Enerģijas pārveide — elektriskā, termiskā, mehāniskā, gaismas
Enerģijas jēdziens tiek izmantots visās zinātnēs. Ir arī zināms, ka enerģijas ķermeņi var veikt darbu. Enerģijas nezūdamības likums nosaka, ka enerģija nepazūd un nevar tikt radīta no nekā, bet parādās dažādās formās (piemēram, siltuma, mehāniskās, gaismas, elektriskās enerģijas u.c. veidā).
Viena enerģijas forma var pāriet citā un tajā pašā laikā tiek novērotas precīzas dažādu enerģijas veidu kvantitatīvās attiecības. Vispārīgi runājot, pāreja no viena enerģijas veida uz citu nekad nav pilnīga, jo vienmēr ir citi (galvenokārt nevēlami) enerģijas veidi. Piemēram, elektromotorā ne visa elektriskā enerģija tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā, bet daļa tiek pārvērsta siltumenerģijā (vadu uzkarsēšana ar strāvām, karsēšana berzes spēku darbības rezultātā).
Viena enerģijas veida nepilnīgas pārejas fakts uz otru raksturo lietderības koeficientu (lietderības koeficientu).Šo koeficientu definē kā lietderīgās enerģijas attiecību pret tās kopējo daudzumu vai kā lietderīgās jaudas attiecību pret kopējo.
Elektroenerģija tā priekšrocība ir tā, ka to var pārraidīt salīdzinoši viegli un ar zemiem zudumiem lielos attālumos, un turklāt tam ir ārkārtīgi plašs pielietojumu klāsts. Elektroenerģijas sadali ir salīdzinoši viegli pārvaldīt, un to var uzglabāt un uzglabāt zināmos daudzumos.
Cilvēks darba dienas laikā patērē vidēji 1000 kJ jeb 0,3 kW enerģijas. Cilvēkam nepieciešami aptuveni 8000 kJ pārtikas veidā un 8000 kJ māju, ražošanas telpu apkurei, ēdiena gatavošanai utt. kcal jeb 60 kWh
Elektriskā un mehāniskā enerģija
Elektroenerģija tiek pārveidota mehāniskajā enerģijā elektromotoros un mazākā mērā elektromagnētos… Abos gadījumos saistītā ietekme ar elektromagnētisko lauku… Enerģijas zudumi, tas ir, tā enerģijas daļa, kas netiek pārveidota vēlamajā formā, galvenokārt sastāv no enerģijas izmaksām vadu sildīšanai no strāvas un berzes zudumiem.
Lielo elektromotoru efektivitāte ir virs 90%, savukārt mazo elektromotoru efektivitāte ir nedaudz zemāka par šo līmeni. Ja, piemēram, elektromotora jauda ir 15 kW un efektivitāte vienāda ar 90%, tad tā mehāniskā (lietderīgā) jauda ir 13,5 kW. Ja elektromotora mehāniskajai jaudai jābūt vienādai ar 15 kW, tad pie tādas pašas lietderības vērtības patērētā elektriskā jauda ir 16,67 kWh.
Elektriskās enerģijas pārvēršanas process mehāniskajā enerģijā ir atgriezenisks, t.i., mehānisko enerģiju var pārvērst elektroenerģijā (sk. Enerģijas pārveidošanas process elektriskajās mašīnās). Šim nolūkam tos galvenokārt izmanto ģeneratorikas pēc konstrukcijas ir līdzīgi elektromotoriem un tos var darbināt ar tvaika turbīnām vai hidrauliskām turbīnām. Šiem ģeneratoriem ir arī enerģijas zudumi.
Elektriskā un siltumenerģija
Ja vads plūst elektrība, tad elektroni savā kustībā saduras ar vadītāja materiāla atomiem un izraisa tos intensīvākā termiskā kustībā. Šajā gadījumā elektroni zaudē daļu savas enerģijas. Iegūtā siltumenerģija, no vienas puses, izraisa, piemēram, elektrisko mašīnu tinumu detaļu un vadu temperatūras paaugstināšanos un, no otras puses, vides temperatūras paaugstināšanos. Jānošķir lietderīgā siltumenerģija un siltuma zudumi.
Elektriskās apkures ierīcēs (elektriskajos katlos, gludekļos, apkures krāsnīs u.c.) vēlams censties nodrošināt, lai elektroenerģija pēc iespējas pilnīgāk tiktu pārvērsta siltumenerģijā. Tas tā nav, piemēram, attiecībā uz elektropārvades līnijām vai elektromotoriem, kur saražotā siltumenerģija ir nevēlama blakusparādība, un tāpēc bieži vien tā ir jānoņem.
Sekojošās ķermeņa temperatūras paaugstināšanās rezultātā siltumenerģija tiek pārnesta uz vidi. Siltumenerģijas pārneses process notiek formā siltuma vadīšana, konvekcija un siltuma starojums… Vairumā gadījumu ir ļoti grūti precīzi kvantitatīvi novērtēt kopējo izdalītās siltumenerģijas daudzumu.
Ja ķermenis ir jāuzsilda, tā galīgās temperatūras vērtībai jābūt ievērojami augstākai par nepieciešamo sildīšanas temperatūru. Tas ir nepieciešams, lai pēc iespējas mazāk siltumenerģijas nodotu videi.
Ja, gluži pretēji, ķermeņa temperatūras sildīšana ir nevēlama, tad sistēmas galīgās temperatūras vērtībai jābūt mazai. Šim nolūkam tiek radīti apstākļi, kas atvieglo siltumenerģijas izvadīšanu no organisma (liela ķermeņa saskares virsma ar vidi, piespiedu ventilācija).
Siltumenerģija, kas rodas elektriskajos vados, ierobežo šajos vados pieļaujamo strāvas daudzumu. Vadītāja maksimālo pieļaujamo temperatūru nosaka tā izolācijas termiskā pretestība. Kāpēc, lai nodrošinātu dažu konkrētu nodošanu elektriskais spēks, jāizvēlas zemākā iespējamā strāvas vērtība un attiecīgi augsta sprieguma vērtība. Šādos apstākļos stieples materiāla izmaksas tiks samazinātas. Tādējādi ir ekonomiski iespējams pārsūtīt lielas jaudas elektroenerģiju pie augsta sprieguma.
Siltumenerģijas pārvēršana elektroenerģijā
Siltumenerģija tiek tieši pārveidota elektroenerģijā ts termoelektriskie pārveidotāji… Termoelektriskā pārveidotāja termopāris sastāv no diviem metāla vadītājiem, kas izgatavoti no dažādiem materiāliem (piemēram, vara un konstantāna) un vienā galā pielodēti kopā.
Pie noteiktas temperatūras starpības starp savienojuma punktu un diviem pārējiem abu vadu galiem, EMF, kas pirmajā tuvinājumā ir tieši proporcionāls šai temperatūras starpībai. Šo termo-EMF, kas vienāds ar dažiem milivoltiem, var reģistrēt, izmantojot ļoti jutīgus voltmetrus. Ja voltmetrs ir kalibrēts Celsija grādos, tad kopā ar termoelektrisko pārveidotāju iegūto ierīci var izmantot tiešai temperatūras mērīšanai.
Pārveidošanas jauda ir maza, tāpēc šādi pārveidotāji praktiski netiek izmantoti kā elektroenerģijas avoti. Atkarībā no materiāliem, ko izmanto termopāra izgatavošanai, tas darbojas dažādos temperatūras diapazonos. Salīdzinājumam var norādīt dažus dažādu termopāru raksturlielumus: vara konstanta termopāri ir piemērojami līdz 600 ° C, EMF ir aptuveni 4 mV pie 100 ° C; dzelzs konstants termopāris ir lietojams līdz 800 °C, EMF ir aptuveni 5 mV pie 100 °C.
Siltumenerģijas pārvēršanas elektroenerģijā praktiskās izmantošanas piemērs — Termoelektriskie ģeneratori
Elektriskā un gaismas enerģija
Fizikas ziņā gaisma ir elektromagnētiskā radiācija, kas atbilst noteiktai elektromagnētisko viļņu spektra daļai un ko cilvēka acs spēj uztvert. Elektromagnētisko viļņu spektrs ietver arī radioviļņus, siltumu un rentgenstarus. Skaties - Apgaismojuma pamatapjomi un to attiecības
Gaismas starojumu iespējams iegūt, izmantojot elektrisko enerģiju termiskā starojuma rezultātā un gāzizlādes rezultātā.Siltuma (temperatūras) starojums rodas cietu vai šķidru ķermeņu sildīšanas rezultātā, kas karsēšanas dēļ izstaro dažāda viļņa garuma elektromagnētiskos viļņus. Termiskā starojuma intensitātes sadalījums ir atkarīgs no temperatūras.
Paaugstinoties temperatūrai, maksimālā starojuma intensitāte pāriet uz elektromagnētiskām svārstībām ar īsāku viļņa garumu. Apmēram 6500 K temperatūrā maksimālā starojuma intensitāte rodas pie 0,55 μm viļņa garuma, t.i. pie viļņa garuma, kas atbilst cilvēka acs maksimālajai jutībai. Apgaismojuma nolūkos, protams, nevienu cietu ķermeni nevar uzsildīt līdz šādai temperatūrai.
Volframs iztur augstāko sildīšanas temperatūru. Vakuuma stikla pudelēs to var uzkarsēt līdz 2100 ° C temperatūrai, un augstākā temperatūrā tas sāk iztvaikot. Iztvaikošanas procesu var palēnināt, pievienojot dažas gāzes (slāpeklis, kriptons), kas ļauj paaugstināt sildīšanas temperatūru līdz 3000 ° C.
Lai samazinātu kvēlspuldžu zudumus konvekcijas rezultātā, kvēldiegs tiek izgatavots vienas vai dubultās spirāles veidā. Tomēr, neskatoties uz šiem pasākumiem kvēlspuldžu gaismas efektivitāte ir 20 lm / W, kas joprojām ir diezgan tālu no teorētiski sasniedzamā optimuma. Siltuma starojuma avotiem ir ļoti zema efektivitāte, jo ar tiem lielākā daļa elektroenerģijas pārvēršas siltumenerģijā, nevis gaismā.
Gāzizlādes gaismas avotos elektroni saduras ar gāzes atomiem vai molekulām un tādējādi liek tiem izstarot noteikta viļņa garuma elektromagnētiskos viļņus. Viss gāzes tilpums ir iesaistīts elektromagnētisko viļņu izstarošanas procesā, un kopumā šāda starojuma spektra līnijas ne vienmēr atrodas redzamās gaismas diapazonā. Šobrīd apgaismojumā visplašāk tiek izmantoti LED gaismas avoti. Skaties - Gaismas avotu izvēle rūpnieciskām telpām.
Gaismas enerģijas pāreja elektroenerģijā
Gaismas enerģiju var pārvērst elektriskajā enerģijā, un šī pāreja no fiziskā viedokļa ir iespējama divos dažādos veidos. Šī enerģijas pārveide var būt fotoelektriskā efekta (fotoelektriskā efekta) rezultāts. Lai realizētu fotoelektrisko efektu, tiek izmantoti fototranzistori, fotodiodes un fotorezistori.
Saskarnē starp dažiem pusvadītāji (germānija, silīcijs u.c.) un metāliem, veidojas robežzona, kurā abu saskarē esošo materiālu atomi apmainās ar elektroniem. Gaismai nokrītot uz robežzonu, tajā tiek izjaukts elektriskais līdzsvars, kā rezultātā rodas EML, kura iedarbībā ārējā slēgtā ķēdē rodas elektriskā strāva. EMF un līdz ar to arī strāvas vērtība ir atkarīga no krītošās gaismas plūsmas un starojuma viļņa garuma.
Daži pusvadītāju materiāli tiek izmantoti kā fotorezistori.Gaismas ietekmes rezultātā uz fotorezistoru tajā palielinās brīvo elektrisko lādiņu nesēju skaits, kas izraisa tā elektriskās pretestības izmaiņas.Ja elektriskajā ķēdē iekļausiet fotorezistoru, tad šajā ķēdē būs atkarīga strāva. uz fotorezistoru krītošās gaismas enerģijām .
Skatīt arī - Saules enerģijas pārvēršanas elektrībā process
Ķīmiskā un elektriskā enerģija
Skābju, bāzu un sāļu (elektrolītu) ūdens šķīdumi vada vairāk vai mazāk elektrisko strāvu, ko izraisa vielu elektriskās disociācijas fenomens… Dažas izšķīdušās vielas molekulas (šīs daļas izmērs nosaka disociācijas pakāpi) atrodas šķīdumā jonu veidā.
Ja šķīdumā ir divi elektrodi, kuriem tiek pielietota potenciālu starpība, tad joni sāks kustēties, pozitīvi lādētajiem joniem (katjoniem) virzoties uz katodu un negatīvi lādētiem joni (anjoniem) uz anodu.
Nonākuši pie atbilstošā elektroda, joni iegūst savus trūkstošos elektronus vai, tieši otrādi, atsakās no papildu un rezultātā kļūst elektriski neitrāli. Uz elektrodiem nogulsnētā materiāla masa ir tieši proporcionāla pārnestajam lādiņam (Faraday likums).
Robežzonā starp elektrodu un elektrolītu metālu šķīšanas elastība un osmotiskais spiediens ir pretrunā viens otram. (Osmotiskais spiediens izraisa metālu jonu nogulsnēšanos no elektrolītiem uz elektrodiem. Šis ķīmiskais process vien ir atbildīgs par potenciālu starpību).
Elektriskās enerģijas pārvēršana ķīmiskajā enerģijā
Lai panāktu vielas nogulsnēšanos uz elektrodiem jonu kustības rezultātā, nepieciešams tērēt elektroenerģiju. Šo procesu sauc par elektrolīzi. Šo elektriskās enerģijas pārvēršanu ķīmiskajā enerģijā izmanto elektrometalurģijā, lai iegūtu metālus (varu, alumīniju, cinku utt.) ķīmiski tīrā veidā.
Galvanizēšanā aktīvi oksidējošie metāli tiek pārklāti ar pasīviem metāliem (zeltīšana, hromēšana, niķelēšana utt.). Elektroformēšanā trīsdimensiju nospiedumus (klišejas) veido no dažādiem ķermeņiem, un, ja šāds korpuss ir izgatavots no nevadoša materiāla, pirms nospieduma veidošanas tas jāpārklāj ar elektriski vadošu slāni.
Ķīmiskās enerģijas pārvēršana elektroenerģijā
Ja elektrolītā tiek nolaisti divi elektrodi, kas izgatavoti no dažādiem metāliem, tad starp tiem rodas potenciāla atšķirība šo metālu šķīdināšanas elastības atšķirības dēļ. Ja starp elektrodiem ārpus elektrolīta pievienojat elektriskās enerģijas uztvērēju, piemēram, rezistoru, tad iegūtajā elektriskajā ķēdē plūst strāva. Lūk, kā viņi strādā galvaniskās šūnas (primārie elementi).
Pirmo vara-cinka galvanisko elementu izgudroja Volta. Šajos elementos ķīmiskā enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju. Galvanisko elementu darbību var kavēt polarizācijas parādība, kas rodas vielas nogulsnēšanās rezultātā uz elektrodiem.
Visām galvaniskajām šūnām ir tāds trūkums, ka ķīmiskā enerģija tajos neatgriezeniski pārvēršas elektriskajā enerģijā, tas ir, galvaniskās šūnas nevar uzlādēt. Viņiem nav šī trūkuma akumulatori.