המרת אנרגיה - חשמלית, תרמית, מכנית, קלה

מושג האנרגיה משמש בכל המדעים. ידוע גם שגופי אנרגיה יכולים לעשות עבודה. חוק שימור האנרגיה קובע כי אנרגיה אינה נעלמת ואינה יכולה להיווצר יש מאין, אלא מופיעה בצורותיה השונות (למשל בצורת אנרגיה תרמית, מכנית, אור, אנרגיה חשמלית וכו').

צורה אחת של אנרגיה יכולה לעבור לאחרת ובמקביל נצפים יחסים כמותיים מדויקים של סוגי אנרגיה שונים. באופן כללי, המעבר מצורת אנרגיה אחת לאחרת לעולם אינו מושלם, מכיוון שתמיד יש סוגי אנרגיה אחרים (בעיקר לא רצויים). לדוגמה, במנוע החשמלי לא כל האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה מכנית, אלא חלק ממנה מומרת לאנרגיה תרמית (חימום חוטים על ידי זרמים, חימום כתוצאה מפעולת כוחות חיכוך).

העובדה של מעבר לא שלם של סוג אנרגיה אחד לאחר מאפיינת את מקדם היעילות (היעילות).מקדם זה מוגדר כיחס בין האנרגיה השימושית לכמותה הכוללת או כיחס בין ההספק השימושי לסך הכל.

אנרגיה חשמלית יש לו את היתרון שהוא יכול להיות משודר בקלות יחסית ובהפסד נמוך למרחקים ארוכים ובנוסף יש לו מגוון רחב ביותר של יישומים. חלוקת האנרגיה החשמלית קלה יחסית לניהול וניתן לאחסן ולאחסן אותה בכמויות ידועות.

במהלך יום עבודה, אדם משתמש בממוצע של 1000 קילוואט או 0.3 קילוואט של אנרגיה. אדם צריך כ-8000 קילו-ג'יי בצורת מזון ו-8000 קילו-ג'יי לחימום בתים, מבנים תעשייתיים, בישול וכו'. קק"ל, או 60 קוט"ש

אנרגיה חשמלית ומכנית

אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגיה מכנית במנועים חשמליים ובמידה פחותה באלקטרומגנטים... בשני המקרים ההשפעות הנלוות עם שדה אלקטרומגנטי... הפסדי אנרגיה, כלומר אותו חלק מהאנרגיה שלא הופך לצורה הרצויה, מורכב בעיקר מעלויות אנרגיה לחימום חוטי זרימה והפסדי חיכוך.

למנועים חשמליים גדולים יש נצילות מעל 90%, בעוד למנועים חשמליים קטנים יש נצילות מעט מתחת לרמה זו. אם, למשל, למנוע החשמלי הספק של 15 קילוואט ויעילות השווה ל-90%, אז ההספק המכני (השימושי) שלו הוא 13.5 קילוואט. אם ההספק המכני של המנוע החשמלי צריך להיות שווה ל-15 קילוואט, אז ההספק החשמלי הנצרך באותו ערך יעילות הוא 16.67 קילוואט.

תהליך המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית הוא הפיך, כלומר ניתן להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית (ראה - תהליך המרת אנרגיה במכונות חשמליות). למטרה זו הם משמשים בעיקר גנרטוריםאשר דומים בעיצובם למנועים חשמליים וניתן להניע אותם על ידי טורבינות קיטור או טורבינות הידראוליות. לגנרטורים אלה יש גם הפסדי אנרגיה.

אנרגיה חשמלית ותרמית

אם החוט זורם חַשְׁמַל, אז האלקטרונים בתנועתם מתנגשים באטומים של החומר של המוליך וגורמים להם לתנועה תרמית אינטנסיבית יותר. במקרה זה, האלקטרונים מאבדים חלק מהאנרגיה שלהם. האנרגיה התרמית המתקבלת, מצד אחד, מביאה למשל לעלייה בטמפרטורת החלקים והחוטים של הפיתולים במכונות חשמליות, ומצד שני לעלייה בטמפרטורת הסביבה. יש להבחין בין אנרגיית חום שימושית לבין הפסדי חום.

במכשירי חימום חשמליים (דודי חשמל, מגהצים, תנורי חימום וכדומה) רצוי לשאוף לכך שהאנרגיה החשמלית תהפוך בצורה מלאה ככל האפשר לאנרגיה תרמית. זה לא המקרה, למשל, במקרה של קווי מתח או מנועים חשמליים, שבהם אנרגיית החום שנוצרת היא תופעת לוואי לא רצויה ולכן לעתים קרובות יש לנקוט כדי להסירה.

כתוצאה מהעלייה שלאחר מכן בטמפרטורת הגוף, אנרגיה תרמית מועברת לסביבה. תהליך העברת אנרגיית החום מתרחש בצורה הולכת חום, הסעה וקרינת חום... ברוב המקרים קשה מאוד לתת אומדן כמותי מדויק של הכמות הכוללת של אנרגיית החום המשתחררת.

אם יש לחמם גוף, ערך הטמפרטורה הסופית שלו חייב להיות גבוה משמעותית מטמפרטורת החימום הנדרשת. זה הכרחי על מנת להעביר כמה שפחות אנרגיית חום לסביבה.

אם, להיפך, חימום טמפרטורת הגוף אינו רצוי, אז הערך של הטמפרטורה הסופית של המערכת צריך להיות קטן. לשם כך נוצרים תנאים המקלים על סילוק אנרגיית החום מהגוף (משטח גדול של מגע של הגוף עם הסביבה, אוורור מאולץ).

האנרגיה התרמית המופיעה בחוטי חשמל מגבילה את כמות הזרם המותרת בחוטים אלה. הטמפרטורה המקסימלית המותרת של המוליך נקבעת על ידי ההתנגדות התרמית של הבידוד שלו. למה, כדי להבטיח העברה של כמה ספציפי כוח חשמלי, עליך לבחור את ערך הזרם הנמוך ביותר האפשרי ובהתאם את ערך המתח הגבוה. בתנאים אלה, עלות חומר החוט תופחת. לפיכך, ניתן כלכלית להעביר אנרגיה חשמלית בהספק גבוה במתחים גבוהים.

המרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית

אנרגיה תרמית מומרת ישירות לאנרגיה חשמלית במה שנקרא ממירים תרמו-אלקטריים... הצמד התרמי של ממיר תרמואלקטרי מורכב משני מוליכים מתכתיים העשויים מחומרים שונים (למשל נחושת וקונסטנטן) ומולחמים יחד בקצה אחד.

בהפרש טמפרטורה מסוים בין נקודת החיבור לשני הקצוות האחרים של שני החוטים, EMF, שבקירוב הראשון עומד ביחס ישר להפרש הטמפרטורה הזה. תרמו-EMF זה, השווה לכמה מילי-וולט, ניתן להקליט באמצעות מדי וולט רגישים במיוחד. אם מד המתח מכויל במעלות צלזיוס, אז יחד עם הממיר התרמו-אלקטרי ניתן להשתמש במכשיר המתקבל למדידת טמפרטורה ישירה.

כוח ההמרה נמוך, כך שממירים כאלה כמעט ולא משמשים כמקורות אנרגיה חשמלית. בהתאם לחומרים המשמשים לייצור הצמד התרמי, הוא פועל בטווחי טמפרטורות שונים. לשם השוואה, ניתן לציין כמה מאפיינים של צמדים תרמיים שונים: צמד תרמי נחושת-קונסטנטן ישים עד 600 מעלות צלזיוס, ה-EMF הוא כ-4 mV ב-100 מעלות צלזיוס; צמד תרמי קבוע ברזל ישים עד 800 מעלות צלזיוס, ה-EMF הוא כ-5 mV ב-100 מעלות צלזיוס.

דוגמה לשימוש מעשי בהמרה של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית - גנרטורים תרמיים

אנרגיית חשמל ואור

במונחים של פיזיקה, האור הוא קרינה אלקטרומגנטית, התואם לחלק מסוים בספקטרום הגלים האלקטרומגנטיים ואשר העין האנושית יכולה לקלוט. ספקטרום הגלים האלקטרומגנטיים כולל גם גלי רדיו, חום וקרני רנטגן. תראה - כמויות תאורה בסיסיות ויחסיהן

ניתן לקבל קרינת אור באמצעות אנרגיה חשמלית כתוצאה מקרינה תרמית ועל ידי פריקת גז.קרינה תרמית (טמפרטורה) מתרחשת כתוצאה מחימום של גופים מוצקים או נוזליים, אשר עקב החימום פולטים גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל שונים. התפלגות עוצמת הקרינה התרמית תלויה בטמפרטורה.

ככל שהטמפרטורה עולה, עוצמת הקרינה המרבית עוברת לתנודות אלקטרומגנטיות עם אורך גל קצר יותר. בטמפרטורה של כ-6500 K, עוצמת הקרינה המרבית מתרחשת באורך גל של 0.55 מיקרומטר, כלומר. באורך הגל התואם את הרגישות המרבית של העין האנושית. לצרכי תאורה, לא ניתן לחמם גוף מוצק לטמפרטורה כזו, כמובן.

טונגסטן עמיד בטמפרטורת החימום הגבוהה ביותר. בבקבוקי זכוכית ואקום ניתן לחמם אותו לטמפרטורה של 2100 מעלות צלזיוס, ובטמפרטורות גבוהות יותר הוא מתחיל להתאדות. ניתן להאט את תהליך האידוי על ידי הוספת כמה גזים (חנקן, קריפטון), מה שמאפשר להעלות את טמפרטורת החימום ל-3000 מעלות צלזיוס.

על מנת להפחית את ההפסדים במנורות ליבון כתוצאה מההסעה המתקבלת, החוט עשוי בצורה של ספירלה אחת או כפולה. עם זאת, למרות הצעדים הללו יעילות האור של מנורות ליבון היא 20 lm / W, שעדיין די רחוק מהאופטימום שניתן להשיג תיאורטית. מקורות קרינה תרמית הם בעלי יעילות נמוכה מאוד, מכיוון שאיתם מומרת רוב האנרגיה החשמלית לאנרגיית חום ולא לאור.

במקורות אור של פריקת גז, אלקטרונים מתנגשים באטומי גז או מולקולות ובכך גורמים להם לפלוט גלים אלקטרומגנטיים באורך גל מסוים. כל נפח הגז מעורב בתהליך של פליטת גלים אלקטרומגנטיים, ובאופן כללי, קווי הספקטרום של קרינה כזו לא תמיד נמצאים בטווח האור הנראה. נכון לעכשיו, מקורות אור LED הם הנפוצים ביותר בתאורה. תראה - הבחירה של מקורות אור עבור הנחות תעשייתיות. 

מעבר של אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית

ניתן להמיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית והמעבר הזה אפשרי בשתי דרכים שונות מנקודת מבט פיזית. המרת אנרגיה זו יכולה להיות תוצאה של האפקט הפוטואלקטרי (אפקט פוטואלקטרי). כדי לממש את האפקט הפוטואלקטרי, נעשה שימוש בפוטוטרנזיסטורים, פוטודיודות ופוטו-נגדים.

בממשק בין כמה מוליכים למחצה (גרמניום, סיליקון וכו') ומתכות, נוצר אזור גבול שבו האטומים של שני החומרים המתקשרים מחליפים אלקטרונים. כאשר אור נופל על אזור הגבול, שיווי המשקל החשמלי בו מופר, וכתוצאה מכך מתרחש EMF, שבפועלו נוצר זרם חשמלי במעגל סגור חיצוני. ה-EMF ולכן ערך הזרם תלוי בשטף האור הנכנס ובאורך הגל של הקרינה.

חלק מחומרים מוליכים למחצה משמשים כנגדי פוטו.כתוצאה מהשפעת האור על הפוטו-נגד, גדל מספר הנשאים החופשיים של מטענים חשמליים בו, מה שגורם לשינוי בהתנגדות החשמלית שלו.אם תכלול פוטו-נגד במעגל חשמלי, הזרם במעגל זה יהיה תלוי על האנרגיות של האור הנופל על הפוטו-נגד.

ראה גם - תהליך המרת אנרגיה סולארית לחשמל

אנרגיה כימית וחשמלית

תמיסות מימיות של חומצות, בסיסים ומלחים (אלקטרוליטים) מוליכות זרם חשמלי פחות או יותר, הנובע מכך תופעת הניתוק החשמלי של חומרים… חלק מהמולקולות המומסות (גודל החלק הזה קובע את מידת הניתוק) נמצאות בתמיסה בצורה של יונים.

אם יש בתמיסה שתי אלקטרודות שעליהן מופעל הפרש פוטנציאל, אז היונים יתחילו לנוע, כשהיונים הטעונים חיובית (קטיונים) נעים לכיוון הקתודה והיונים הטעונים שלילי (אניונים) לכיוון האנודה.

בהגיעם אל האלקטרודה המתאימה, היונים רוכשים את האלקטרונים החסרים שלהם או להיפך, מוותרים על הנוספים וכתוצאה מכך הופכים לנייטרליים חשמלית. מסת החומר המופקד על האלקטרודות עומדת ביחס ישר למטען המועבר (חוק פאראדיי).

באזור הגבול בין האלקטרודה והאלקטרוליט, גמישות הפירוק של המתכות והלחץ האוסמוטי מנוגדים זה לזה. (לחץ אוסמוטי גורם לשקיעה של יוני מתכת מאלקטרוליטים על האלקטרודות. תהליך כימי זה לבדו אחראי להפרש הפוטנציאלים).

המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית

על מנת להשיג שקיעת חומר על האלקטרודות כתוצאה מתנועת יונים, יש צורך להוציא אנרגיה חשמלית. תהליך זה נקרא אלקטרוליזה. המרה זו של אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית משמשת באלקטרו-מטלורגיה להשגת מתכות (נחושת, אלומיניום, אבץ וכו') בצורה טהורה מבחינה כימית.

בציפוי אלקטרוני, מתכות המחמצנות באופן פעיל מכוסות במתכות פסיביות (הזהבה, ציפוי כרום, ציפוי ניקל וכו'). באלקטרופורמינג, טביעות תלת מימדיות (קלישאות) עשויות מגופים שונים, ואם גוף כזה עשוי מחומר לא מוליך, יש לכסות אותו בשכבה מוליכה חשמלית לפני ביצוע הרושם.

המרת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית

אם מורידים לאלקטרוליט שתי אלקטרודות העשויות ממתכות שונות, אז נוצר הבדל פוטנציאל ביניהן, עקב השוני בגמישות הפירוק של מתכות אלו. אם אתה מחבר מקלט של אנרגיה חשמלית, למשל, נגד, בין האלקטרודות מחוץ לאלקטרוליט, אז זרם יזרום במעגל החשמלי שנוצר. הנה איך הם עובדים תאים גלווניים (אלמנטים ראשוניים).

התא הגלווני הראשון של נחושת-אבץ הומצא על ידי וולטה. ביסודות אלה, אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה חשמלית. פעולתם של תאים גלווניים יכולה להיות מעוכבת על ידי תופעת הקיטוב, המתרחשת כתוצאה מהשקעת חומר על האלקטרודות.

לכל התאים הגלווניים יש את החיסרון שאנרגיה כימית מומרת בהם באופן בלתי הפיך לאנרגיה חשמלית, כלומר, לא ניתן להטעין תאים גלווניים. הם נטולי החיסרון הזה מצברים.