Energia muundamine - elektriline, termiline, mehaaniline, valgus

Energia mõistet kasutatakse kõigis teadustes. Samuti on teada, et energiakehad saavad tööd teha. Energia jäävuse seadus väidab, et energia ei kao ja ei saa tekkida millestki, vaid ilmneb oma erinevates vormides (näiteks soojusliku, mehaanilise, valguse, elektrienergia jne kujul).

Üks energiavorm võib üle minna teiseks ja samal ajal jälgitakse erinevate energialiikide täpseid kvantitatiivseid suhteid. Üldiselt ei ole üleminek ühelt energiavormilt teisele kunagi täielik, kuna alati on ka teisi (enamasti soovimatuid) energialiike. Näiteks, elektrimootoris mitte kogu elektrienergia ei muutu mehaaniliseks energiaks, vaid osa sellest soojusenergiaks (juhtmete kuumutamine voolude toimel, kuumenemine hõõrdejõudude toimel).

Efektiivsuse (efektiivsuse) koefitsienti iseloomustab ühe energialiigi mittetäieliku ülemineku fakt teisele.Seda koefitsienti määratletakse kui kasuliku energia suhet selle koguhulgasse või kasuliku võimsuse suhet kogusummasse.

Elektrienergia selle eeliseks on see, et seda saab suhteliselt lihtsalt ja väikeste kadudega edastada pikkadel vahemaadel ning lisaks sellele on sellel väga lai kasutusala. Elektrienergia jaotamist on suhteliselt lihtne hallata ning seda saab salvestada ja salvestada teadaolevates kogustes.

Tööpäeva jooksul kulutab inimene keskmiselt 1000 kJ ehk 0,3 kW energiat. Inimene vajab ligikaudu 8000 kJ toiduna ja 8000 kJ kodude, tööstuspindade kütmiseks, toiduvalmistamiseks jne. kcal ehk 60 kWh

Elektriline ja mehaaniline energia

Elektrienergia muundatakse mehaaniliseks energiaks elektrimootorites ja vähemal määral elektromagnetides… Mõlemal juhul kaasnevad mõjud elektromagnetväljaga… Energiakaod ehk see osa energiast, mis ei muundu soovitud kujule, koosneb peamiselt voolu- ja hõõrdekadudest tekkinud energiakuludest juhtmete soojendamiseks.

Suurte elektrimootorite kasutegur on üle 90%, samas kui väikeste elektrimootorite kasutegur on sellest tasemest veidi madalam. Kui näiteks elektrimootori võimsus on 15 kW ja kasutegur 90%, siis selle mehaaniline (kasulik) võimsus on 13,5 kW. Kui elektrimootori mehaaniline võimsus peaks olema 15 kW, siis sama kasuteguri juures tarbitav elektrienergia on 16,67 kWh.

Elektrienergia mehaaniliseks energiaks muundamise protsess on pöörduv, st mehaanilist energiat saab muundada elektrienergiaks (vt — Energia muundamise protsess elektrimasinates). Sel eesmärgil kasutatakse neid peamiselt generaatoridmis on disainilt sarnased elektrimootoritega ja mida saab juhtida auruturbiinide või hüdroturbiinidega. Nendel generaatoritel on ka energiakadusid.

Elektri- ja soojusenergia

Kui juhe voolab elektrit, siis põrkuvad elektronid oma liikumises juhi materjali aatomitega ja põhjustavad nendes intensiivsemat soojusliikumist. Sel juhul kaotavad elektronid osa oma energiast. Tekkiv soojusenergia toob ühelt poolt kaasa näiteks elektrimasinate mähiste osade ja juhtmete temperatuuri tõusu, teisalt aga keskkonna temperatuuri tõusu. Eristada tuleb kasulikku soojusenergiat ja soojuskadusid.

Elektrikütteseadmetes (elektriboilerid, triikrauad, küttepliidid jne) on soovitatav püüda tagada elektrienergia võimalikult täielik muundamine soojusenergiaks. See ei kehti näiteks elektriliinide või elektrimootorite puhul, kus tekkiv soojusenergia on soovimatu kõrvalmõju ja seetõttu tuleb seda sageli eemaldada.

Järgneva kehatemperatuuri tõusu tulemusena kandub soojusenergia keskkonda. Soojusenergia ülekande protsess toimub vormis soojusjuhtivus, konvektsioon ja soojuskiirgus… Enamasti on eralduva soojusenergia koguhulga täpset kvantitatiivset hinnangut väga raske anda.

Kui keha kuumutatakse, peab selle lõpptemperatuur olema oluliselt kõrgem nõutavast küttetemperatuurist. See on vajalik selleks, et võimalikult vähe soojusenergiat keskkonda edastada.

Kui vastupidi, kehatemperatuuri soojenemine on ebasoovitav, peaks süsteemi lõpptemperatuuri väärtus olema väike. Selleks luuakse tingimused, mis soodustavad soojusenergia eemaldamist kehast (keha suur kokkupuutepind keskkonnaga, sundventilatsioon).

Elektrijuhtmetes esinev soojusenergia piirab nendes juhtmetes lubatud vooluhulka. Juhi maksimaalne lubatud temperatuur määratakse selle isolatsiooni soojustakistusega. Miks, et tagada mõne konkreetse ülekandmine elektriline jõud, peaksite valima väikseima võimaliku vooluväärtuse ja vastavalt kõrge pinge väärtuse. Nendel tingimustel väheneb traadi materjali maksumus. Seega on majanduslikult võimalik edastada suure võimsusega elektrienergiat kõrgel pingel.

Soojusenergia muundamine elektrienergiaks

Soojusenergia muudetakse otse elektrienergiaks nn termoelektrilised muundurid… Termoelektrilise muunduri termopaar koosneb kahest erinevast materjalist (nt vasest ja konstantaanist) valmistatud metalljuhist, mis on ühest otsast kokku joodetud.

Teatud temperatuuride erinevuse korral ühenduspunkti ja kahe juhtme kahe teise otsa vahel EMF, mis esimeses lähenduses on otseselt proportsionaalne selle temperatuuri erinevusega. Seda mõne millivolti termo-EMF-i saab salvestada ülitundlike voltmeetrite abil. Kui voltmeeter on kalibreeritud Celsiuse kraadides, siis koos termoelektrilise muunduriga saab saadud seadet kasutada temperatuuri vahetuks mõõtmiseks.

Muundusvõimsus on madal, mistõttu selliseid muundureid elektrienergia allikatena praktiliselt ei kasutata. Sõltuvalt termopaari valmistamiseks kasutatud materjalidest töötab see erinevates temperatuurivahemikes. Võrdluseks võib näidata erinevate termopaaride mõningaid omadusi: vaskkonstantne termopaar on kasutatav kuni 600 ° C, EMF on umbes 4 mV temperatuuril 100 ° C; raudkonstantne termopaar on kasutatav kuni 800 °C, EMF on 100 °C juures ligikaudu 5 mV.

Näide soojusenergia elektrienergiaks muundamise praktilisest kasutamisest — Termoelektrilised generaatorid

Elektri- ja valgusenergia

Füüsika mõttes on valgus elektromagnetiline kiirgus, mis vastab teatud osale elektromagnetlainete spektrist ja mida inimsilm suudab tajuda. Elektromagnetlainete spekter hõlmab ka raadiolaineid, soojust ja röntgenikiirgust. Vaata - Valgustuse põhihulgad ja nende suhted

Valguskiirgust on võimalik saada elektrienergia abil soojuskiirguse tulemusena ja gaaslahendusega.Soojus(temperatuuri)kiirgus tekib tahkete või vedelate kehade kuumenemise tulemusena, mis kuumenemise tõttu kiirgavad erineva lainepikkusega elektromagnetlaineid. Soojuskiirguse intensiivsuse jaotus sõltub temperatuurist.

Temperatuuri tõustes nihkub maksimaalne kiirgusintensiivsus lühema lainepikkusega elektromagnetvõnkumiseks. Temperatuuril umbes 6500 K tekib maksimaalne kiirgusintensiivsus lainepikkusel 0,55 μm, s.o. lainepikkusel, mis vastab inimsilma maksimaalsele tundlikkusele. Valgustuse eesmärgil ei saa loomulikult ühtki tahket keha sellise temperatuurini kuumutada.

Volfram talub kõrgeimat kuumutustemperatuuri. Vaakumklaaspudelites saab seda kuumutada temperatuurini 2100 ° C ja kõrgemal temperatuuril hakkab see aurustuma. Aurustumisprotsessi saab aeglustada mõne gaasi (lämmastik, krüptoon) lisamisega, mis võimaldab tõsta kuumutamistemperatuuri 3000 ° C-ni.

Hõõglampide kadude vähendamiseks tekkivast konvektsioonist on hõõgniit valmistatud ühe- või kahespiraali kujul. Nendest meetmetest hoolimata hõõglampide valgusefektiivsus on 20 lm / W, mis on teoreetiliselt saavutatavast optimumist veel üsna kaugel. Soojuskiirgusallikad on väga madala kasuteguriga, kuna nendega muudetakse suurem osa elektrienergiast soojusenergiaks, mitte valguseks.

Gaaslahendusega valgusallikates põrkuvad elektronid gaasiaatomite või molekulidega ja tekitavad seeläbi teatud lainepikkusega elektromagnetlaineid. Kogu gaasi maht osaleb elektromagnetlainete kiirgamise protsessis ja üldiselt ei asu sellise kiirguse spektri jooned alati nähtava valguse vahemikus. Praegu kasutatakse valgustuses enim LED-valgusallikaid. Vaata - Valgusallikate valik tööstuspindadele. 

Valguse energia üleminek elektrienergiaks

Valgusenergiat saab muundada elektrienergiaks ja see üleminek on füüsilisest vaatepunktist võimalik kahel erineval viisil. See energia muundamine võib tuleneda fotoelektrilisest efektist (fotoelektriline efekt). Fotoelektrilise efekti realiseerimiseks kasutatakse fototransistore, fotodioode ja fototakisteid.

Mõne vahelises liideses pooljuhid (germaanium, räni jt) ja metallid, tekib piiritsoon, milles kahe kontaktis oleva materjali aatomid vahetavad elektrone. Valguse langemisel piirtsoonile häirub selles olev elektriline tasakaal, mille tagajärjel tekib EMF, mille toimel tekib välises suletud ahelas elektrivool. EMF ja seega ka voolu väärtus sõltub langevast valgusvoost ja kiirguse lainepikkusest.

Mõned pooljuhtmaterjalid on kasutusel fototakistitena.Valguse mõju tulemusena fototakistile suureneb selles vabade elektrilaengute kandjate arv, mis põhjustab selle elektritakistuse muutuse Kui lülitate elektriahelasse fototakisti, siis sõltub voolutugevus selles ahelas fototakistile langeva valguse energiate kohta .

Vaata ka - Päikeseenergia elektrienergiaks muutmise protsess

Keemiline ja elektrienergia

Hapete, aluste ja soolade (elektrolüütide) vesilahused juhivad rohkem või vähem elektrivoolu, mis on tingitud ainete elektrilise dissotsiatsiooni nähtus… Osa lahustunud aine molekule (selle osa suurus määrab dissotsiatsiooniastme) on lahuses ioonide kujul.

Kui lahuses on kaks elektroodi, millele rakendatakse potentsiaalide erinevust, siis hakkavad ioonid liikuma, positiivselt laetud ioonid (katioonid) liiguvad katoodi ja negatiivselt laetud ioonid (anioonid) anoodi poole.

Jõudes vastavale elektroodile, omandavad ioonid oma puuduvad elektronid või vastupidi, loobuvad täiendavatest ja muutuvad selle tulemusena elektriliselt neutraalseks. Elektroodidele ladestunud materjali mass on otseselt võrdeline ülekantava laenguga (Faraday seadus).

Elektroodi ja elektrolüüdi vahelises piiritsoonis on metallide lahustumiselastsus ja osmootne rõhk vastandlikud. (Osmootne rõhk põhjustab metalliioonide sadestumise elektrolüütidest elektroodidele. Ainuüksi see keemiline protsess vastutab potentsiaalide erinevuse eest).

Elektrienergia muundamine keemiliseks energiaks

Selleks, et saavutada ioonide liikumise tulemusena aine ladestumine elektroodidele, on vaja kulutada elektrienergiat. Seda protsessi nimetatakse elektrolüüsiks. Seda elektrienergia muundamist keemiliseks energiaks kasutatakse elektrometallurgias metallide (vask, alumiinium, tsink jne) saamiseks keemiliselt puhtal kujul.

Galvaniseerimisel kaetakse aktiivselt oksüdeerivad metallid passiivsete metallidega (kuldamine, kroomimine, nikeldamine jne). Elektroformeerimisel valmistatakse erinevatest kehadest kolmemõõtmelisi jäljendeid (klišeesid) ja kui selline keha on valmistatud mittejuhtivast materjalist, tuleb see enne jäljendi tegemist katta elektrit juhtiva kihiga.

Keemilise energia muundamine elektrienergiaks

Kui elektrolüüti lastakse kaks erinevatest metallidest valmistatud elektroodi, tekib nende vahel potentsiaalide erinevus nende metallide lahustumiselastsuse erinevuse tõttu. Kui ühendate väljaspool elektrolüüti asuvate elektroodide vahele elektrienergia vastuvõtja, näiteks takisti, voolab tekkivas elektriahelas vool. Siin on, kuidas need töötavad galvaanilised elemendid (põhielemendid).

Esimese vask-tsink-galvaanielemendi leiutas Volta. Nendes elementides muundatakse keemiline energia elektrienergiaks. Galvaaniliste elementide tööd võib takistada polarisatsiooninähtus, mis tekib aine elektroodidele sadestumise tagajärjel.

Kõikide galvaaniliste elementide miinuseks on see, et neis muundub keemiline energia pöördumatult elektrienergiaks ehk galvaanielemente ei saa uuesti laadida. Neil puudub see puudus akud.