Energiomdannelse — elektrisk, termisk, mekanisk, lys

Begrebet energi bruges i alle videnskaber. Det er også kendt, at energilegemer kan udføre arbejde. Loven om bevarelse af energi angiver, at energi ikke forsvinder og ikke kan skabes af ingenting, men optræder i dens forskellige former (f.eks. i form af termisk, mekanisk, lys, elektrisk energi osv.).

En energiform kan gå over i en anden og samtidig observeres præcise kvantitative forhold mellem forskellige energityper. Generelt er overgangen fra en form for energi til en anden aldrig fuldstændig, da der altid er andre (for det meste uønskede) energityper. For eksempel, i elmotoren ikke al elektrisk energi omdannes til mekanisk energi, men en del af den omdannes til termisk energi (opvarmning af ledninger ved strømme, opvarmning som følge af påvirkning af friktionskræfter).

Faktumet om ufuldstændig overgang af en type energi til en anden karakteriserer effektivitetskoefficienten (effektivitet).Denne koefficient er defineret som forholdet mellem nyttig energi og dens samlede mængde eller som forholdet mellem nyttig energi og totalen.

Elektrisk energi den har den fordel, at den kan overføres relativt let og med lavt tab over lange afstande og har desuden et ekstremt bredt anvendelsesområde. Fordelingen af ​​elektrisk energi er forholdsvis let at styre og kan lagres og opbevares i kendte mængder.

I løbet af en arbejdsdag bruger en person i gennemsnit 1000 kJ eller 0,3 kW energi. En person har brug for cirka 8000 kJ i form af mad og 8000 kJ til opvarmning af boliger, industrilokaler, madlavning mv. kcal eller 60 kWh

Elektrisk og mekanisk energi

Elektrisk energi omdannes til mekanisk energi i elektriske motorer og i mindre omfang i elektromagneter… I begge tilfælde de tilknyttede virkninger med et elektromagnetisk felt… Energitab, altså den del af energien, der ikke omdannes til den ønskede form, består hovedsageligt af energiomkostninger til varmeledninger fra strøm- og friktionstab.

Store elmotorer har en virkningsgrad over 90 %, mens små elmotorer har en virkningsgrad lidt under dette niveau. Hvis elmotoren for eksempel har en effekt på 15 kW og en virkningsgrad på 90 %, så er dens mekaniske (nyttige) effekt 13,5 kW. Hvis den mekaniske effekt af den elektriske motor skal være lig med 15 kW, så er den elektriske effekt, der forbruges ved samme effektivitetsværdi, 16,67 kWh.

Processen med at konvertere elektrisk energi til mekanisk energi er reversibel, dvs. mekanisk energi kan omdannes til elektrisk energi (se — Energikonverteringsproces i elektriske maskiner). Til dette formål bruges de hovedsageligt generatorersom i design ligner elektriske motorer og kan drives af dampturbiner eller hydrauliske turbiner. Disse generatorer har også energitab.

Elektrisk og termisk energi

Hvis ledningen flyder elektricitet, så kolliderer elektronerne i deres bevægelse med atomerne i lederens materiale og får dem til en mere intens termisk bevægelse. I dette tilfælde mister elektronerne noget af deres energi. Den resulterende termiske energi fører på den ene side f.eks. til en stigning i temperaturen af ​​delene og ledningerne i viklingerne i elektriske maskiner, og på den anden side til en stigning i omgivelsernes temperatur. Der skal skelnes mellem nyttig varmeenergi og varmetab.

I elektriske varmeapparater (el-kedler, strygejern, varmeovne osv.) er det tilrådeligt at stræbe efter at sikre, at den elektriske energi omdannes så fuldstændigt som muligt til termisk energi. Dette er for eksempel ikke tilfældet i tilfælde af elledninger eller elmotorer, hvor den genererede varmeenergi er en uønsket bivirkning og derfor ofte skal tages for at fjerne den.

Som et resultat af den efterfølgende stigning i kropstemperaturen overføres termisk energi til miljøet. Processen med varmeenergioverførsel finder sted i form varmeledning, konvektion og varmestråling… I de fleste tilfælde er det meget vanskeligt at give et nøjagtigt kvantitativt skøn over den samlede mængde af frigivet varmeenergi.

Hvis et legeme skal opvarmes, skal værdien af ​​dets sluttemperatur være væsentligt højere end den nødvendige opvarmningstemperatur. Dette er nødvendigt for at overføre så lidt varmeenergi som muligt til miljøet.

Hvis opvarmningen af ​​kropstemperaturen tværtimod er uønsket, bør værdien af ​​systemets endelige temperatur være lille. Til dette formål skabes betingelser, der letter fjernelse af varmeenergi fra kroppen (stor overflade af kroppens kontakt med miljøet, tvungen ventilation).

Den termiske energi, der forekommer i elektriske ledninger, begrænser mængden af ​​strøm, der er tilladt i disse ledninger. Lederens maksimalt tilladte temperatur bestemmes af dens isolerings termiske modstand. Hvorfor, for at sikre overførsel af nogle specifikke elektrisk kraft, bør du vælge den lavest mulige strømværdi og dermed højspændingsværdien. Under disse forhold vil omkostningerne til trådmaterialet blive reduceret. Det er således økonomisk muligt at transmittere elektrisk energi med høj effekt ved høje spændinger.

Konvertering af termisk energi til elektrisk energi

Termisk energi omdannes direkte til elektrisk energi i den såkaldte termoelektriske omformere… Termoelementet i en termoelektrisk konverter består af to metalledere lavet af forskellige materialer (f.eks. kobber og konstantan) og loddet sammen i den ene ende.

Ved en vis temperaturforskel mellem tilslutningspunktet og de to andre ender af de to ledninger, EMF, som i den første tilnærmelse er direkte proportional med denne temperaturforskel. Denne termo-EMF, svarende til nogle få millivolt, kan optages ved hjælp af meget følsomme voltmetre. Hvis voltmeteret er kalibreret i grader Celsius, kan den resulterende enhed sammen med den termoelektriske konverter bruges til direkte temperaturmåling.

Konverteringseffekten er lav, så sådanne omformere bruges praktisk talt ikke som kilder til elektrisk energi. Afhængigt af de materialer, der bruges til at fremstille termoelementet, fungerer det i forskellige temperaturområder. Til sammenligning kan nogle karakteristika for forskellige termoelementer angives: et kobber-konstantan termoelement kan anvendes op til 600 ° C, EMF er ca. 4 mV ved 100 ° C; et jernkonstant termoelement kan anvendes op til 800 °C, EMF er ca. 5 mV ved 100 °C.

Et eksempel på den praktiske anvendelse af omdannelsen af ​​termisk energi til elektrisk energi — Termoelektriske generatorer

Elektrisk og let energi

Med hensyn til fysik er lys elektromagnetisk stråling, som svarer til en bestemt del af spektret af elektromagnetiske bølger, og som det menneskelige øje kan opfatte. Spektret af elektromagnetiske bølger omfatter også radiobølger, varme og røntgenstråler. Se - Grundlæggende mængder af belysning og deres forhold

Det er muligt at opnå lysstråling ved hjælp af elektrisk energi som følge af termisk stråling og ved gasudladning.Termisk (temperatur) stråling opstår som følge af opvarmning af faste eller flydende legemer, som på grund af opvarmning udsender elektromagnetiske bølger med forskellige bølgelængder. Fordelingen af ​​intensiteten af ​​termisk stråling afhænger af temperaturen.

Når temperaturen stiger, skifter den maksimale strålingsintensitet til elektromagnetiske svingninger med en kortere bølgelængde. Ved en temperatur på omkring 6500 K opstår den maksimale strålingsintensitet ved en bølgelængde på 0,55 μm, dvs. ved den bølgelængde, der svarer til det menneskelige øjes maksimale følsomhed. Til belysningsformål kan ingen fast krop naturligvis opvarmes til en sådan temperatur.

Wolfram tåler den højeste varmetemperatur. I vakuumglasflasker kan det opvarmes til en temperatur på 2100 ° C, og ved højere temperaturer begynder det at fordampe. Fordampningsprocessen kan bremses ved at tilsætte nogle gasser (nitrogen, krypton), hvilket gør det muligt at øge opvarmningstemperaturen til 3000 °C.

For at reducere tab i glødelamper som følge af den resulterende konvektion er glødetråden lavet i form af en enkelt eller dobbelt spiral. På trods af disse tiltag, dog lyseffektiviteten af ​​glødelamper er 20 lm / W, hvilket stadig er ret langt fra det teoretisk opnåelige optimum. Termiske strålingskilder har en meget lav virkningsgrad, fordi det meste af den elektriske energi hos dem omdannes til varmeenergi og ikke til lys.

I gasudladningslyskilder kolliderer elektroner med gasatomer eller molekyler og får dem derved til at udsende elektromagnetiske bølger af en bestemt bølgelængde. Hele gasvolumenet er involveret i processen med at udsende elektromagnetiske bølger, og generelt ligger linjerne i spektret af sådan stråling ikke altid i området for synligt lys. I øjeblikket er LED-lyskilder de mest udbredte i belysning. Se - Valget af lyskilder til industrilokaler. 

Overgang af lysenergi til elektrisk energi

Lysenergi kan omdannes til elektrisk energi, og denne overgang er mulig på to forskellige måder set fra et fysisk synspunkt. Denne energiomdannelse kan være et resultat af den fotoelektriske effekt (fotoelektrisk effekt). For at realisere den fotoelektriske effekt bruges fototransistorer, fotodioder og fotomodstande.

I grænsefladen mellem nogle halvledere (germanium, silicium osv.) og metaller dannes en grænsezone, hvor atomerne i de to kontaktmaterialer udveksler elektroner. Når lys falder på grænsezonen, forstyrres den elektriske ligevægt i den, som et resultat af hvilken der opstår en EMF, under hvilken virkning der opstår en elektrisk strøm i et eksternt lukket kredsløb. EMF og derfor værdien af ​​strømmen afhænger af den indfaldende lysflux og bølgelængden af ​​strålingen.

Nogle halvledermaterialer bruges som fotomodstande.Som et resultat af lysets indvirkning på fotomodstanden, øges antallet af frie bærere af elektriske ladninger i den, hvilket forårsager en ændring i dens elektriske modstand.Hvis du inkluderer en fotomodstand i et elektrisk kredsløb, vil strømmen i dette kredsløb afhænge på energierne af lyset, der falder på fotomodstanden.

Se også - Processen med at omdanne solenergi til elektricitet

Kemisk og elektrisk energi

Vandige opløsninger af syrer, baser og salte (elektrolytter) leder mere eller mindre elektrisk strøm, hvilket er pga. fænomenet elektrisk dissociation af stoffer… Nogle af de opløste molekyler (størrelsen af ​​denne del bestemmer graden af ​​dissociation) er til stede i opløsningen i form af ioner.

Hvis der er to elektroder i opløsningen, hvorpå der påføres en potentialforskel, så vil ionerne begynde at bevæge sig, hvor de positivt ladede ioner (kationer) bevæger sig mod katoden og de negativt ladede ioner (anioner) mod anoden.

Når de ankommer til den tilsvarende elektrode, erhverver ionerne deres manglende elektroner eller omvendt opgiver de yderligere og bliver som følge heraf elektrisk neutrale. Massen af ​​materiale aflejret på elektroderne er direkte proportional med den overførte ladning (Faradays lov).

I grænsezonen mellem elektroden og elektrolytten modarbejder metallernes opløsningselasticitet og det osmotiske tryk hinanden. (Osmotisk tryk forårsager aflejring af metalioner fra elektrolytter på elektroderne. Denne kemiske proces alene er ansvarlig for potentialforskellen).

Omdannelse af elektrisk energi til kemisk energi

For at opnå aflejring af et stof på elektroderne som følge af bevægelser af ioner, er det nødvendigt at bruge elektrisk energi. Denne proces kaldes elektrolyse. Denne omdannelse af elektrisk energi til kemisk energi bruges i elektrometallurgi til at opnå metaller (kobber, aluminium, zink osv.) i en kemisk ren form.

Ved galvanisering er aktivt oxiderende metaller dækket med passive metaller (forgyldning, forkromning, fornikling osv.). Ved elektroformning laves tredimensionelle aftryk (klichéer) af forskellige legemer, og hvis et sådant legeme er lavet af et ikke-ledende materiale, skal det dækkes med et elektrisk ledende lag, før aftrykket laves.

Omdannelse af kemisk energi til elektrisk energi

Hvis to elektroder lavet af forskellige metaller sænkes ned i elektrolytten, opstår der en potentialforskel mellem dem på grund af forskellen i opløsningens elasticitet af disse metaller. Hvis du forbinder en modtager af elektrisk energi, for eksempel en modstand, mellem elektroderne uden for elektrolytten, vil der strømme en strøm i det resulterende elektriske kredsløb. Sådan fungerer de galvaniske celler (primære elementer).

Den første kobber-zink galvaniske celle blev opfundet af Volta. I disse grundstoffer omdannes kemisk energi til elektrisk energi. Funktionen af ​​galvaniske celler kan hindres af fænomenet polarisering, som opstår som følge af aflejring af et stof på elektroderne.

Alle galvaniske celler har den ulempe, at kemisk energi omdannes irreversibelt til elektrisk energi i dem, det vil sige, at galvaniske celler ikke kan genoplades. De er blottet for denne ulempe akkumulatorer.