Pretvorba energije — električna, toplinska, mehanička, svjetlosna

Pojam energije koristi se u svim znanostima. Također je poznato da energetska tijela mogu obavljati rad. Zakon održanja energije navodi da energija ne nestaje i ne može nastati ni iz čega, već se pojavljuje u svojim različitim oblicima (npr. u obliku toplinske, mehaničke, svjetlosne, električne energije itd.).

Jedan oblik energije može prijeći u drugi, a pritom se promatraju precizni kvantitativni omjeri različitih vrsta energije. Općenito govoreći, prijelaz iz jednog oblika energije u drugi nikada nije potpun, jer uvijek postoje druge (uglavnom neželjene) vrste energije. Na primjer, u elektromotoru ne pretvara se sva električna energija u mehaničku, ali se dio pretvara u toplinsku (zagrijavanje žica strujama, zagrijavanje kao posljedica djelovanja sila trenja).

Činjenica nepotpunog prijelaza jedne vrste energije u drugu karakterizira koeficijent učinkovitosti (učinkovitost).Ovaj koeficijent se definira kao omjer korisne energije prema njenoj ukupnoj količini ili kao omjer korisne snage prema ukupnoj.

Električna energija prednost mu je što se može prenositi relativno lako i uz male gubitke na velike udaljenosti, a nadalje ima iznimno širok raspon primjena. Distribucijom električne energije relativno je lako upravljati i može se skladištiti i skladištiti u poznatim količinama.

Tijekom radnog dana čovjek u prosjeku potroši 1000 kJ ili 0,3 kW energije. Čovjeku je potrebno približno 8000 kJ u obliku hrane i 8000 kJ za grijanje domova, industrijskih prostora, kuhanje itd. kcal, odnosno 60 kWh

Električna i mehanička energija

Električna energija se u elektromotorima pretvara u mehaničku i to manjim dijelom u elektromagnetima… U oba slučaja povezani učinci s elektromagnetskim poljem… Gubici energije, odnosno onaj dio energije koji se ne transformira u željeni oblik, uglavnom se sastoje od troškova energije za grijanje žica od strujnih i trenja.

Veliki elektromotori imaju učinkovitost iznad 90%, dok mali elektromotori imaju učinkovitost nešto ispod ove razine. Ako, na primjer, elektromotor ima snagu od 15 kW i učinkovitost jednaku 90%, tada je njegova mehanička (korisna) snaga 13,5 kW. Ako mehanička snaga elektromotora treba biti jednaka 15 kW, tada je utrošena električna snaga pri istoj vrijednosti učinkovitosti 16,67 kWh.

Proces pretvaranja električne energije u mehaničku energiju je reverzibilan, tj. mehanička energija se može pretvoriti u električnu energiju (vidi - Procesi pretvorbe energije u električnim strojevima). U tu svrhu uglavnom se koriste generatorikoji su po konstrukciji slični elektromotorima i mogu biti pokretani parnim turbinama ili hidrauličkim turbinama. Ovi generatori također imaju gubitke energije.

Električna i toplinska energija

Ako žica teče struja, tada se elektroni u svom kretanju sudaraju s atomima materijala vodiča i izazivaju njihovo intenzivnije toplinsko gibanje. U tom slučaju elektroni gube dio svoje energije. Rezultirajuća toplinska energija, s jedne strane, dovodi, na primjer, do povećanja temperature dijelova i žica namota u električnim strojevima, a s druge strane do povećanja temperature okoline. Potrebno je razlikovati korisnu toplinsku energiju od toplinskih gubitaka.

Kod električnih uređaja za grijanje (električni kotlovi, glačala, peći za grijanje itd.) preporučljivo je nastojati da se električna energija što potpunije pretvori u toplinsku. To nije slučaj, na primjer, u slučaju dalekovoda ili elektromotora, gdje je proizvedena toplinska energija neželjena nuspojava i stoga se često mora poduzeti mjere da se ona otkloni.

Kao rezultat naknadnog povećanja tjelesne temperature, toplinska energija se prenosi u okolinu. Proces prijenosa toplinske energije odvija se u obliku provođenje topline, konvekcija i toplinsko zračenje… U većini slučajeva vrlo je teško dati točnu kvantitativnu procjenu ukupne količine oslobođene toplinske energije.

Ako se tijelo želi zagrijati, vrijednost njegove konačne temperature mora biti znatno viša od potrebne temperature zagrijavanja. To je potrebno kako bi se što manje toplinske energije prenijelo u okolinu.

Ako je, naprotiv, zagrijavanje tjelesne temperature nepoželjno, tada bi vrijednost konačne temperature sustava trebala biti mala. U tu svrhu stvaraju se uvjeti koji olakšavaju odvođenje toplinske energije iz tijela (velika površina kontakta tijela s okolinom, prisilna ventilacija).

Toplinska energija koja se javlja u električnim žicama ograničava količinu struje koja je dopuštena u tim žicama. Najveća dopuštena temperatura vodiča određena je toplinskim otporom njegove izolacije. Zašto, kako bi se osigurao prijenos nekih specifičnih električna sila, trebali biste odabrati najmanju moguću vrijednost struje i sukladno tome visoku vrijednost napona. Pod ovim uvjetima, trošak materijala žice će se smanjiti. Stoga je ekonomski moguće prenositi električnu energiju velike snage pri visokim naponima.

Pretvorba toplinske energije u električnu energiju

Toplinska energija se pretvara izravno u električnu energiju u tzv termoelektrični pretvarači… Termopar termoelektričnog pretvarača sastoji se od dva metalna vodiča izrađena od različitih materijala (npr. bakar i konstantan) i zalemljena zajedno na jednom kraju.

Pri određenoj temperaturnoj razlici između spojne točke i druga dva kraja dviju žica, EMF, koja je u prvoj aproksimaciji izravno proporcionalna ovoj temperaturnoj razlici. Ovaj termo-EMF, jednak nekoliko milivolti, može se zabilježiti korištenjem vrlo osjetljivih voltmetara. Ako je voltmetar kalibriran u stupnjevima Celzijusa, tada se zajedno s termoelektričnim pretvaračem dobiveni uređaj može koristiti za izravno mjerenje temperature.

Snaga pretvorbe je mala, pa se takvi pretvarači praktički ne koriste kao izvori električne energije. Ovisno o materijalima koji se koriste za izradu termoelementa, on radi u različitim temperaturnim rasponima. Za usporedbu mogu se navesti neke karakteristike različitih termoparova: termoelement bakar-konstantan primjenjiv je do 600 ° C, EMF je približno 4 mV na 100 ° C; termoelement s konstantom željeza primjenjiv je do 800 °C, EMF je približno 5 mV na 100 °C.

Primjer praktične primjene pretvorbe toplinske energije u električnu — Termoelektrični generatori

Električna i svjetlosna energija

U smislu fizike, svjetlost je elektromagnetska radijacija, koji odgovara određenom dijelu spektra elektromagnetskih valova i koje ljudsko oko može percipirati. Spektar elektromagnetskih valova također uključuje radio valove, toplinu i X-zrake. pogledaj - Osnovne količine rasvjete i njihovi omjeri

Svjetlosno zračenje moguće je dobiti pomoću električne energije kao rezultat toplinskog zračenja i izbijanjem plinova.Toplinsko (temperaturno) zračenje nastaje kao posljedica zagrijavanja čvrstih ili tekućih tijela, koja uslijed zagrijavanja emitiraju elektromagnetske valove različitih valnih duljina. Raspodjela intenziteta toplinskog zračenja ovisi o temperaturi.

Kako temperatura raste, maksimalni intenzitet zračenja prelazi na elektromagnetske oscilacije s kraćom valnom duljinom. Na temperaturi od oko 6500 K, maksimalni intenzitet zračenja javlja se na valnoj duljini od 0,55 μm, tj. na valnoj duljini koja odgovara najvećoj osjetljivosti ljudskog oka. Za potrebe osvjetljenja, nijedno čvrsto tijelo se ne može zagrijati na takvu temperaturu, naravno.

Volfram podnosi najviše temperature zagrijavanja. U vakuumskim staklenim bocama može se zagrijati na temperaturu od 2100°C, a na višim temperaturama počinje isparavati. Proces isparavanja može se usporiti dodavanjem nekih plinova (dušik, kripton), što omogućuje povećanje temperature zagrijavanja do 3000 °C.

Kako bi se smanjili gubici u žaruljama sa žarnom niti kao rezultat nastale konvekcije, žarna nit se izrađuje u obliku jednostruke ili dvostruke spirale. Unatoč tim mjerama, međutim svjetlosna učinkovitost žarulja sa žarnom niti je 20 lm / W, što je još dosta daleko od teoretski ostvarivog optimuma. Izvori toplinskog zračenja imaju vrlo nisku učinkovitost, jer se kod njih većina električne energije pretvara u toplinsku, a ne u svjetlosnu.

U izvorima svjetlosti s izbojem u plinu elektroni se sudaraju s atomima ili molekulama plina i time uzrokuju njihovo emitiranje elektromagnetskih valova određene valne duljine. Cijeli volumen plina uključen je u proces emitiranja elektromagnetskih valova i, općenito, linije spektra takvog zračenja ne leže uvijek u području vidljive svjetlosti. Trenutno se u rasvjeti najviše koriste LED izvori svjetlosti. pogledaj - Izbor izvora svjetlosti za industrijske prostore. 

Prijelaz svjetlosne energije u električnu energiju

Svjetlosna energija može se pretvoriti u električnu energiju, a taj je prijelaz moguć na dva različita načina s fizičke točke gledišta. Ova pretvorba energije može biti rezultat fotoelektričnog efekta (fotoelektrični efekt). Za ostvarenje fotoelektričnog efekta koriste se fototranzistori, fotodiode i fotootpornici.

Na sučelju između nekih poluvodiči (germanija, silicija i dr.) i metala nastaje granična zona u kojoj atomi dvaju materijala u dodiru izmjenjuju elektrone. Kada svjetlost padne na graničnu zonu, električna ravnoteža u njoj je poremećena, uslijed čega nastaje EMF, pod čijim djelovanjem nastaje električna struja u vanjskom zatvorenom krugu. EMF, a time i vrijednost struje ovisi o upadnom svjetlosnom toku i valnoj duljini zračenja.

Neki poluvodički materijali koriste se kao fotootpornici.Uslijed utjecaja svjetlosti na fotootpornik povećava se broj slobodnih nositelja električnih naboja u njemu, što uzrokuje promjenu njegovog električnog otpora.Uključite li fotootpornik u električni krug, struja u tom krugu ovisit će o na energije svjetlosti koja pada na fotootpornik .

Vidi također - Proces pretvaranja sunčeve energije u električnu

Kemijska i električna energija

Vodene otopine kiselina, baza i soli (elektroliti) provode više ili manje električne struje, što je zbog pojava električne disocijacije tvari… Neke od molekula otopljene tvari (veličina ovog dijela određuje stupanj disocijacije) prisutne su u otopini u obliku iona.

Ako u otopini postoje dvije elektrode na koje se dovodi razlika potencijala, tada će se ioni početi kretati, pri čemu će se pozitivno nabijeni ioni (kationi) kretati prema katodi, a negativno nabijeni ioni (anioni) prema anodi.

Dolazeći na odgovarajuću elektrodu, ioni dobivaju nedostajuće elektrone ili, obrnuto, odustaju od dodatnih i, kao rezultat, postaju električki neutralni. Masa materijala nataloženog na elektrodama izravno je proporcionalna prenesenom naboju (Faradayev zakon).

U graničnom području između elektrode i elektrolita, elastičnost otapanja metala i osmotski tlak suprotstavljeni su. (Osmotski tlak uzrokuje taloženje metalnih iona iz elektrolita na elektrode. Samo je ovaj kemijski proces odgovoran za razliku potencijala).

Pretvorba električne energije u kemijsku

Da bi se postiglo taloženje tvari na elektrodama kao rezultat kretanja iona, potrebno je utrošiti električnu energiju. Taj se proces naziva elektroliza. Ova pretvorba električne energije u kemijsku koristi se u elektrometalurgiji za dobivanje metala (bakar, aluminij, cink i dr.) u kemijski čistom obliku.

U galvanizaciji se aktivno oksidirajući metali prekrivaju pasivnim metalima (pozlata, kromiranje, niklanje itd.). Kod galvanizacije trodimenzionalni otisci (klišeji) izrađuju se od raznih tijela, a ako je takvo tijelo izrađeno od nevodljivog materijala, mora se prije izrade otiska prekriti elektrovodljivim slojem.

Pretvorba kemijske energije u električnu

Ako se dvije elektrode od različitih metala spuste u elektrolit, tada između njih nastaje razlika potencijala, zbog razlike u elastičnosti otapanja tih metala. Ako spojite prijemnik električne energije, na primjer, otpornik, između elektroda izvan elektrolita, tada će struja teći u rezultirajućem električnom krugu. Evo kako rade galvanske ćelije (primarni elementi).

Prvu bakar-cink galvansku ćeliju izumio je Volta. U tim se elementima kemijska energija pretvara u električnu. Rad galvanskih članaka može biti otežan pojavom polarizacije, koja nastaje kao posljedica taloženja tvari na elektrodama.

Svi galvanski članci imaju nedostatak što se u njima kemijska energija nepovratno pretvara u električnu, odnosno galvanski članci se ne mogu ponovno puniti. Oni su lišeni ovog nedostatka akumulatori.