Energiaátalakítás – elektromos, termikus, mechanikai, fény

Az energia fogalmát minden tudomány alkalmazza. Az is ismert, hogy az energiatestek képesek dolgozni. Az energia megmaradásának törvénye kimondja, hogy az energia nem tűnik el és nem keletkezhet a semmiből, hanem különböző formáiban jelenik meg (például hő-, mechanikai-, fény-, elektromos energia stb. formájában).

Az egyik energiaforma átkerülhet a másikba, és ugyanakkor megfigyelhető a különböző energiafajták pontos mennyiségi aránya. Általánosságban elmondható, hogy az egyik energiaformából a másikba való átmenet soha nem teljes, mivel mindig vannak más (többnyire nemkívánatos) energiatípusok. Például, az elektromos motorban nem az összes elektromos energia alakul mechanikai energiává, hanem egy része hőenergiává (huzalok áramok általi melegítése, súrlódási erők hatására felmelegedés).

Az egyik energiafajta tökéletlen átmenetének ténye a másikra jellemzi a hatékonysági együtthatót (hatékonyságot).Ez az együttható a hasznos energia aránya a teljes mennyiséghez, vagy a hasznos teljesítmény aránya az összeshez.

Elektromos energia Előnye, hogy viszonylag könnyen és kis veszteséggel továbbítható nagy távolságokra, továbbá rendkívül széles az alkalmazási köre. Az elektromos energia elosztása viszonylag könnyen kezelhető, ismert mennyiségben tárolható és tárolható.

Egy ember egy munkanap alatt átlagosan 1000 kJ vagy 0,3 kW energiát használ fel. Egy személynek körülbelül 8000 kJ-ra van szüksége élelmiszer formájában és 8000 kJ-ra otthonok, ipari helyiségek fűtéséhez, főzéshez stb. kcal, vagyis 60 kWh

Elektromos és mechanikai energia

Az elektromos energiát az elektromos motorokban és kisebb mértékben mechanikai energiává alakítják elektromágnesekben… Mindkét esetben a kapcsolódó hatások elektromágneses térrel… Az energiaveszteség, vagyis az energia azon része, amely nem alakul át a kívánt formába, főként az áram- és súrlódási veszteségekből származó vezetékek fűtésének energiaköltségéből áll.

A nagy villanymotorok hatásfoka 90% feletti, míg a kis villanymotorok hatásfoka ennél valamivel alacsonyabb. Ha például a villanymotor teljesítménye 15 kW és hatásfoka 90%, akkor mechanikai (hasznos) teljesítménye 13,5 kW. Ha a villanymotor mechanikai teljesítményének 15 kW-nak kell lennie, akkor az azonos hatásfok mellett fogyasztott elektromos teljesítmény 16,67 kWh.

Az elektromos energia mechanikai energiává alakításának folyamata reverzibilis, azaz a mechanikai energia elektromos energiává alakítható (lásd - Energiaátalakítási folyamat elektromos gépekben). Erre a célra elsősorban ezeket használják generátorokamelyek felépítésükben hasonlóak az elektromos motorokhoz, és gőzturbinákkal vagy hidraulikus turbinákkal hajthatók. Ezek a generátorok energiaveszteséggel is rendelkeznek.

Elektromos és hőenergia

Ha a vezeték folyik elektromosság, akkor a mozgásukban lévő elektronok ütköznek a vezető anyagának atomjaival és intenzívebb hőmozgást idéznek elő. Ebben az esetben az elektronok elveszítik energiájuk egy részét. A keletkező hőenergia egyrészt például az elektromos gépek tekercseinek alkatrészeinek, vezetékeinek hőmérsékletének növekedéséhez, másrészt a környezet hőmérsékletének növekedéséhez vezet. Különbséget kell tenni a hasznos hőenergia és a hőveszteség között.

Az elektromos fűtőberendezéseknél (villanykazánok, vasalók, fűtőkályhák stb.) célszerű arra törekedni, hogy a villamos energia minél teljesebb hőenergiává alakuljon át. Nem ez a helyzet például az elektromos vezetékek vagy villanymotorok esetében, ahol a keletkező hőenergia nem kívánt mellékhatás, ezért gyakran el kell távolítani.

A testhőmérséklet későbbi emelkedése következtében a hőenergia a környezetbe kerül. A hőenergia átadás folyamata a formában megy végbe hővezetés, konvekció és hősugárzás… A legtöbb esetben nagyon nehéz pontos mennyiségi becslést adni a teljes felszabaduló hőenergia mennyiségére.

Ha egy testet fel kell melegíteni, akkor a végső hőmérsékletének lényegesen magasabbnak kell lennie, mint a szükséges fűtési hőmérséklet. Erre azért van szükség, hogy a lehető legkevesebb hőenergiát továbbítsák a környezetnek.

Ha éppen ellenkezőleg, a testhőmérséklet felmelegedése nem kívánatos, akkor a rendszer végső hőmérsékletének kicsinek kell lennie. Ennek érdekében olyan feltételeket teremtenek, amelyek elősegítik a hőenergia eltávolítását a szervezetből (a test környezettel való érintkezésének nagy felülete, kényszerszellőztetés).

Az elektromos vezetékekben előforduló hőenergia korlátozza az ezekben a vezetékekben megengedett áramerősséget. A vezető maximális megengedett hőmérsékletét a szigetelésének hőellenállása határozza meg. Miért, annak biztosítása érdekében, hogy néhány konkrét elektromos erő, akkor a lehető legalacsonyabb áramértéket és ennek megfelelően a magas feszültségértéket kell választani. Ilyen körülmények között a drótanyag költsége csökken. Így gazdaságosan lehetséges a nagy teljesítményű elektromos energia nagyfeszültségű átvitele.

A hőenergia átalakítása elektromos energiává

A hőenergiát közvetlenül elektromos energiává alakítják az ún termoelektromos átalakítók… A termoelektromos átalakító hőeleme két különböző anyagból (pl. rézből és konstansból) készült fémvezetőből áll, amelyek egyik végén össze vannak forrasztva.

Egy bizonyos hőmérséklet-különbségnél a csatlakozási pont és a két vezeték másik két vége között, EMF, ami az első közelítésben egyenesen arányos ezzel a hőmérséklet-különbséggel. Ez a néhány millivoltos termo-EMF nagy érzékenységű voltmérőkkel rögzíthető. Ha a voltmérő Celsius fokban van kalibrálva, akkor a termoelektromos átalakítóval együtt az így kapott készülék közvetlen hőmérsékletmérésre használható.

Az átalakítási teljesítmény alacsony, ezért az ilyen konvertereket gyakorlatilag nem használják elektromos energiaforrásként. A hőelem előállításához használt anyagoktól függően különböző hőmérsékleti tartományokban működik. Összehasonlításképpen a különböző hőelemek néhány jellemzője megjelölhető: a réz-konstans hőelem 600 ° C-ig alkalmazható, az EMF körülbelül 4 mV 100 ° C-on; egy vasállandó hőelem 800 °C-ig használható, az EMF 100 °C-on körülbelül 5 mV.

Példa a hőenergia elektromos energiává alakításának gyakorlati felhasználására — Termoelektromos generátorok

Villamos és fényenergia

A fizika szempontjából a fény az elektromágneses sugárzás, amely megfelel az elektromágneses hullámok spektrumának egy bizonyos részének, és amelyet az emberi szem képes érzékelni. Az elektromágneses hullámok spektruma magában foglalja a rádióhullámokat, a hőt és a röntgensugárzást is. Néz - A megvilágítás alapmennyiségei és arányai

Fénysugárzás nyerhető elektromos energia felhasználásával hősugárzás eredményeként és gázkisüléssel.A hő (hőmérséklet) sugárzás szilárd vagy folyékony testek felmelegedése következtében jön létre, amelyek melegítés hatására különböző hullámhosszú elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. A hősugárzás intenzitásának eloszlása ​​a hőmérséklettől függ.

A hőmérséklet emelkedésével a maximális sugárzási intenzitás rövidebb hullámhosszú elektromágneses rezgésekre tolódik el. Kb. 6500 K hőmérsékleten a maximális sugárzási intenzitás 0,55 μm hullámhosszon jelentkezik, azaz. az emberi szem maximális érzékenységének megfelelő hullámhosszon. Világítási célból természetesen semmilyen szilárd testet nem lehet ilyen hőmérsékletre felmelegíteni.

A volfrám ellenáll a legmagasabb fűtési hőmérsékletnek. Vákuumos üvegpalackokban 2100 °C-ra melegíthető, magasabb hőmérsékleten pedig párologni kezd. A párolgási folyamat lelassítható néhány gáz (nitrogén, kripton) hozzáadásával, ami lehetővé teszi a fűtési hőmérséklet 3000 ° C-ra történő emelését.

Az izzólámpákban a keletkező konvekció következtében fellépő veszteségek csökkentése érdekében az izzószálat egy vagy kettős spirál formájában készítik. Ezen intézkedések ellenére azonban az izzólámpák fényhatékonysága 20 lm / W, ami még elég messze van az elméletileg elérhető optimumtól. A hősugárforrások nagyon alacsony hatásfokkal rendelkeznek, mivel velük az elektromos energia nagy része hőenergiává alakul, és nem fénnyé.

A gázkisüléses fényforrásokban az elektronok gázatomokkal vagy molekulákkal ütköznek, és ezáltal bizonyos hullámhosszú elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. A gáz teljes térfogata részt vesz az elektromágneses hullámok kibocsátásának folyamatában, és általában az ilyen sugárzás spektrumának vonalai nem mindig esnek a látható fény tartományába. Jelenleg a LED-es fényforrások a legelterjedtebbek a világításban. Néz - Fényforrások kiválasztása ipari helyiségekhez. 

A fényenergia átalakulása elektromos energiává

A fényenergia elektromos energiává alakítható, és ez az átmenet fizikai szempontból két különböző módon lehetséges. Ez az energiaátalakítás a fotoelektromos hatás (fotoelektromos hatás) eredménye lehet. A fotoelektromos hatás megvalósításához fototranzisztorokat, fotodiódákat és fotoellenállásokat használnak.

Egyesek közötti interfészen félvezetők (germánium, szilícium stb.) és fémek, határzóna alakul ki, amelyben a két érintkező anyag atomjai elektronokat cserélnek. Amikor a fény a határzónára esik, az abban lévő elektromos egyensúly megbomlik, aminek következtében EMF lép fel, amelynek hatására egy külső zárt áramkörben elektromos áram keletkezik. Az EMF és így az áram értéke a beeső fényáramtól és a sugárzás hullámhosszától függ.

Néhány félvezető anyagot fotoellenállásként használnak.A fénynek a fotoellenállásra gyakorolt ​​hatása következtében megnövekszik benne a szabad elektromos töltéshordozók száma, ami változást okoz az elektromos ellenállásában.Ha egy elektromos áramkörbe fotoellenállást is beépítünk, akkor ebben az áramkörben az áramerősség függ. a fotoellenállásra eső fény energiáiról .

Lásd még - A napenergia elektromos árammá alakításának folyamata

Kémiai és elektromos energia

A savak, bázisok és sók (elektrolitok) vizes oldatai több-kevesebb elektromos áramot vezetnek, ami a az anyagok elektromos disszociációjának jelensége… Az oldott molekulák egy része (ennek a résznek a mérete határozza meg a disszociáció mértékét) ionok formájában van jelen az oldatban.

Ha az oldatban két elektróda van, amelyekre potenciálkülönbséget alkalmazunk, akkor az ionok elkezdenek mozogni, a pozitív töltésű ionok (kationok) a katód felé, a negatív töltésű ionok (anionok) pedig az anód felé haladnak.

A megfelelő elektródához érve az ionok megszerzik hiányzó elektronjaikat, vagy éppen ellenkezőleg, feladják a továbbiakat, és ennek következtében elektromosan semlegesek lesznek. Az elektródákra lerakódott anyag tömege egyenesen arányos az átvitt töltéssel (Faraday törvénye).

Az elektróda és az elektrolit határzónájában a fémek oldódási rugalmassága és az ozmotikus nyomás ellentétes egymással. (Az ozmotikus nyomás hatására az elektrolitokból fémionok rakódnak le az elektródákra. Ez a kémiai folyamat egyedül a felelős a potenciálkülönbségért).

Elektromos energia átalakítása kémiai energiává

Ahhoz, hogy az ionok mozgása következtében egy anyag lerakódjon az elektródákon, elektromos energiát kell elkölteni. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik. Az elektromos energia kémiai energiává alakítását az elektrometallurgiában használják fémek (réz, alumínium, cink stb.) kémiailag tiszta formában történő előállítására.

Galvanizálásnál az aktívan oxidáló fémeket passzív fémekkel borítják (aranyozás, krómozás, nikkelezés stb.). Az elektroformázás során különféle testekből háromdimenziós lenyomatokat (kliséket) készítenek, és ha egy ilyen test nem vezető anyagból készül, akkor a lenyomat készítése előtt elektromosan vezető réteggel kell bevonni.

Kémiai energia átalakítása elektromos energiává

Ha két különböző fémből készült elektródát engedünk az elektrolitba, akkor potenciálkülönbség keletkezik közöttük, a fémek oldódási rugalmasságának különbsége miatt. Ha elektromos energia vevőt, például ellenállást csatlakoztat az elektroliton kívüli elektródák közé, akkor a keletkező elektromos áramkörben áram folyik. Íme, hogyan működnek galvanikus cellák (elsődleges elemek).

Az első réz-cink galvánelemet Volta találta fel. Ezekben az elemekben a kémiai energia elektromos energiává alakul. A galvánelemek működését hátráltathatja a polarizáció jelensége, amely az elektródákra történő anyaglerakódás következtében lép fel.

Valamennyi galvanikus cella hátránya, hogy a kémiai energia visszafordíthatatlanul elektromos energiává alakul bennük, vagyis a galvánelemek nem tölthetők újra. Ez a hátrány mentes akkumulátorok.