Преобразуване на енергия — електрическа, термична, механична, лека
Понятието енергия се използва във всички науки. Известно е също, че енергийните тела могат да вършат работа. Закон за запазване на енергията заявява, че енергията не изчезва и не може да бъде създадена от нищото, а се появява в различните й форми (например под формата на топлинна, механична, светлинна, електрическа енергия и т.н.).
Една форма на енергия може да премине в друга и в същото време се наблюдават точни количествени съотношения на различни видове енергия. Най -общо казано, преходът от една форма на енергия към друга никога не се случва напълно, тъй като винаги има други (най -често нежелани) видове енергия. Например, в електродвигателя не цялата електрическа енергия се превръща в механична енергия, а част от нея се превръща в топлинна енергия (нагряване на проводници чрез токове, нагряване в резултат на действието на сили на триене).
Фактът на непълен преход на един вид енергия към друг характеризира коефициента на ефективност (ефективност). Този коефициент се определя като съотношението на полезната енергия към общото му количество или като съотношението на полезната мощност към общото.
Електрическа енергия има предимството, че може да се предава относително лесно и с ниски загуби на дълги разстояния и освен това има изключително широк спектър от приложения. Разпределението на електрическата енергия е сравнително лесно за управление и може да се съхранява и съхранява в известни количества.
През един работен ден човек изразходва средно енергия, равна на 1000 kJ, или 0,3 kW. Човек се нуждае от приблизително 8000 kJ под формата на храна и 8000 kJ за отопление на домове, промишлени помещения, готвене и т.н. kcal, или 60 kWз
Електрическа и механична енергия
Електрическата енергия се превръща в механична енергия в електродвигателите и в по -малка степен в електромагнити… И в двата случая свързаните ефекти с електромагнитно поле… Загубите на енергия, тоест тази част от енергията, която не се трансформира в желаната форма, се състои главно от разходи за енергия за отоплителни проводници от ток и загуби, свързани с триене.
Големите електродвигатели имат коефициент на полезно действие над 90%, докато малките електрически двигатели имат коефициент на полезно действие малко под това ниво. Ако например електродвигателят има мощност 15 kW и КПД, равен на 90%, тогава неговата механична (полезна) мощност е 13,5 kW. Ако механичната мощност на електродвигателя трябва да бъде равна на 15 kW, тогава консумираната електрическа мощност при същата стойност на ефективност е 16,67 kWh.
Процесът на преобразуване на електрическата енергия в механична енергия е обратим, т.е.механичната енергия може да се преобразува в електрическа енергия (виж — Процес на преобразуване на енергия в електрически машини). За тази цел те се използват главно генераторикоито са сходни по дизайн с електрически двигатели и могат да бъдат задвижвани от парни турбини или хидравлични турбини. Тези генератори също имат загуби на енергия.
Електрическа и топлинна енергия
Ако проводникът тече електричество, тогава електроните в своето движение се сблъскват с атомите на материала на проводника и ги предизвикват към по -интензивно топлинно движение. В този случай електроните губят част от енергията си. Получената топлинна енергия, от една страна, води например до повишаване на температурата на частите и проводниците на намотките в електрическите машини, а от друга до повишаване на температурата на околната среда. Трябва да се прави разлика между полезна топлинна енергия и загуби на топлинна енергия.
В електрическите отоплителни устройства (електрически котли, ютии, отоплителни печки и др.) Е препоръчително да се стремим да гарантираме, че електрическата енергия се превръща възможно най -пълно в топлинна енергия. Това не е така, например в случая на електропроводи или електрически двигатели, където генерираната топлинна енергия е нежелан страничен ефект и затова често трябва да се вземе, за да се отстрани.
В резултат на последващото повишаване на телесната температура топлинната енергия се прехвърля в околната среда. Процесът на прехвърляне на топлинна енергия се осъществява под формата топлопроводимост, конвекция и топлинно излъчване… В повечето случаи е много трудно да се даде точна количествена оценка на общото количество отделена топлинна енергия.
Ако някое тяло трябва да се нагрее, стойността на крайната му температура трябва да бъде значително по -висока от необходимата температура на нагряване. Това е необходимо, за да се предава възможно най -малко топлинна енергия в околната среда.
Ако, напротив, загряването на телесната температура е нежелателно, тогава стойността на крайната температура на системата трябва да бъде малка. За тази цел се създават условия, които улесняват отвеждането на топлинната енергия от тялото (голяма повърхност на контакт на тялото с околната среда, принудителна вентилация).
Топлинната енергия, възникваща в електрическите проводници, ограничава стойността на тока, който е разрешен в тези проводници. Максимално допустимата температура на проводника се определя от термичното съпротивление на неговата изолация. Защо, за да се осигури прехвърлянето на някои специфични електрическа сила, трябва да изберете възможно най -ниската стойност на тока и съответно стойността на високо напрежение. При тези условия цената на жичния материал ще бъде намалена. По този начин е икономически възможно да се предава електрическа енергия с висока мощност при високи напрежения.
Преобразуване на топлинна енергия в електрическа
Топлинната енергия се преобразува директно в електрическа в т.нар термоелектрически преобразуватели… Термодвойката на термоелектрически преобразувател се състои от два метални проводника, изработени от различни материали (например мед и константан) и споени заедно в единия край.
При определена температурна разлика между точката на свързване и другите два края на двата проводника, ЕМП, което в първото приближение е правопропорционално на тази температурна разлика. Този термо-EMF, равен на няколко миливолта, може да бъде записан с помощта на силно чувствителни волтметри. Ако волтметърът е калибриран в градуси по Целзий, тогава заедно с термоелектрическия преобразувател полученото устройство може да се използва за директно измерване на температурата.
Мощността на преобразуване е ниска, поради което такива преобразуватели практически не се използват като източници на електрическа енергия. В зависимост от материалите, използвани за направата на термодвойката, тя работи в различни температурни диапазони. За сравнение могат да се посочат някои характеристики на различни термодвойки: термодвойка с медно-константан е приложима до 600 ° C, ЕМП е приблизително 4 mV на 100 ° C; желязо-константан термодвойка е приложима до 800 ° C, ЕМП е приблизително 5 mV на 100 ° C.
Пример за практическото използване на преобразуването на топлинна енергия в електрическа — Термоелектрически генератори
Електрическа и светлинна енергия
От гледна точка на физиката светлината е електромагнитно излъчване, която съответства на определена част от спектъра на електромагнитни вълни и която човешкото око може да възприеме. Спектърът на електромагнитни вълни включва също радиовълни, топлинно и рентгеново излъчване. Вижте — Основни количества осветление и техните съотношения
Възможно е да се получи светлинна радиация с помощта на електрическа енергия в резултат на топлинна радиация и чрез разряд на газ. Топлинното (температурно) излъчване възниква в резултат на нагряване на твърди или течни тела, които поради нагряване излъчват електромагнитни вълни с различни дължини на вълните. Разпределението на интензитета на топлинното излъчване зависи от температурата.
С повишаване на температурата максималният интензитет на радиация се измества към електромагнитни трептения с по -къса дължина на вълната. При температура от около 6500 K максималният интензитет на радиация се проявява при дължина на вълната от 0,55 μm, т.е. при дължината на вълната, която съответства на максималната чувствителност на човешкото око. За нуждите на осветлението, нито едно твърдо тяло не може да се нагрее до такава температура, разбира се.
Волфрамът издържа на най -високата температура на нагряване. Във вакуумни стъклени бутилки може да се нагрява до температура от 2100 ° C, а при по -високи температури започва да се изпарява. Процесът на изпаряване може да се забави чрез добавяне на някои газове (азот, криптон), което дава възможност да се повиши температурата на нагряване до 3000 ° C.
За да се намалят загубите в лампите с нажежаема жичка в резултат на получената конвекция, нажежаемата жичка се прави под формата на единична или двойна спирала. Въпреки тези мерки обаче светлинната ефективност на лампите с нажежаема жичка е 20 lm / W, което е все още доста далеч от теоретично постижимия оптимум. Източниците на топлинно излъчване имат много ниска ефективност, тъй като при тях по -голямата част от електрическата енергия се превръща в топлинна енергия, а не в светлина.
В газоразрядните източници на светлина електроните се сблъскват с газови атоми или молекули и по този начин ги предизвикват да излъчват електромагнитни вълни с определена дължина на вълната. Целият обем на газа участва в процеса на излъчване на електромагнитни вълни и като цяло линиите на спектъра на такова излъчване не винаги лежат в обхвата на видимата светлина. В момента светодиодните източници на светлина са най -широко използваните в осветлението. Вижте — Изборът на източници на светлина за промишлени помещения.
Преход на светлинна енергия в електрическа
Светлинната енергия може да се преобразува в електрическа и този преход е възможен по два различни начина от физическа гледна точка. Това преобразуване на енергия може да бъде резултат от фотоелектричния ефект (фотоелектричен ефект). За реализиране на фотоелектрическия ефект се използват фототранзистори, фотодиоди и фоторезистори.
В интерфейса между някои полупроводници (германий, силиций и др.) и метали се образува гранична зона, в която атомите на двата контактуващи материала обменят електрони. Когато светлината падне върху граничната зона, електрическото равновесие в нея се нарушава, в резултат на което възниква ЕМП, под действието на която възниква електрически ток във външна затворена верига. ЕМП и следователно стойността на тока зависят от падащия светлинен поток и дължината на вълната на радиацията.
Някои полупроводникови материали се използват като фоторезистори. В резултат на въздействието на светлината върху фоторезистора, броят на свободните носители на електрически заряди в него се увеличава, което причинява промяна в електрическото му съпротивление.Ако включите фоторезистор в електрическа верига, токът в тази верига ще зависи от енергиите на светлината, падащи върху фоторезистора.
Вижте също — Процесът на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа
Химическа и електрическа енергия
Водните разтвори на киселини, основи и соли (електролити) провеждат повече или по -малко електрически ток, което се дължи на явлението електрическа дисоциация на веществата… Някои от молекулите на разтвореното вещество (размерът на тази част определя степента на дисоциация) присъства в разтвора под формата на йони.
Ако в разтвора има два електрода, към които се прилага потенциална разлика, тогава йоните ще започнат да се движат, като положително заредените йони (катиони) се движат към катода, а отрицателно заредените йони (аниони) към анода.
Стигайки до съответния електрод, йоните придобиват липсващите им електрони или, обратно, се отказват от допълнителните и в резултат на това стават електрически неутрални. Масата на материала, нанесен върху електродите, е правопропорционална на прехвърления заряд (закон на Фарадей).
В граничната зона между електрода и електролита еластичността на разтваряне на металите и осмотичното налягане се противопоставят. (Осмотичното налягане причинява отлагането на метални йони от електролити върху електродите. Този химически процес сам по себе си е причина за разликата в потенциала).
Преобразуване на електрическа енергия в химическа
За да се постигне отлагане на вещество върху електродите в резултат на движението на йони, е необходимо да се изразходва електрическа енергия. Този процес се нарича електролиза. Това преобразуване на електрическа енергия в химическа енергия се използва в електрометалургията за получаване на метали (мед, алуминий, цинк и др.) В химически чиста форма.
При галванопластика активно окисляващите се метали се покриват с пасивни метали (позлата, хромиране, никелиране и др.). При електроформоването се правят обемни отпечатъци (клишета) на различни тела и ако такова тяло е направено от непроводим материал, то трябва да бъде покрито с електропроводим слой, преди да се направи отпечатъкът.
Преобразуване на химическа енергия в електрическа
Ако два електрода, направени от различни метали, бъдат спуснати в електролита, тогава възниква потенциална разлика между тях, поради разликата в еластичността на разтварянето на тези метали. Ако между електродите извън електролита включите приемник на електрическа енергия, например резистор, тогава в получената електрическа верига ще протече ток. Ето как работят те галванични клетки (първични елементи).
Първата медно-цинкова галванична клетка е изобретена от Волта. В тези елементи химическата енергия се превръща в електрическа. Работата на галваничните клетки може да бъде възпрепятствана от явлението поляризация, което възниква в резултат на отлагането на вещество върху електродите.
Всички галванични клетки имат недостатъка, че химическата енергия се превръща необратимо в електрическа в тях, тоест галваничните клетки не могат да се презареждат. Те са лишени от този недостатък акумулатори.