Претворба енергије — електрична, термичка, механичка, светлосна

Концепт енергије се користи у свим наукама. Такође је познато да енергетска тела могу да врше рад. Закон одржања енергије наводи да енергија не нестаје и не може се створити ни из чега, већ се појављује у различитим облицима (на пример, у облику топлотне, механичке, светлосне, електричне енергије итд.).

Један облик енергије може да пређе у други и истовремено се уочавају прецизни квантитативни односи различитих врста енергије. Уопштено говорећи, прелазак са једног облика енергије на други никада није потпун, јер увек постоје други (углавном нежељени) типови енергије. На пример, у електромотору не претвара се сва електрична енергија у механичку, већ се део претвара у топлотну (загревање жица струјама, загревање као резултат деловања сила трења).

Чињеница непотпуног преласка једне врсте енергије на другу карактерише коефицијент ефикасности (ефикасности).Овај коефицијент се дефинише као однос корисне енергије према њеној укупној количини или као однос корисне снаге према укупној.

Електрична енергија има предност што се може преносити релативно лако и са малим губицима на велике удаљености и штавише има изузетно широк спектар примена. Дистрибуцијом електричне енергије је релативно лако управљати и може се складиштити и складиштити у познатим количинама.

Током радног дана човек у просеку потроши 1000 кЈ или 0,3 кВ енергије. Човеку је потребно око 8000 кЈ у виду хране и 8000 кЈ за грејање домова, индустријских просторија, кување итд. кцал, или 60 кВх

Електрична и механичка енергија

Електрична енергија се у електромоторима и то у мањој мери претвара у механичку у електромагнетима… У оба случаја повезани ефекти са електромагнетним пољем… Губици енергије, односно онај део енергије који се не трансформише у жељени облик, састоји се углавном од трошкова енергије за загревање жица од губитака струје и трења.

Велики електромотори имају ефикасност изнад 90%, док мали електромотори имају ефикасност нешто испод овог нивоа. Ако, на пример, електромотор има снагу од 15 кВ и ефикасност једнаку 90%, онда је његова механичка (корисна) снага 13,5 кВ. Ако механичка снага електромотора треба да буде једнака 15 кВ, онда је електрична снага која се троши при истој вредности ефикасности 16,67 кВх.

Процес претварања електричне енергије у механичку енергију је реверзибилан, односно механичка енергија се може претворити у електричну енергију (видети — Процес конверзије енергије у електричним машинама). У ту сврху се углавном користе генераторикоји су по конструкцији слични електромоторима и могу се покретати парним турбинама или хидрауличним турбинама. Ови генератори такође имају губитке енергије.

Електрична и топлотна енергија

Ако жица тече електрична енергија, онда се електрони у свом кретању сударају са атомима материјала проводника и изазивају њихово интензивније топлотно кретање. У овом случају, електрони губе део своје енергије. Настала топлотна енергија, с једне стране, доводи, на пример, до повећања температуре делова и жица намотаја у електричним машинама, а са друге стране до повећања температуре околине. Мора се направити разлика између корисне топлотне енергије и топлотних губитака.

У електричним грејним уређајима (електрични котлови, пегле, пећи за грејање итд.) препоручљиво је настојати да се електрична енергија што потпуније претвори у топлотну енергију. Ово није случај, на пример, у случају далековода или електромотора, где је произведена топлотна енергија нежељена нуспојава и стога се често мора предузети да се она уклони.

Као резултат накнадног повећања телесне температуре, топлотна енергија се преноси у околину. Процес преноса топлотне енергије одвија се у облику проводљивост топлоте, конвекција и топлотно зрачење… У већини случајева веома је тешко дати тачну квантитативну процену укупне количине ослобођене топлотне енергије.

Ако се тело загрева, вредност његове коначне температуре мора бити знатно већа од потребне температуре загревања. Ово је неопходно како би се што мање топлотне енергије пренело у околину.

Ако је, напротив, загревање телесне температуре непожељно, онда би вредност коначне температуре система требало да буде мала. У ту сврху се стварају услови који олакшавају уклањање топлотне енергије из тела (велика површина контакта тела са околином, принудна вентилација).

Топлотна енергија која се јавља у електричним жицама ограничава количину струје која је дозвољена у тим жицама. Максимална дозвољена температура проводника одређена је топлотним отпором његове изолације. Зашто, да би се обезбедио трансфер неке специфичне електрична сила, требало би да изаберете најнижу могућу вредност струје и сходно томе вредност високог напона. Под овим условима, цена жичаног материјала ће бити смањена. Дакле, економски је могуће преносити електричну енергију велике снаге на високим напонима.

Претварање топлотне енергије у електричну енергију

Топлотна енергија се директно претвара у електричну у тзв термоелектрични претварачи… Термопар термоелектричног претварача састоји се од два метална проводника направљена од различитих материјала (нпр. бакар и константан) и залемљена заједно на једном крају.

На одређеној температурној разлици између тачке прикључка и друга два краја две жице, ЕМФ, што је у првој апроксимацији директно пропорционално овој температурној разлици. Овај термо-ЕМФ, једнак неколико миливолти, може се снимити помоћу високо осетљивих волтметара. Ако је волтметар калибрисан у степенима Целзијуса, онда се заједно са термоелектричним претварачем добијени уређај може користити за директно мерење температуре.

Снага конверзије је мала, тако да се такви претварачи практично не користе као извори електричне енергије. У зависности од материјала који се користе за израду термоелемента, он ради у различитим температурним распонима. За поређење, могу се навести неке карактеристике различитих термопарова: бакар-константан термопар је применљив до 600 ° Ц, ЕМФ је приближно 4 мВ на 100 ° Ц; термопар са константним гвожђем је применљив до 800 °Ц, ЕМФ је приближно 5 мВ на 100 °Ц.

Пример практичне употребе претварања топлотне енергије у електричну енергију — Термоелектрични генератори

Електрична и светлосна енергија

У смислу физике, светлост јесте електромагнетно зрачење, што одговара одређеном делу спектра електромагнетних таласа и које људско око може да уочи. Спектар електромагнетних таласа такође укључује радио таласе, топлоту и рендгенске зраке. Погледај - Основне количине осветљења и њихови односи

Могуће је добити светлосно зрачење коришћењем електричне енергије као резултат топлотног зрачења и гасног пражњења.Топлотно (температурно) зрачење настаје као резултат загревања чврстих или течних тела, која услед загревања емитују електромагнетне таласе различитих таласних дужина. Расподела интензитета топлотног зрачења зависи од температуре.

Како температура расте, максимални интензитет зрачења се помера у електромагнетне осцилације краће таласне дужине. На температури од око 6500 К, максимални интензитет зрачења се јавља на таласној дужини од 0,55 μм, тј. на таласној дужини која одговара максималној осетљивости људског ока. Наравно, за потребе осветљења ниједно чврсто тело се не може загрејати на такву температуру.

Волфрам издржава највишу температуру загревања. У вакуум стакленим боцама може да се загреје на температуру од 2100°Ц, а на вишим температурама почиње да испарава. Процес испаравања се може успорити додавањем неких гасова (азот, криптон), што омогућава повећање температуре загревања на 3000 ° Ц.

Да би се смањили губици у лампама са жарном нити као резултат настале конвекције, филамент је направљен у облику једноструке или двоструке спирале. Међутим, упркос овим мерама светлосна ефикасност сијалица са жарном нити је 20 лм / В, што је још увек прилично далеко од теоријски остваривог оптимума. Извори топлотног зрачења имају веома ниску ефикасност, јер се код њих већина електричне енергије претвара у топлотну, а не у светлосну.

У изворима светлости са пражњењем у гасу, електрони се сударају са атомима или молекулима гаса и на тај начин узрокују да емитују електромагнетне таласе одређене таласне дужине. Целокупна запремина гаса је укључена у процес емитовања електромагнетних таласа и, уопште, линије спектра таквог зрачења не леже увек у опсегу видљиве светлости. Тренутно се у осветљењу највише користе ЛЕД извори светлости. Погледај - Избор извора светлости за индустријске просторије. 

Прелазак светлосне енергије у електричну енергију

Светлосна енергија се може претворити у електричну енергију и овај прелаз је могућ на два различита начина са физичке тачке гледишта. Ова конверзија енергије може бити резултат фотоелектричног ефекта (фотоелектрични ефекат). За реализацију фотоелектричног ефекта користе се фототранзистори, фотодиоде и фотоотпорници.

На интерфејсу између неких полупроводници (германијум, силицијум итд.) и метала, формира се гранична зона у којој атоми два контактна материјала размењују електроне. Када светлост падне на граничну зону, електрична равнотежа у њој се нарушава, услед чега настаје ЕМФ, под чијом дејством настаје електрична струја у спољашњем затвореном колу. ЕМФ, а самим тим и вредност струје зависе од упадног светлосног флукса и таласне дужине зрачења.

Неки полупроводнички материјали се користе као фотоотпорници.Као резултат утицаја светлости на фотоотпорник, повећава се број слободних носилаца електричних наелектрисања у њему, што изазива промену његовог електричног отпора.Ако у електрично коло укључите фотоотпорник, струја у овом колу ће зависити о енергијама светлости која пада на фотоотпорник .

Такође видети - Процес претварања сунчеве енергије у електричну

Хемијска и електрична енергија

Водени раствори киселина, база и соли (електролита) проводе више или мање електричне струје, што је због феномен електричне дисоцијације супстанци… Неки од молекула растворене супстанце (величина овог дела одређује степен дисоцијације) су присутни у раствору у облику јона.

Ако се у раствору налазе две електроде на које се примењује разлика потенцијала, тада ће јони почети да се крећу, при чему се позитивно наелектрисани јони (катјони) крећу ка катоди, а негативно наелектрисани јони (ањони) ка аноди.

Долазећи до одговарајуће електроде, јони добијају недостајуће електроне или, обрнуто, одустају од додатних и, као резултат, постају електрично неутрални. Маса материјала депонованог на електродама је директно пропорционална пренесеном наелектрисању (Фарадејев закон).

У граничној зони између електроде и електролита, еластичност растварања метала и осмотски притисак се супротстављају. (Осмотски притисак изазива таложење металних јона из електролита на електроде. Овај хемијски процес је сам одговоран за разлику потенцијала).

Претварање електричне енергије у хемијску енергију

Да би се постигло таложење супстанце на електродама као резултат кретања јона, потребно је трошити електричну енергију. Овај процес се назива електролиза. Ово претварање електричне енергије у хемијску се користи у електрометалургији за добијање метала (бакар, алуминијум, цинк, итд.) у хемијски чистом облику.

У галванизацији, активно оксидирајући метали су прекривени пасивним металима (позлата, хромирање, никловање итд.). У електроформирању се тродимензионални отисци (клишеи) израђују од разних тела, а ако је такво тело направљено од непроводног материјала, пре израде отиска мора бити прекривено електропроводљивим слојем.

Претварање хемијске енергије у електричну енергију

Ако се две електроде направљене од различитих метала спусте у електролит, онда између њих настаје разлика потенцијала, због разлике у еластичности растварања ових метала. Ако спојите пријемник електричне енергије, на пример, отпорник, између електрода изван електролита, тада ће струја тећи у резултујућем електричном колу. Ево како они раде галванске ћелије (примарни елементи).

Прву бакарно-цинк галванску ћелију измислио је Волта. У овим елементима хемијска енергија се претвара у електричну енергију. Рад галванских ћелија може ометати феномен поларизације, који настаје као резултат таложења супстанце на електродама.

Све галванске ћелије имају недостатак што се у њима хемијска енергија неповратно претвара у електричну, односно галванске ћелије се не могу допунити. Они су лишени овог недостатка акумулатори.