termoelektriska omvandlare… Termoelementet i en termoelektrisk omvandlare består av två metallledare gjorda av olika material (t.ex. koppar och konstantan) och sammanlödda i ena änden.
Vid en viss temperaturskillnad mellan anslutningspunkten och de andra två ändarna av de två ledningarna, EMF, som i den första approximationen är direkt proportionell mot denna temperaturskillnad. Denna termo-EMF, lika med några millivolt, kan registreras med mycket känsliga voltmetrar. Om voltmetern är kalibrerad i grader Celsius, kan den resulterande enheten tillsammans med den termoelektriska omvandlaren användas för direkt temperaturmätning.
Omvandlingseffekten är låg, så sådana omvandlare används praktiskt taget inte som källor för elektrisk energi. Beroende på de material som används för att tillverka termoelementet, fungerar det i olika temperaturintervall. Som jämförelse kan vissa egenskaper hos olika termoelement anges: ett koppar-konstantan termoelement är tillämpbart upp till 600 ° C, EMF är ungefär 4 mV vid 100 ° C; ett järnkonstant termoelement kan användas upp till 800 °C, EMF är cirka 5 mV vid 100 °C.
Ett exempel på praktisk användning av omvandling av termisk energi till elektrisk energi — Termoelektriska generatorer
Elektrisk och lätt energi
När det gäller fysik är ljus elektromagnetisk strålning, som motsvarar en viss del av spektrumet av elektromagnetiska vågor och som det mänskliga ögat kan uppfatta. Spektrum av elektromagnetiska vågor inkluderar även radiovågor, värme och röntgenstrålar. Se - Grundmängder av belysning och deras förhållande
Det är möjligt att erhålla ljusstrålning med hjälp av elektrisk energi som ett resultat av termisk strålning och genom gasurladdning.Termisk (temperatur)strålning uppstår som ett resultat av uppvärmning av fasta eller flytande kroppar, som på grund av uppvärmning avger elektromagnetiska vågor med olika våglängder. Fördelningen av värmestrålningens intensitet beror på temperaturen.
När temperaturen ökar skiftar den maximala strålningsintensiteten till elektromagnetiska svängningar med kortare våglängd. Vid en temperatur på ca 6500 K uppstår den maximala strålningsintensiteten vid en våglängd av 0,55 μm, d.v.s. vid den våglängd som motsvarar det mänskliga ögats maximala känslighet. För belysningsändamål kan naturligtvis ingen fast kropp värmas till en sådan temperatur.
Volfram klarar den högsta uppvärmningstemperaturen. I vakuumglasflaskor kan den värmas till en temperatur på 2100 ° C, och vid högre temperaturer börjar den avdunsta. Förångningsprocessen kan saktas ner genom att tillsätta några gaser (kväve, krypton), vilket gör det möjligt att höja uppvärmningstemperaturen till 3000 ° C.
För att minska förlusterna i glödlampor som ett resultat av den resulterande konvektionen är glödtråden gjord i form av en enkel eller dubbel spiral. Trots dessa åtgärder dock ljuseffektiviteten för glödlampor är 20 lm / W, vilket fortfarande är ganska långt ifrån det teoretiskt uppnåbara optimum. Termiska strålningskällor har en mycket låg verkningsgrad, eftersom med dem omvandlas det mesta av den elektriska energin till värmeenergi och inte till ljus.
I gasurladdningsljuskällor kolliderar elektroner med gasatomer eller molekyler och får dem att avge elektromagnetiska vågor av en viss våglängd. Hela gasvolymen är involverad i processen att sända ut elektromagnetiska vågor och i allmänhet ligger linjerna i spektrumet av sådan strålning inte alltid inom området för synligt ljus. För närvarande är LED-ljuskällor de mest använda inom belysning. Se - Valet av ljuskällor för industrilokaler.
Övergång av ljusenergi till elektrisk energi
Ljusenergi kan omvandlas till elektrisk energi och denna övergång är möjlig på två olika sätt ur fysisk synvinkel. Denna energiomvandling kan vara ett resultat av den fotoelektriska effekten (fotoelektrisk effekt). För att förverkliga den fotoelektriska effekten används fototransistorer, fotodioder och fotoresistorer.
I gränssnittet mellan vissa halvledare (germanium, kisel, etc.) och metaller, bildas en gränszon där atomerna i de två kontaktmaterialen utbyter elektroner. När ljus faller på gränszonen störs den elektriska jämvikten i den, som ett resultat av vilket en EMF uppstår, under vars verkan en elektrisk ström uppstår i en extern sluten krets. EMF och därmed strömmens värde beror på det infallande ljusflödet och strålningens våglängd.
Vissa halvledarmaterial används som fotoresistorer.Som ett resultat av ljusets påverkan på fotoresistorn ökar antalet fria bärare av elektriska laddningar i den, vilket orsakar en förändring av dess elektriska resistans.Om du inkluderar ett fotomotstånd i en elektrisk krets kommer strömmen i denna krets att bero på på energierna från ljuset som faller på fotoresistorn.
Se även - Processen att omvandla solenergi till elektricitet
Kemisk och elektrisk energi
Vattenlösningar av syror, baser och salter (elektrolyter) leder mer eller mindre elektrisk ström, vilket p.g.a. fenomenet elektrisk dissociation av ämnen… Vissa av de lösta molekylerna (storleken på denna del bestämmer graden av dissociation) finns i lösningen i form av joner.
Om det finns två elektroder i lösningen som en potentialskillnad appliceras på, kommer jonerna att börja röra sig, med de positivt laddade jonerna (katjonerna) mot katoden och de negativt laddade jonerna (anjonerna) mot anoden.
När de kommer fram till motsvarande elektrod förvärvar jonerna sina saknade elektroner eller omvänt ger de upp de ytterligare och blir som ett resultat elektriskt neutrala. Massan av material som avsätts på elektroderna är direkt proportionell mot den överförda laddningen (Faradays lag).
I gränszonen mellan elektroden och elektrolyten står metallernas upplösningselasticitet och det osmotiska trycket mot varandra. (Osmotiskt tryck orsakar avsättning av metalljoner från elektrolyter på elektroderna. Denna kemiska process är ensam ansvarig för potentialskillnaden).
Omvandling av elektrisk energi till kemisk energi
För att uppnå avsättningen av ett ämne på elektroderna som ett resultat av jonernas rörelse är det nödvändigt att förbruka elektrisk energi. Denna process kallas elektrolys. Denna omvandling av elektrisk energi till kemisk energi används inom elektrometallurgin för att erhålla metaller (koppar, aluminium, zink, etc.) i en kemiskt ren form.
Vid elektroplätering täcks aktivt oxiderande metaller med passiva metaller (förgyllning, kromplätering, nickelplätering, etc.). Vid elektroformning görs tredimensionella avtryck (klyschor) av olika kroppar, och om en sådan kropp är gjord av ett icke-ledande material måste den täckas med ett elektriskt ledande skikt innan avtrycket görs.
Omvandling av kemisk energi till elektrisk energi
Om två elektroder gjorda av olika metaller sänks ner i elektrolyten, uppstår en potentialskillnad mellan dem, på grund av skillnaden i upplösningselasticiteten av dessa metaller. Om du ansluter en mottagare av elektrisk energi, till exempel ett motstånd, mellan elektroderna utanför elektrolyten, kommer en ström att flyta i den resulterande elektriska kretsen. Så här fungerar de galvaniska celler (primära element).
Den första galvaniska koppar-zinkcellen uppfanns av Volta. I dessa grundämnen omvandlas kemisk energi till elektrisk energi. Galvaniska cellers funktion kan hindras av fenomenet polarisering, som uppstår som ett resultat av avsättningen av ett ämne på elektroderna.
Alla galvaniska celler har nackdelen att kemisk energi omvandlas irreversibelt till elektrisk energi i dem, det vill säga att galvaniska celler inte kan laddas om. De saknar denna nackdel ackumulatorer.