Μετατροπή ενέργειας — ηλεκτρική, θερμική, μηχανική, ελαφριά

Η έννοια της ενέργειας χρησιμοποιείται σε όλες τις επιστήμες. Είναι επίσης γνωστό ότι τα ενεργειακά σώματα μπορούν να κάνουν δουλειά. Νόμος διατήρησης της ενέργειας δηλώνει ότι η ενέργεια δεν εξαφανίζεται και δεν μπορεί να δημιουργηθεί από το τίποτα, αλλά εμφανίζεται με τις διάφορες μορφές της (για παράδειγμα, με τη μορφή θερμικής, μηχανικής, ελαφριάς, ηλεκτρικής ενέργειας κ.λπ.).

Μια μορφή ενέργειας μπορεί να περάσει σε μια άλλη και ταυτόχρονα παρατηρούνται ακριβείς ποσοτικές αναλογίες διαφορετικών τύπων ενέργειας. Σε γενικές γραμμές, η μετάβαση από τη μια μορφή ενέργειας στην άλλη δεν είναι ποτέ πλήρης, καθώς υπάρχουν πάντα άλλοι (κυρίως ανεπιθύμητοι) τύποι ενέργειας. Για παράδειγμα, στον ηλεκτροκινητήρα δεν μετατρέπεται όλη η ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια, αλλά μέρος της μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια (θέρμανση των συρμάτων από ρεύματα, θέρμανση ως αποτέλεσμα της δράσης των δυνάμεων τριβής).

Το γεγονός της ατελούς μετάβασης ενός τύπου ενέργειας σε άλλο χαρακτηρίζει τον συντελεστή απόδοσης (efficiency).Αυτός ο συντελεστής ορίζεται ως ο λόγος της ωφέλιμης ενέργειας προς τη συνολική της ποσότητα ή ως ο λόγος της ωφέλιμης ισχύος προς το σύνολο.

Ηλεκτρική ενέργεια έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να μεταδοθεί σχετικά εύκολα και με μικρές απώλειες σε μεγάλες αποστάσεις και επιπλέον έχει εξαιρετικά μεγάλο εύρος εφαρμογών. Η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας είναι σχετικά εύκολη στη διαχείριση και μπορεί να αποθηκευτεί και να αποθηκευτεί σε γνωστές ποσότητες.

Κατά τη διάρκεια μιας εργάσιμης ημέρας, ένα άτομο χρησιμοποιεί κατά μέσο όρο 1000 kJ ή 0,3 kW ενέργειας. Ένα άτομο χρειάζεται περίπου 8000 kJ σε μορφή τροφής και 8000 kJ για θέρμανση σπιτιών, βιομηχανικών χώρων, μαγείρεμα κ.λπ. kcal ή 60 kWh

Ηλεκτρική και μηχανική ενέργεια

Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια στους ηλεκτροκινητήρες και σε μικρότερο βαθμό σε ηλεκτρομαγνήτες… Και στις δύο περιπτώσεις τα συναφή αποτελέσματα με ηλεκτρομαγνητικό πεδίο… Οι απώλειες ενέργειας, δηλαδή εκείνο το μέρος της ενέργειας που δεν μετατρέπεται στην επιθυμητή μορφή, αποτελείται κυρίως από ενεργειακά κόστη για τη θέρμανση των καλωδίων από απώλειες ρεύματος και τριβής.

Οι μεγάλοι ηλεκτροκινητήρες έχουν απόδοση πάνω από 90%, ενώ οι μικροί ηλεκτροκινητήρες έχουν απόδοση ελαφρώς κάτω από αυτό το επίπεδο. Αν, για παράδειγμα, ο ηλεκτροκινητήρας έχει ισχύ 15 kW και απόδοση ίση με 90%, τότε η μηχανική (χρήσιμη) ισχύς του είναι 13,5 kW. Εάν η μηχανική ισχύς του ηλεκτροκινητήρα πρέπει να είναι ίση με 15 kW, τότε η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνεται στην ίδια τιμή απόδοσης είναι 16,67 kWh.

Η διαδικασία μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια είναι αναστρέψιμη, δηλαδή η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια (βλ. Διαδικασία μετατροπής ενέργειας σε ηλεκτρικές μηχανές). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται κυρίως γεννήτριεςοι οποίοι έχουν παρόμοια σχεδίαση με τους ηλεκτροκινητήρες και μπορούν να κινηθούν από ατμοστρόβιλους ή υδραυλικούς στρόβιλους. Αυτές οι γεννήτριες έχουν επίσης απώλειες ενέργειας.

Ηλεκτρική και θερμική ενέργεια

Αν το σύρμα ρέει ηλεκτρική ενέργεια, τότε τα ηλεκτρόνια στην κίνησή τους συγκρούονται με τα άτομα του υλικού του αγωγού και τα προκαλούν σε πιο έντονη θερμική κίνηση. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια χάνουν μέρος της ενέργειάς τους. Η προκύπτουσα θερμική ενέργεια, αφενός, οδηγεί, για παράδειγμα, σε αύξηση της θερμοκρασίας των εξαρτημάτων και των καλωδίων των περιελίξεων στις ηλεκτρικές μηχανές και, αφετέρου, σε αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ της χρήσιμης θερμικής ενέργειας και των απωλειών θερμότητας.

Σε ηλεκτρικές συσκευές θέρμανσης (ηλεκτρικοί λέβητες, σίδερα, σόμπες θέρμανσης, κ.λπ.) καλό είναι να επιδιώκεται να διασφαλίζεται ότι η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται όσο το δυνατόν πληρέστερα σε θερμική ενέργεια. Αυτό δεν συμβαίνει, για παράδειγμα, στην περίπτωση των γραμμών ηλεκτρικού ρεύματος ή των ηλεκτροκινητήρων, όπου η παραγόμενη θερμική ενέργεια είναι μια ανεπιθύμητη παρενέργεια και επομένως συχνά πρέπει να ληφθούν μέτρα για την αφαίρεσή της.

Ως αποτέλεσμα της επακόλουθης αύξησης της θερμοκρασίας του σώματος, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται στο περιβάλλον. Η διαδικασία μεταφοράς θερμικής ενέργειας λαμβάνει χώρα με τη μορφή αγωγιμότητα θερμότητας, συναγωγή και ακτινοβολία θερμότητας… Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι πολύ δύσκολο να δοθεί μια ακριβής ποσοτική εκτίμηση της συνολικής ποσότητας θερμικής ενέργειας που απελευθερώνεται.

Εάν ένα σώμα πρόκειται να θερμανθεί, η τιμή της τελικής του θερμοκρασίας πρέπει να είναι σημαντικά υψηλότερη από την απαιτούμενη θερμοκρασία θέρμανσης. Αυτό είναι απαραίτητο προκειμένου να μεταδοθεί όσο το δυνατόν λιγότερη θερμική ενέργεια στο περιβάλλον.

Εάν, αντίθετα, η θέρμανση της θερμοκρασίας του σώματος είναι ανεπιθύμητη, τότε η τιμή της τελικής θερμοκρασίας του συστήματος θα πρέπει να είναι μικρή. Για το σκοπό αυτό δημιουργούνται συνθήκες που διευκολύνουν την απομάκρυνση της θερμικής ενέργειας από το σώμα (μεγάλη επιφάνεια επαφής του σώματος με το περιβάλλον, εξαναγκαστικός αερισμός).

Η θερμική ενέργεια που εμφανίζεται στα ηλεκτρικά καλώδια περιορίζει την ποσότητα ρεύματος που επιτρέπεται σε αυτά τα καλώδια. Η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία του αγωγού καθορίζεται από τη θερμική αντίσταση της μόνωσής του. Γιατί, για να εξασφαλιστεί η μεταφορά κάποιων συγκεκριμένων ηλεκτρική δύναμη, θα πρέπει να επιλέξετε τη χαμηλότερη δυνατή τιμή ρεύματος και κατά συνέπεια την τιμή της υψηλής τάσης. Υπό αυτές τις συνθήκες, το κόστος του υλικού του σύρματος θα μειωθεί. Έτσι, είναι οικονομικά εφικτή η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής ισχύος σε υψηλές τάσεις.

Μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική

Η θερμική ενέργεια μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια στο λεγόμενο θερμοηλεκτρικοί μετατροπείς… Το θερμοστοιχείο ενός θερμοηλεκτρικού μετατροπέα αποτελείται από δύο μεταλλικούς αγωγούς κατασκευασμένους από διαφορετικά υλικά (π.χ. χαλκό και κονταντάνη) και συγκολλημένα μεταξύ τους στο ένα άκρο.

Σε μια ορισμένη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του σημείου σύνδεσης και των άλλων δύο άκρων των δύο καλωδίων, EMF, η οποία στην πρώτη προσέγγιση είναι ευθέως ανάλογη με αυτή τη διαφορά θερμοκρασίας. Αυτό το thermo-EMF, ίσο με μερικά millivolt, μπορεί να καταγραφεί χρησιμοποιώντας βολτόμετρα υψηλής ευαισθησίας. Εάν το βολτόμετρο είναι βαθμονομημένο σε βαθμούς Κελσίου, τότε μαζί με τον θερμοηλεκτρικό μετατροπέα η συσκευή που προκύπτει μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άμεση μέτρηση θερμοκρασίας.

Η ισχύς μετατροπής είναι χαμηλή, επομένως τέτοιοι μετατροπείς πρακτικά δεν χρησιμοποιούνται ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας. Ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του θερμοστοιχείου, λειτουργεί σε διαφορετικά εύρη θερμοκρασίας. Για σύγκριση, μπορούν να υποδεικνύονται ορισμένα χαρακτηριστικά διαφορετικών θερμοστοιχείων: ένα θερμοστοιχείο χαλκού-σταθερής εφαρμόζεται έως τους 600 ° C, το EMF είναι περίπου 4 mV στους 100 ° C. ένα θερμοστοιχείο σταθερού σιδήρου μπορεί να εφαρμοστεί έως τους 800 °C, το EMF είναι περίπου 5 mV στους 100 °C.

Ένα παράδειγμα πρακτικής χρήσης της μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια — Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες

Ηλεκτρική και φωτεινή ενέργεια

Από άποψη φυσικής, το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο μέρος του φάσματος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και το οποίο μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο μάτι. Το φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων περιλαμβάνει επίσης ραδιοκύματα, θερμότητα και ακτίνες Χ. Κοίτα - Βασικές ποσότητες φωτισμού και οι αναλογίες τους

Είναι δυνατή η λήψη ακτινοβολίας φωτός χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια ως αποτέλεσμα θερμικής ακτινοβολίας και με εκκένωση αερίου.Η θερμική (θερμοκρασία) ακτινοβολία εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της θέρμανσης στερεών ή υγρών σωμάτων, τα οποία, λόγω της θέρμανσης, εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφορετικών μηκών κύματος. Η κατανομή της έντασης της θερμικής ακτινοβολίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η μέγιστη ένταση ακτινοβολίας μετατοπίζεται σε ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις με μικρότερο μήκος κύματος. Σε θερμοκρασία περίπου 6500 K, η μέγιστη ένταση ακτινοβολίας εμφανίζεται σε μήκος κύματος 0,55 μm, δηλ. στο μήκος κύματος που αντιστοιχεί στη μέγιστη ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού. Για λόγους φωτισμού, κανένα στερεό σώμα δεν μπορεί να θερμανθεί σε τέτοια θερμοκρασία, φυσικά.

Το βολφράμιο αντέχει την υψηλότερη θερμοκρασία θέρμανσης. Σε γυάλινες φιάλες κενού, μπορεί να θερμανθεί σε θερμοκρασία 2100 ° C και σε υψηλότερες θερμοκρασίες αρχίζει να εξατμίζεται. Η διαδικασία εξάτμισης μπορεί να επιβραδυνθεί με την προσθήκη ορισμένων αερίων (άζωτο, κρυπτό), γεγονός που καθιστά δυνατή την αύξηση της θερμοκρασίας θέρμανσης στους 3000 ° C.

Προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες σε λαμπτήρες πυρακτώσεως ως αποτέλεσμα της συναγωγής που προκύπτει, το νήμα κατασκευάζεται με τη μορφή μονής ή διπλής σπείρας. Παρά τα μέτρα αυτά όμως η φωτεινή απόδοση των λαμπτήρων πυρακτώσεως είναι 20 lm / W, το οποίο απέχει ακόμη αρκετά από το θεωρητικά εφικτό βέλτιστο. Οι πηγές θερμικής ακτινοβολίας έχουν πολύ χαμηλή απόδοση, γιατί με αυτές το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια και όχι σε φως.

Στις πηγές φωτός εκκένωσης αερίου, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα ή μόρια αερίου και έτσι τα αναγκάζουν να εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα συγκεκριμένου μήκους κύματος. Ολόκληρος ο όγκος του αερίου εμπλέκεται στη διαδικασία εκπομπής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και, γενικά, οι γραμμές του φάσματος αυτής της ακτινοβολίας δεν βρίσκονται πάντα στην περιοχή του ορατού φωτός. Επί του παρόντος, οι πηγές φωτός LED είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες στον φωτισμό. Κοίτα - Η επιλογή των πηγών φωτός για βιομηχανικούς χώρους. 

Μετάβαση της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια

Η φωτεινή ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια και αυτή η μετάβαση είναι δυνατή με δύο διαφορετικούς τρόπους από φυσική άποψη. Αυτή η μετατροπή ενέργειας μπορεί να είναι αποτέλεσμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Για την πραγματοποίηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, χρησιμοποιούνται φωτοτρανζίστορ, φωτοδίοδοι και φωτοαντιστάσεις.

Στη διεπαφή μεταξύ ορισμένων ημιαγωγών (γερμάνιο, πυρίτιο κ.λπ.) και μέταλλα, σχηματίζεται μια οριακή ζώνη στην οποία τα άτομα των δύο υλικών που έρχονται σε επαφή ανταλλάσσουν ηλεκτρόνια. Όταν το φως πέφτει στην οριακή ζώνη, η ηλεκτρική ισορροπία σε αυτήν διαταράσσεται, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται ένα EMF, υπό τη δράση του οποίου προκύπτει ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα εξωτερικό κλειστό κύκλωμα. Το EMF και επομένως η τιμή του ρεύματος εξαρτάται από την προσπίπτουσα φωτεινή ροή και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας.

Ορισμένα υλικά ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ως φωτοαντιστάσεις.Ως αποτέλεσμα της πρόσκρουσης του φωτός στη φωτοαντίσταση, ο αριθμός των ελεύθερων φορέων ηλεκτρικών φορτίων σε αυτήν αυξάνεται, γεγονός που προκαλεί αλλαγή στην ηλεκτρική αντίστασή του. Εάν συμπεριλάβετε μια φωτοαντίσταση σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, το ρεύμα σε αυτό το κύκλωμα θα εξαρτηθεί στις ενέργειες του φωτός που πέφτει στη φωτοαντίσταση .

Δείτε επίσης - Η διαδικασία μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική

Χημική και ηλεκτρική ενέργεια

Υδατικά διαλύματα οξέων, βάσεων και αλάτων (ηλεκτρολύτες) εκπέμπουν περισσότερο ή λιγότερο ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο οφείλεται το φαινόμενο της ηλεκτρικής διάστασης ουσιών… Ορισμένα από τα μόρια της διαλυμένης ουσίας (το μέγεθος αυτού του μέρους καθορίζει τον βαθμό διάστασης) υπάρχουν στο διάλυμα με τη μορφή ιόντων.

Εάν υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια στο διάλυμα στα οποία εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού, τότε τα ιόντα θα αρχίσουν να κινούνται, με τα θετικά φορτισμένα ιόντα (κατιόντα) να κινούνται προς την κάθοδο και τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα (ανιόντα) προς την άνοδο.

Φτάνοντας στο αντίστοιχο ηλεκτρόδιο, τα ιόντα αποκτούν τα ηλεκτρόνια που λείπουν ή, αντίθετα, εγκαταλείπουν τα πρόσθετα και, ως αποτέλεσμα, γίνονται ηλεκτρικά ουδέτερα. Η μάζα του υλικού που εναποτίθεται στα ηλεκτρόδια είναι ευθέως ανάλογη με το φορτίο που μεταφέρεται (νόμος Faraday).

Στην οριακή ζώνη μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη, η ελαστικότητα διάλυσης των μετάλλων και η οσμωτική πίεση αντιτίθενται μεταξύ τους. (Η ωσμωτική πίεση προκαλεί την εναπόθεση μεταλλικών ιόντων από τους ηλεκτρολύτες στα ηλεκτρόδια. Αυτή η χημική διεργασία από μόνη της είναι υπεύθυνη για τη διαφορά δυναμικού).

Μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική

Για να επιτευχθεί η εναπόθεση μιας ουσίας στα ηλεκτρόδια ως αποτέλεσμα της κίνησης των ιόντων, είναι απαραίτητο να δαπανηθεί ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ηλεκτρόλυση. Αυτή η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια χρησιμοποιείται στην ηλεκτρομεταλλουργία για να ληφθούν μέταλλα (χαλκός, αλουμίνιο, ψευδάργυρος κ.λπ.) σε χημικά καθαρή μορφή.

Στην ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, τα ενεργά οξειδωτικά μέταλλα καλύπτονται με παθητικά μέταλλα (επιχρύσωση, επιχρωμίωση, επινικέλιο κ.λπ.). Στην ηλεκτρομορφοποίηση, τα τρισδιάστατα αποτυπώματα (κλισέ) κατασκευάζονται από διάφορα σώματα, και αν ένα τέτοιο σώμα είναι κατασκευασμένο από μη αγώγιμο υλικό, πρέπει να καλυφθεί με ηλεκτρικά αγώγιμο στρώμα πριν γίνει το αποτύπωμα.

Μετατροπή χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική

Εάν δύο ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από διαφορετικά μέταλλα χαμηλώσουν στον ηλεκτρολύτη, τότε προκύπτει διαφορά δυναμικού μεταξύ τους, λόγω της διαφοράς στην ελαστικότητα διάλυσης αυτών των μετάλλων. Εάν συνδέσετε έναν δέκτη ηλεκτρικής ενέργειας, για παράδειγμα, μια αντίσταση, μεταξύ των ηλεκτροδίων έξω από τον ηλεκτρολύτη, τότε θα ρέει ρεύμα στο ηλεκτρικό κύκλωμα που προκύπτει. Να πώς λειτουργούν γαλβανικά κύτταρα (πρωτογενή στοιχεία).

Το πρώτο γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου εφευρέθηκε από τον Volta. Σε αυτά τα στοιχεία, η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Η λειτουργία των γαλβανικών κυψελών μπορεί να παρεμποδιστεί από το φαινόμενο της πόλωσης, που συμβαίνει ως αποτέλεσμα της εναπόθεσης μιας ουσίας στα ηλεκτρόδια.

Όλα τα γαλβανικά στοιχεία έχουν το μειονέκτημα ότι η χημική ενέργεια μετατρέπεται αμετάκλητα σε ηλεκτρική ενέργεια σε αυτά, δηλαδή, τα γαλβανικά στοιχεία δεν μπορούν να επαναφορτιστούν. Δεν έχουν αυτό το μειονέκτημα συσσωρευτές.