Pretvorba energije — električna, toplotna, mehanska, svetlobna

Koncept energije se uporablja v vseh znanostih. Znano je tudi, da energijska telesa lahko opravljajo delo. Zakon o ohranitvi energije trdi, da energija ne izgine in ne more nastati iz nič, ampak se pojavlja v različnih oblikah (na primer v obliki toplotne, mehanske, svetlobne, električne energije itd.).

Ena oblika energije lahko prehaja v drugo, pri tem pa se opazujejo natančna količinska razmerja različnih vrst energije. Na splošno velja, da prehod iz ene oblike energije v drugo ni nikoli popoln, saj vedno obstajajo druge (predvsem nezaželene) vrste energije. na primer v elektromotorju vsa električna energija se ne pretvarja v mehansko, ampak delno v toplotno (segrevanje žic s tokovi, segrevanje kot posledica delovanja tornih sil).

Dejstvo nepopolnega prehoda ene vrste energije v drugo označuje koeficient učinkovitosti (učinkovitost).Ta koeficient je opredeljen kot razmerje med koristno energijo in njeno skupno količino ali kot razmerje med koristno močjo in celotno.

Električna energija ima to prednost, da ga je mogoče razmeroma enostavno in z majhnimi izgubami prenašati na velike razdalje, poleg tega pa ima izjemno širok spekter uporabe. Distribucijo električne energije je relativno enostavno upravljati in jo je mogoče shraniti in shraniti v znanih količinah.

V delovnem dnevu porabi človek povprečno 1000 kJ ali 0,3 kW energije. Človek potrebuje približno 8000 kJ v obliki hrane in 8000 kJ za ogrevanje stanovanj, industrijskih prostorov, kuhanje itd. kcal ali 60 kWh

Električna in mehanska energija

Električna energija se pretvarja v mehansko energijo v elektromotorjih in to v manjši meri v elektromagnetih… V obeh primerih povezani učinki z elektromagnetnim poljem… Izgube energije, to je tistega dela energije, ki se ne pretvori v želeno obliko, sestavljajo predvsem stroški energije za ogrevanje žic iz tokovnih in tornih izgub.

Veliki elektromotorji imajo izkoristek nad 90 %, mali elektromotorji pa nekoliko pod tem nivojem. Če ima na primer elektromotor moč 15 kW in izkoristek 90%, potem je njegova mehanska (uporabna) moč 13,5 kW. Če naj bi bila mehanska moč elektromotorja enaka 15 kW, potem je porabljena električna moč pri enaki vrednosti izkoristka 16,67 kWh.

Postopek pretvorbe električne energije v mehansko je reverzibilen, tj. mehansko energijo je mogoče pretvoriti v električno (glej — Proces pretvorbe energije v električnih strojih). V ta namen se uporabljajo predvsem generatorjiki so po zasnovi podobni elektromotorjem in jih lahko poganjajo parne turbine ali hidravlične turbine. Ti generatorji imajo tudi izgube energije.

Električna in toplotna energija

Če žica teče elektrika, potem elektroni pri svojem gibanju trčijo ob atome materiala prevodnika in povzročijo njihovo intenzivnejše toplotno gibanje. V tem primeru elektroni izgubijo del svoje energije. Nastala toplotna energija na eni strani vodi na primer do povišanja temperature delov in žic navitij v električnih strojih, po drugi strani pa do povišanja temperature okolja. Treba je razlikovati med koristno toplotno energijo in toplotnimi izgubami.

Pri električnih grelnih napravah (električni kotli, likalniki, peči za ogrevanje itd.) je priporočljivo stremeti k temu, da se električna energija v čim večji meri pretvori v toplotno. To ne velja na primer za daljnovode ali elektromotorje, kjer je proizvedena toplotna energija nezaželen stranski učinek in jo je zato pogosto treba odstraniti.

Zaradi poznejšega zvišanja telesne temperature se toplotna energija prenaša v okolje. Proces prenosa toplotne energije poteka v obliki toplotno prevajanje, konvekcija in toplotno sevanje… V večini primerov je zelo težko podati natančno kvantitativno oceno skupne količine sproščene toplotne energije.

Če želimo telo segrevati, mora biti vrednost njegove končne temperature bistveno višja od zahtevane temperature segrevanja. To je potrebno, da v okolje oddamo čim manj toplotne energije.

Če je, nasprotno, segrevanje telesne temperature nezaželeno, mora biti vrednost končne temperature sistema majhna. V ta namen se ustvarijo pogoji, ki olajšajo odvajanje toplotne energije iz telesa (velika površina stika telesa z okoljem, prisilno prezračevanje).

Toplotna energija, ki se pojavi v električnih žicah, omejuje količino toka, ki je dovoljena v teh žicah. Najvišjo dovoljeno temperaturo prevodnika določa toplotna upornost njegove izolacije. Zakaj, da bi zagotovili prenos nekaterih specifičnih električna sila, izberite najnižjo možno vrednost toka in temu primerno visoko vrednost napetosti. Pod temi pogoji se bodo stroški materiala žice zmanjšali. Tako je ekonomsko mogoče prenašati visoko močno električno energijo pri visokih napetostih.

Pretvorba toplotne energije v električno

Toplotna energija se pretvarja neposredno v električno energijo v ti termoelektrični pretvorniki… Termoelement termoelektričnega pretvornika je sestavljen iz dveh kovinskih vodnikov iz različnih materialov (npr. bakra in konstantana), ki sta na enem koncu spajkana skupaj.

Pri določeni temperaturni razliki med priključno točko in drugima dvema koncema obeh žic, EMF, ki je v prvem približku premo sorazmerna s to temperaturno razliko. Ta termo-EMF, enak nekaj milivoltom, je mogoče zabeležiti z uporabo zelo občutljivih voltmetrov. Če je voltmeter kalibriran v stopinjah Celzija, potem lahko skupaj s termoelektričnim pretvornikom dobljeno napravo uporabimo za neposredno merjenje temperature.

Moč pretvorbe je nizka, zato se takšni pretvorniki praktično ne uporabljajo kot viri električne energije. Odvisno od materialov, uporabljenih za izdelavo termočlena, deluje v različnih temperaturnih območjih. Za primerjavo je mogoče navesti nekatere značilnosti različnih termoelementov: termoelement baker-konstantan je uporaben do 600 ° C, EMF je približno 4 mV pri 100 ° C; termočlen s konstanto železa je uporaben do 800 °C, EMF je približno 5 mV pri 100 °C.

Primer praktične uporabe pretvorbe toplotne energije v električno energijo — Termoelektrični generatorji

Električna in svetlobna energija

Z vidika fizike je svetloba elektromagnetno sevanje, ki ustreza določenemu delu spektra elektromagnetnega valovanja in ga človeško oko lahko zazna. Spekter elektromagnetnega valovanja vključuje tudi radijske valove, toploto in rentgenske žarke. Poglej - Osnovne količine osvetlitve in njihova razmerja

Svetlobno sevanje je mogoče pridobiti z uporabo električne energije kot posledica toplotnega sevanja in z razelektritvijo plina.Toplotno (temperaturno) sevanje nastane kot posledica segrevanja trdnih ali tekočih teles, ki zaradi segrevanja oddajajo elektromagnetno valovanje različnih valovnih dolžin. Porazdelitev jakosti toplotnega sevanja je odvisna od temperature.

Z naraščanjem temperature se največja jakost sevanja premakne na elektromagnetna nihanja s krajšo valovno dolžino. Pri temperaturi okoli 6500 K se največja intenzivnost sevanja pojavi pri valovni dolžini 0,55 μm, tj. pri valovni dolžini, ki ustreza največji občutljivosti človeškega očesa. Za namene razsvetljave se seveda nobeno trdno telo ne more segreti na takšno temperaturo.

Volfram prenese najvišjo temperaturo segrevanja. V vakuumskih steklenicah se lahko segreje na temperaturo 2100 °C, pri višjih temperaturah pa začne izhlapevati. Postopek izhlapevanja lahko upočasnimo z dodajanjem nekaj plinov (dušik, kripton), kar omogoča povečanje temperature segrevanja na 3000 ° C.

Da bi zmanjšali izgube v žarnicah z žarilno nitko zaradi nastale konvekcije, je žarilna nitka izdelana v obliki enojne ali dvojne spirale. Kljub tem ukrepom pa svetlobni izkoristek žarnic z žarilno nitko je 20 lm / W, kar je še precej daleč od teoretično dosegljivega optimuma. Viri toplotnega sevanja imajo zelo nizek izkoristek, saj se pri njih večina električne energije pretvori v toplotno energijo in ne v svetlobo.

V svetlobnih virih, ki delujejo na principu električnega praznjenja v plinu, elektroni trčijo v atome ali molekule plina in s tem povzročijo oddajanje elektromagnetnih valov določene valovne dolžine. Celoten volumen plina je vključen v proces oddajanja elektromagnetnih valov in na splošno črte spektra takšnega sevanja ne ležijo vedno v območju vidne svetlobe. Trenutno se v razsvetljavi najbolj uporabljajo LED svetlobni viri. Poglej - Izbira svetlobnih virov za industrijske prostore. 

Prehod svetlobne energije v električno

Svetlobno energijo je mogoče pretvoriti v električno energijo in ta prehod je s fizikalnega vidika možen na dva različna načina. Ta pretvorba energije je lahko posledica fotoelektričnega učinka (fotoelektrični učinek). Za uresničitev fotoelektričnega učinka se uporabljajo fototranzistorji, fotodiode in fotoupori.

Na vmesniku med nekaterimi polprevodniki (germanij, silicij itd.) in kovine nastane mejna cona, v kateri si atoma obeh materialov v stiku izmenjujeta elektrone. Ko svetloba pade na mejno območje, se v njem poruši električno ravnovesje, zaradi česar se pojavi EMF, pod vplivom katerega nastane električni tok v zunanjem zaprtem krogu. EMF in s tem vrednost toka sta odvisna od vpadnega svetlobnega toka in valovne dolžine sevanja.

Nekateri polprevodniški materiali se uporabljajo kot fotoupori.Zaradi vpliva svetlobe na fotoupor se v njem poveča število prostih nosilcev električnih nabojev, kar povzroči spremembo njegovega električnega upora.Če vključite fotoupor v električni tokokrog, bo tok v tem tokokrogu odvisen od na energijah svetlobe, ki pada na fotoupor.

Poglej tudi - Postopek pretvorbe sončne energije v električno

Kemična in električna energija

Vodne raztopine kislin, baz in soli (elektroliti) prevajajo več ali manj električnega toka, kar je posledica pojav električne disociacije snovi… Nekatere molekule topljenca (velikost tega dela določa stopnjo disociacije) so v raztopini prisotne v obliki ionov.

Če sta v raztopini dve elektrodi, na kateri se uporablja potencialna razlika, se bodo ioni začeli premikati, pri čemer se pozitivno nabiti ioni (kationi) premikajo proti katodi, negativno nabiti ioni (anioni) pa proti anodi.

Ko pridejo do ustrezne elektrode, ioni pridobijo svoje manjkajoče elektrone ali, nasprotno, opustijo dodatne in posledično postanejo električno nevtralni. Masa materiala, ki se nanese na elektrode, je premo sorazmerna s prenesenim nabojem (Faradayev zakon).

V mejni coni med elektrodo in elektrolitom si nasprotujeta elastičnost raztapljanja kovin in osmotski tlak. (Osmotski tlak povzroči odlaganje kovinskih ionov iz elektrolitov na elektrode. Samo ta kemični proces je odgovoren za potencialno razliko).

Pretvorba električne energije v kemično

Da bi dosegli odlaganje snovi na elektrodah zaradi gibanja ionov, je potrebno porabiti električno energijo. Ta proces se imenuje elektroliza. To pretvorbo električne energije v kemično energijo uporabljajo v elektrometalurgiji za pridobivanje kovin (baker, aluminij, cink itd.) v kemično čisti obliki.

Pri galvanizaciji so aktivno oksidirajoče kovine prekrite s pasivnimi kovinami (pozlačenje, kromiranje, nikljanje itd.). Pri galvanizaciji izdelujemo tridimenzionalne odtise (klišeje) iz različnih teles, in če je tako telo izdelano iz neprevodnega materiala, ga moramo pred odtisom prekriti z električno prevodno plastjo.

Pretvorba kemične energije v električno

Če dve elektrodi iz različnih kovin spustimo v elektrolit, potem med njima nastane potencialna razlika zaradi razlike v elastičnosti raztapljanja teh kovin. Če med elektrode zunaj elektrolita priključite sprejemnik električne energije, na primer upor, bo v nastalem električnem tokokrogu stekel tok. Evo, kako delujejo galvanske celice (primarni elementi).

Prvi bakreno-cink galvanski člen je izumil Volta. V teh elementih se kemična energija pretvori v električno. Delovanje galvanskih členov lahko ovira pojav polarizacije, ki nastane kot posledica nalaganja snovi na elektrode.

Vsi galvanski členi imajo to pomanjkljivost, da se v njih kemična energija nepovratno pretvori v električno, to pomeni, da galvanskih členov ni mogoče ponovno napolniti. So brez te pomanjkljivosti akumulatorji.