Energian muunnos - sähköinen, lämpö, ​​mekaaninen, valo

Energian käsitettä käytetään kaikissa tieteissä. Tiedetään myös, että energiakappaleet voivat tehdä työtä. Energian säilymisen laki toteaa, että energia ei katoa eikä sitä voida luoda tyhjästä, vaan se ilmenee eri muodoissaan (esimerkiksi lämpö-, mekaanisena, valona, ​​sähköenergiana jne.).

Yksi energiamuoto voi siirtyä toiseen ja samalla havaitaan erilaisten energiatyyppien tarkat määrälliset suhteet. Yleisesti ottaen siirtyminen energiamuodosta toiseen ei ole koskaan täydellinen, koska aina on muita (useimmiten ei-toivottuja) energiatyyppejä. Esimerkiksi, sähkömoottorissa kaikkea sähköenergiaa ei muunneta mekaaniseksi energiaksi, mutta osa siitä muuttuu lämpöenergiaksi (johtojen kuumeneminen virroilla, kuumeneminen kitkavoimien vaikutuksesta).

Se tosiasia, että yhden energiatyypin epätäydellinen siirtyminen toiseen luonnehtii hyötysuhdetta (hyötysuhde).Tämä kerroin määritellään hyötyenergian suhteeksi sen kokonaismäärään tai hyötytehon suhteeksi kokonaismäärään.

Sähköenergia sen etuna on, että se voidaan lähettää suhteellisen helposti ja pienellä häviöllä pitkiä matkoja ja lisäksi sillä on erittäin laaja valikoima sovelluksia. Sähköenergian jakelu on suhteellisen helppo hallita ja sitä voidaan varastoida ja varastoida tunnetuissa määrin.

Työpäivän aikana ihminen käyttää keskimäärin 1000 kJ eli 0,3 kW energiaa. Ihminen tarvitsee noin 8000 kJ ruuan muodossa ja 8000 kJ kotien, teollisuustilojen lämmitykseen, ruoanlaittoon jne. kcal eli 60 kWh

Sähköinen ja mekaaninen energia

Sähköenergiaa muunnetaan mekaaniseksi energiaksi sähkömoottoreissa ja vähäisemmässä määrin sähkömagneeteissa… Molemmissa tapauksissa liittyvät vaikutukset sähkömagneettisen kentän kanssa… Energiahäviöt, eli se osa energiasta, joka ei muutu haluttuun muotoon, koostuu pääosin virta- ja kitkahäviöistä aiheutuvista johtojen lämmitysenergiakustannuksista.

Suurien sähkömoottoreiden hyötysuhde on yli 90 %, kun taas pienten sähkömoottoreiden hyötysuhde on hieman tämän tason alapuolella. Jos esimerkiksi sähkömoottorin teho on 15 kW ja hyötysuhde 90%, sen mekaaninen (hyödyllinen) teho on 13,5 kW. Jos sähkömoottorin mekaaninen teho on 15 kW, niin samalla hyötysuhteella kulutettu sähköteho on 16,67 kWh.

Prosessi sähköenergian muuntamiseksi mekaaniseksi energiaksi on reversiibeli, eli mekaaninen energia voidaan muuntaa sähköenergiaksi (ks. Energian muuntoprosessi sähkökoneissa). Tähän tarkoitukseen niitä käytetään pääasiassa generaattoritjotka ovat rakenteeltaan samanlaisia ​​kuin sähkömoottorit ja joita voidaan käyttää höyryturbiineilla tai hydrauliturbiineilla. Näillä generaattoreilla on myös energiahäviöitä.

Sähkö- ja lämpöenergia

Jos lanka virtaa sähköä, silloin elektronit liikkeessään törmäävät johtimen materiaalin atomien kanssa ja saavat ne voimakkaampaan lämpöliikkeeseen. Tässä tapauksessa elektronit menettävät osan energiastaan. Tuloksena oleva lämpöenergia johtaa toisaalta esimerkiksi sähkökoneiden käämien osien ja johtimien lämpötilan nousuun ja toisaalta ympäristön lämpötilan nousuun. On tehtävä ero hyötylämpöenergian ja lämpöhäviöiden välillä.

Sähkölämmityslaitteissa (sähkökattilat, silitysraudat, lämmitysuunit jne.) kannattaa pyrkiä siihen, että sähköenergia muuttuu mahdollisimman täydellisesti lämpöenergiaksi. Näin ei ole esimerkiksi voimalinjojen tai sähkömoottoreiden kohdalla, joissa syntyvä lämpöenergia on ei-toivottu sivuvaikutus ja siksi se on usein otettava pois.

Myöhemmin kehon lämpötilan nousun seurauksena lämpöenergia siirtyy ympäristöön. Lämpöenergian siirtoprosessi tapahtuu muodossa lämmönjohtavuus, konvektio ja lämpösäteily… Useimmissa tapauksissa on erittäin vaikea antaa tarkkaa kvantitatiivista arviota vapautuvan lämpöenergian kokonaismäärästä.

Jos kappaletta halutaan lämmittää, sen loppulämpötilan arvon tulee olla huomattavasti korkeampi kuin vaadittu lämmityslämpötila. Tämä on välttämätöntä, jotta lämpöenergiaa siirrettäisiin mahdollisimman vähän ympäristöön.

Jos päinvastoin kehon lämpötilan lämmitys ei ole toivottavaa, järjestelmän lopullisen lämpötilan arvon tulee olla pieni. Tätä tarkoitusta varten luodaan olosuhteet, jotka helpottavat lämpöenergian poistamista kehosta (suuri kehon kosketuspinta ympäristöön, pakkotuuletus).

Sähköjohdoissa esiintyvä lämpöenergia rajoittaa näissä johtimissa sallitun virran määrää. Johtimen suurin sallittu lämpötila määräytyy sen eristeen lämpövastuksen mukaan. Miksi, jotta voidaan siirtää tiettyjä sähköinen voima, sinun tulee valita pienin mahdollinen virta-arvo ja vastaavasti korkea jännitearvo. Näissä olosuhteissa lankamateriaalin hinta pienenee. Näin ollen on taloudellisesti mahdollista siirtää suuritehoista sähköenergiaa suurilla jännitteillä.

Lämpöenergian muuntaminen sähköenergiaksi

Lämpöenergia muunnetaan suoraan sähköenergiaksi ns lämpösähköiset muuntimet… Termosähköisen muuntimen lämpöpari koostuu kahdesta metallijohtimesta, jotka on valmistettu eri materiaaleista (esim. kupari ja konstantaani) ja juotettu toisesta päästä yhteen.

Tietyllä lämpötilaerolla liitoskohdan ja kahden johtimen kahden muun pään välillä, EMF, joka ensimmäisessä approksimaatiossa on suoraan verrannollinen tähän lämpötilaeroon. Tämä muutaman millivoltin lämpö-EMF voidaan tallentaa käyttämällä erittäin herkkiä volttimittareita. Jos volttimittari on kalibroitu Celsius-asteina, niin tuloksena olevaa laitetta voidaan käyttää lämpösähkömuuntimen kanssa suoraan lämpötilan mittaukseen.

Muunnosteho on pieni, joten tällaisia ​​muuntimia ei käytännössä käytetä sähköenergian lähteinä. Termoparin valmistukseen käytetyistä materiaaleista riippuen se toimii eri lämpötila-alueilla. Vertailun vuoksi voidaan ilmaista joitain erilaisten termoparien ominaisuuksia: kuparivakiotermopari soveltuu 600 °C:seen asti, EMF on noin 4 mV 100 °C:ssa; rautavakiotermopari soveltuu 800 °C:seen asti, EMF on noin 5 mV 100 °C:ssa.

Esimerkki lämpöenergian muuntamisen sähköenergiaksi käytännön käytöstä - Lämpösähköiset generaattorit

Sähkö- ja valoenergia

Fysiikan kannalta valo on elektromagneettinen säteily, joka vastaa tiettyä osaa sähkömagneettisten aaltojen spektristä ja jonka ihmissilmä pystyy havaitsemaan. Sähkömagneettisten aaltojen spektriin kuuluvat myös radioaallot, lämpö ja röntgensäteet. Katso - Valaistuksen perusmäärät ja niiden suhteet

Valosäteilyä on mahdollista saada sähköenergialla lämpösäteilyn tuloksena ja kaasupurkauksella.Lämpö- (lämpötila)säteilyä syntyy kiinteiden tai nestemäisten kappaleiden kuumenemisen seurauksena, jotka kuumennettaessa lähettävät eri aallonpituuksilla olevia sähkömagneettisia aaltoja. Lämpösäteilyn voimakkuuden jakautuminen riippuu lämpötilasta.

Lämpötilan noustessa suurin säteilyintensiteetti siirtyy sähkömagneettisiksi värähtelyiksi, joiden aallonpituus on lyhyempi. Noin 6500 K lämpötilassa suurin säteilyintensiteetti esiintyy aallonpituudella 0,55 μm, ts. aallonpituudella, joka vastaa ihmissilmän maksimiherkkyyttä. Valaistustarkoituksiin mitään kiinteää kappaletta ei tietenkään voida lämmittää tällaiseen lämpötilaan.

Volframi kestää korkeimman lämmityslämpötilan. Tyhjiölasipulloissa se voidaan lämmittää 2100 °C:n lämpötilaan, ja korkeammissa lämpötiloissa se alkaa haihtua. Haihtumisprosessia voidaan hidastaa lisäämällä joitain kaasuja (typpi, krypton), mikä mahdollistaa kuumennuslämpötilan nostamisen 3000 °C:seen.

Hehkulamppujen häviöiden vähentämiseksi tuloksena olevan konvektion seurauksena hehkulanka on valmistettu yhden tai kaksinkertaisen spiraalin muodossa. Näistä toimenpiteistä huolimatta hehkulamppujen valoteho on 20 lm / W, mikä on vielä melko kaukana teoreettisesti saavutettavasta optimiarvosta. Lämpösäteilylähteillä on erittäin alhainen hyötysuhde, koska niiden avulla suurin osa sähköenergiasta muuttuu lämpöenergiaksi eikä valoksi.

Kaasupurkausvalonlähteissä elektronit törmäävät kaasuatomeihin tai molekyyleihin ja saavat siten ne lähettämään tietyn aallonpituuden sähkömagneettisia aaltoja. Kaasun koko tilavuus on mukana sähkömagneettisten aaltojen lähettämisprosessissa, ja yleensä tällaisen säteilyn spektrin linjat eivät aina ole näkyvän valon alueella. Tällä hetkellä LED-valolähteitä käytetään valaistuksessa eniten. Katso - Valonlähteiden valinta teollisuustiloihin. 

Valon energian muuttaminen sähköenergiaksi

Valoenergia voidaan muuntaa sähköenergiaksi ja tämä siirtyminen on mahdollista kahdella eri tavalla fysikaalisesta näkökulmasta. Tämä energian muunnos voi olla seurausta valosähköisestä vaikutuksesta (valosähköinen vaikutus). Valosähköisen vaikutuksen toteuttamiseksi käytetään valotransistoreja, valodiodeja ja valovastuksia.

Joidenkin välisessä rajapinnassa puolijohteet (germanium, pii jne.) ja metallit, muodostuu rajavyöhyke, jossa kahden kosketuksessa olevan materiaalin atomit vaihtavat elektroneja. Kun valo putoaa rajavyöhykkeelle, siinä oleva sähköinen tasapaino häiriintyy, minkä seurauksena syntyy EMF, jonka vaikutuksesta syntyy sähkövirtaa ulkoisessa suljetussa piirissä. EMF ja siten virran arvo riippuu tulevasta valovirrasta ja säteilyn aallonpituudesta.

Joitakin puolijohdemateriaaleja käytetään valovastuksina.Valon vaikutuksesta valovastukseen siinä olevien vapaiden sähkövarausten kantajien määrä kasvaa, mikä aiheuttaa muutoksen sen sähkövastuksessa.Jos sisällytät valovastuksen sähköpiiriin, tämän piirin virta riippuu valovastuksen päälle putoavan valon energioista.

Katso myös - Prosessi, jossa aurinkoenergia muunnetaan sähköksi

Kemiallinen ja sähköinen energia

Happojen, emästen ja suolojen (elektrolyyttien) vesiliuokset johtavat enemmän tai vähemmän sähkövirtaa, mikä johtuu aineiden sähköinen dissosiaatioilmiö… Osa liuenneista molekyyleistä (tämän osan koko määrittää dissosiaatioasteen) on liuoksessa ionien muodossa.

Jos liuoksessa on kaksi elektrodia, joihin kohdistetaan potentiaaliero, ionit alkavat liikkua, jolloin positiivisesti varautuneet ionit (kationit) liikkuvat kohti katodia ja negatiivisesti varautuneet ionit (anionit) kohti anodia.

Vastaavalle elektrodille saapuessaan ionit hankkivat puuttuvat elektroninsa tai päinvastoin luopuvat ylimääräisistä elektroneista ja tulevat sen seurauksena sähköisesti neutraaleiksi. Elektrodeille kerrostetun materiaalin massa on suoraan verrannollinen siirrettyyn varaukseen (Faradayn laki).

Elektrodin ja elektrolyytin välisellä raja-alueella metallien liukenemiselastisuus ja osmoottinen paine vastustavat toisiaan. (Osmoottinen paine aiheuttaa metalli-ionien laskeutumisen elektrolyyteistä elektrodeille. Tämä kemiallinen prosessi yksin on vastuussa potentiaalierosta).

Sähköenergian muuntaminen kemialliseksi energiaksi

Jotta ionien liikkeen seurauksena saadaan aikaan aineen kerrostuminen elektrodeille, on tarpeen kuluttaa sähköenergiaa. Tätä prosessia kutsutaan elektrolyysiksi. Tätä sähköenergian muuntamista kemialliseksi energiaksi käytetään sähkömetallurgiassa metallien (kuparin, alumiinin, sinkin jne.) saamiseksi kemiallisesti puhtaassa muodossa.

Galvanoinnissa aktiivisesti hapettavat metallit peitetään passiivisilla metalleilla (kullaus, kromipinnoitus, nikkelipinnoitus jne.). Sähkömuovauksessa kolmiulotteisia jäljennöksiä (kliseitä) tehdään erilaisista kappaleista, ja jos tällainen kappale on valmistettu johtamattomasta materiaalista, se on peitettävä sähköä johtavalla kerroksella ennen jäljennöksen tekemistä.

Kemiallisen energian muuntaminen sähköenergiaksi

Jos kaksi eri metalleista valmistettua elektrodia lasketaan elektrolyyttiin, niin niiden välille syntyy potentiaaliero, joka johtuu näiden metallien liukenemiselastisuuden erosta. Jos kytket sähköenergian vastaanottimen, esimerkiksi vastuksen, elektrolyytin ulkopuolella olevien elektrodien väliin, tuloksena olevaan sähköpiiriin virtaa virta. Näin ne toimivat galvaaniset kennot (ensisijaiset elementit).

Ensimmäisen kupari-sinkki galvaanisen kennon keksi Volta. Näissä alkuaineissa kemiallinen energia muunnetaan sähköenergiaksi. Galvaanisten kennojen toimintaa voi haitata polarisaatioilmiö, joka syntyy aineen kerrostumisen seurauksena elektrodeille.

Kaikkien galvaanisten kennojen haittapuolena on, että niissä kemiallinen energia muuttuu palautumattomasti sähköenergiaksi, eli galvaanisia kennoja ei voida ladata uudelleen. Heiltä puuttuu tämä haittapuoli akut.