Conversia energiei - electrică, termică, mecanică, ușoară

Conceptul de energie este folosit în toate științele. De asemenea, se știe că corpurile energetice pot lucra. Legea conservării energiei afirmă că energia nu dispare și nu poate fi creată din nimic, ci apare sub diferitele ei forme (de exemplu, sub formă de energie termică, mecanică, luminoasă, electrică etc.).

O formă de energie poate trece în alta și în același timp se observă rapoarte cantitative precise ale diferitelor tipuri de energie. În general, trecerea de la o formă de energie la alta nu este niciodată completă, deoarece există întotdeauna alte tipuri de energie (în mare parte nedorite). De exemplu, în motorul electric nu toată energia electrică este transformată în energie mecanică, dar o parte din ea este transformată în energie termică (încălzirea firelor prin curenți, încălzirea ca urmare a acțiunii forțelor de frecare).

Faptul tranziției incomplete a unui tip de energie la altul caracterizează coeficientul de eficiență (eficiență).Acest coeficient este definit ca raportul dintre energia utilă și cantitatea sa totală sau ca raportul dintre puterea utilă și totalul.

Energie electrica are avantajul ca poate fi transmis relativ usor si cu pierderi reduse pe distante mari si in plus are o gama extrem de larga de aplicatii. Distribuția energiei electrice este relativ ușor de gestionat și poate fi stocată și stocată în cantități cunoscute.

În timpul unei zile de lucru, o persoană folosește în medie 1000 kJ sau 0,3 kW de energie. O persoană are nevoie de aproximativ 8000 kJ sub formă de hrană și 8000 kJ pentru încălzirea locuințelor, spațiilor industriale, gătit etc. kcal sau 60 kWh

Energie electrică și mecanică

Energia electrică este transformată în energie mecanică în motoarele electrice și într-o măsură mai mică în electromagneţi… În ambele cazuri, efectele asociate cu un câmp electromagnetic… Pierderile de energie, adică acea parte a energiei care nu este transformată în forma dorită, constau în principal din costurile de energie pentru încălzirea firelor din pierderi de curent și de frecare.

Motoarele electrice mari au o eficiență de peste 90%, în timp ce motoarele electrice mici au o eficiență puțin sub acest nivel. Dacă, de exemplu, motorul electric are o putere de 15 kW și o eficiență egală cu 90%, atunci puterea sa mecanică (utilă) este de 13,5 kW. Dacă puterea mecanică a motorului electric ar trebui să fie egală cu 15 kW, atunci puterea electrică consumată la aceeași valoare a randamentului este de 16,67 kWh.

Procesul de conversie a energiei electrice în energie mecanică este reversibil, adică energia mecanică poate fi convertită în energie electrică (vezi - Procesul de conversie a energiei în mașini electrice). În acest scop sunt utilizate în principal generatoarecare sunt similare ca design cu motoarele electrice și pot fi antrenate de turbine cu abur sau turbine hidraulice. Aceste generatoare au și pierderi de energie.

Energie electrică și termică

Dacă firul curge electricitate, atunci electronii din mișcarea lor se ciocnesc cu atomii materialului conductorului și le provoacă o mișcare termică mai intensă. În acest caz, electronii își pierd o parte din energie. Energia termică rezultată, pe de o parte, duce, de exemplu, la o creștere a temperaturii pieselor și firelor înfășurărilor din mașinile electrice și, pe de altă parte, la o creștere a temperaturii mediului. Trebuie făcută o distincție între energia termică utilă și pierderile de căldură.

În aparatele electrice de încălzire (cazane electrice, fiare de călcat, sobe de încălzire etc.) este indicat să se străduiască să se asigure că energia electrică este convertită cât mai complet în energie termică. Nu este cazul, de exemplu, în cazul liniilor electrice sau al motoarelor electrice, unde energia termică generată este un efect secundar nedorit și, prin urmare, adesea trebuie luată pentru a o îndepărta.

Ca urmare a creșterii ulterioare a temperaturii corpului, energia termică este transferată mediului. Procesul de transfer de energie termică are loc sub formă conducție termică, convecție și radiație termică… În majoritatea cazurilor, este foarte dificil să se ofere o estimare cantitativă exactă a cantității totale de energie termică eliberată.

Dacă un corp urmează să fie încălzit, valoarea temperaturii sale finale trebuie să fie semnificativ mai mare decât temperatura de încălzire necesară. Acest lucru este necesar pentru a transmite cât mai puțină energie termică către mediu.

Dacă, dimpotrivă, încălzirea temperaturii corpului este nedorită, atunci valoarea temperaturii finale a sistemului ar trebui să fie mică. În acest scop, se creează condiții care facilitează eliminarea energiei termice din corp (suprafață mare de contact a corpului cu mediul, ventilație forțată).

Energia termică care apare în firele electrice limitează cantitatea de curent permisă în acele fire. Temperatura maximă admisă a conductorului este determinată de rezistența termică a izolației acestuia. De ce, pentru a asigura transferul unor specifice forta electrica, ar trebui să alegeți cea mai mică valoare posibilă a curentului și, în consecință, valoarea tensiunii înalte. În aceste condiții, costul materialului de sârmă va fi redus. Astfel, este posibil din punct de vedere economic să se transmită energie electrică de mare putere la tensiuni înalte.

Transformarea energiei termice în energie electrică

Energia termică este transformată direct în energie electrică în așa-numita convertoare termoelectrice… Termocuplul unui convertor termoelectric este format din doi conductori metalici din materiale diferite (de exemplu, cupru și constantan) și lipiți împreună la un capăt.

La o anumită diferență de temperatură între punctul de conectare și celelalte două capete ale celor două fire, EMF, care în prima aproximare este direct proporțională cu această diferență de temperatură. Acest termo-EMF, egal cu câțiva milivolți, poate fi înregistrat folosind voltmetre foarte sensibile. Dacă voltmetrul este calibrat în grade Celsius, atunci împreună cu convertorul termoelectric, dispozitivul rezultat poate fi utilizat pentru măsurarea directă a temperaturii.

Puterea de conversie este scăzută, astfel încât astfel de convertoare practic nu sunt folosite ca surse de energie electrică. În funcție de materialele utilizate pentru realizarea termocuplului, acesta funcționează în diferite intervale de temperatură. Pentru comparație, pot fi indicate unele caracteristici ale diferitelor termocupluri: un termocuplu cupru-constantan este aplicabil până la 600 ° C, EMF este de aproximativ 4 mV la 100 ° C; un termocuplu constant de fier este aplicabil până la 800 °C, EMF este de aproximativ 5 mV la 100 °C.

Un exemplu de utilizare practică a conversiei energiei termice în energie electrică - Generatoare termoelectrice

Energie electrică și luminoasă

În ceea ce privește fizica, lumina este radiatie electromagnetica, care corespunde unei anumite părți din spectrul undelor electromagnetice și pe care ochiul uman o poate percepe. Spectrul undelor electromagnetice include, de asemenea, unde radio, căldură și raze X. Uite - Cantitățile de bază de iluminare și raporturile acestora

Este posibil să se obțină radiații luminoase folosind energia electrică ca urmare a radiației termice și prin descărcarea de gaze.Radiația termică (de temperatură) apare ca urmare a încălzirii corpurilor solide sau lichide, care, din cauza încălzirii, emit unde electromagnetice de diferite lungimi de undă. Distribuția intensității radiației termice depinde de temperatură.

Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea maximă a radiației se schimbă la oscilații electromagnetice cu o lungime de undă mai scurtă. La o temperatură de aproximativ 6500 K, intensitatea maximă a radiației are loc la o lungime de undă de 0,55 μm, adică. la lungimea de undă care corespunde sensibilităţii maxime a ochiului uman. În scopuri de iluminare, niciun corp solid nu poate fi încălzit la o astfel de temperatură, desigur.

Tungstenul rezistă la cea mai ridicată temperatură de încălzire. În sticle de sticlă vid, poate fi încălzit la o temperatură de 2100 ° C, iar la temperaturi mai mari începe să se evapore. Procesul de evaporare poate fi încetinit prin adăugarea unor gaze (azot, cripton), ceea ce face posibilă creșterea temperaturii de încălzire la 3000 ° C.

Pentru a reduce pierderile la lămpile incandescente ca urmare a convecției rezultate, filamentul este realizat sub formă de spirală simplă sau dublă. În ciuda acestor măsuri, însă eficiența luminoasă a lămpilor cu incandescență este de 20 lm/W, care este încă destul de departe de optimul teoretic realizabil. Sursele de radiații termice au o eficiență foarte scăzută, deoarece cu ele cea mai mare parte a energiei electrice este transformată în energie termică și nu în lumină.

În sursele de lumină cu descărcare în gaz, electronii se ciocnesc cu atomii sau moleculele de gaz și, prin urmare, le determină să emită unde electromagnetice de o anumită lungime de undă. Întregul volum de gaz este implicat în procesul de emitere a undelor electromagnetice și, în general, liniile spectrului unei astfel de radiații nu se află întotdeauna în domeniul luminii vizibile. În prezent, sursele de lumină LED sunt cele mai utilizate în iluminat. Uite - Alegerea surselor de lumină pentru spațiile industriale. 

Tranziția energiei luminoase în energie electrică

Energia luminoasă poate fi convertită în energie electrică și această tranziție este posibilă în două moduri diferite din punct de vedere fizic. Această conversie a energiei poate fi rezultatul efectului fotoelectric (efect fotoelectric). Pentru realizarea efectului fotoelectric se folosesc fototranzistoare, fotodiode și fotorezistoare.

La interfața dintre unii semiconductori (germaniu, siliciu etc.) și metale, se formează o zonă de limită în care atomii celor două materiale în contact fac schimb de electroni. Când lumina cade pe zona de delimitare, echilibrul electric din aceasta este perturbat, în urma căruia apare un EMF, sub acțiunea căruia ia naștere un curent electric într-un circuit închis extern. EMF și, prin urmare, valoarea curentului depind de fluxul de lumină incidentă și de lungimea de undă a radiației.

Unele materiale semiconductoare sunt folosite ca fotorezistoare.Ca urmare a impactului luminii asupra fotorezistorului, numărul de purtători liberi de sarcini electrice din acesta crește, ceea ce determină o modificare a rezistenței sale electrice.Dacă includeți un fotorezistor într-un circuit electric, curentul din acest circuit va depinde asupra energiilor luminii care cad pe fotorezistor .

Vezi si - Procesul de transformare a energiei solare în energie electrică

Energie chimică și electrică

Soluțiile apoase de acizi, baze și săruri (electroliți) conduc mai mult sau mai puțin curent electric, care se datorează fenomenul de disociere electrică a substanţelor… Unele dintre moleculele de solut (dimensiunea acestei părți determină gradul de disociere) sunt prezente în soluție sub formă de ioni.

Dacă există doi electrozi în soluție cărora li se aplică o diferență de potențial, atunci ionii vor începe să se miște, ionii încărcați pozitiv (cationii) deplasându-se spre catod și ionii încărcați negativ (anionii) spre anod.

Ajunși la electrodul corespunzător, ionii își dobândesc electronii lipsă sau, dimpotrivă, renunță la cei suplimentari și, ca urmare, devin neutri din punct de vedere electric. Masa materialului depus pe electrozi este direct proporțională cu sarcina transferată (legea lui Faraday).

În zona limită dintre electrod și electrolit, elasticitatea de dizolvare a metalelor și presiunea osmotică se opun. (Presiunea osmotică determină depunerea ionilor metalici din electroliți pe electrozi. Numai acest proces chimic este responsabil pentru diferența de potențial).

Transformarea energiei electrice în energie chimică

Pentru a realiza depunerea unei substanțe pe electrozi ca urmare a mișcării ionilor, este necesar să se consume energie electrică. Acest proces se numește electroliză. Această conversie a energiei electrice în energie chimică este utilizată în electrometalurgie pentru a obține metale (cupru, aluminiu, zinc etc.) într-o formă pură din punct de vedere chimic.

În galvanizare, metalele cu oxidare activă sunt acoperite cu metale pasive (aurire, cromare, nichelare etc.). În electroformare, amprentele tridimensionale (clișeele) sunt realizate din diverse corpuri, iar dacă un astfel de corp este realizat dintr-un material neconductor, acesta trebuie acoperit cu un strat conductiv electric înainte de a se face amprenta.

Transformarea energiei chimice în energie electrică

Dacă doi electrozi din metale diferite sunt coborâți în electrolit, atunci apare o diferență de potențial între ei, datorită diferenței de elasticitate de dizolvare a acestor metale. Dacă conectați un receptor de energie electrică, de exemplu, un rezistor, între electrozii din afara electrolitului, atunci un curent va curge în circuitul electric rezultat. Iată cum funcționează celule galvanice (elementele primare).

Prima celulă galvanică din cupru-zinc a fost inventată de Volta. În aceste elemente, energia chimică este transformată în energie electrică. Funcționarea celulelor galvanice poate fi împiedicată de fenomenul de polarizare, care apare ca urmare a depunerii unei substanțe pe electrozi.

Toate celulele galvanice au dezavantajul că energia chimică este convertită ireversibil în energie electrică în ele, adică celulele galvanice nu pot fi reîncărcate. Ele sunt lipsite de acest dezavantaj acumulatoare.