Enerji dönüşümü — elektrik, termal, mekanik, hafif

Enerji kavramı tüm bilimlerde kullanılmaktadır. Enerji bedenlerinin iş yapabildikleri de bilinmektedir. Enerji korunumu yasası enerjinin yok olmadığını ve yoktan var edilemeyeceğini, çeşitli şekillerde (örneğin ısıl, mekanik, ışık, elektrik enerjisi vb. şeklinde) ortaya çıktığını belirtir.

Bir enerji türü diğerine geçebilir ve aynı zamanda farklı enerji türlerinin kesin nicel oranları gözlemlenir. Genel olarak konuşursak, her zaman başka (çoğunlukla istenmeyen) enerji türleri olduğundan, bir enerji biçiminden diğerine geçiş asla tamamlanmaz. Örneğin, elektrik motorunda elektrik enerjisinin tamamı mekanik enerjiye dönüştürülmez, ancak bir kısmı termal enerjiye dönüştürülür (tellerin akımlarla ısınması, sürtünme kuvvetlerinin etkisiyle ısınma).

Bir tür enerjinin diğerine eksik geçişi, verimlilik katsayısını (verimlilik) karakterize eder.Bu katsayı, faydalı enerjinin toplam miktarına oranı veya faydalı gücün toplama oranı olarak tanımlanır.

Elektrik enerjisi nispeten kolay ve uzun mesafelerde düşük kayıpla iletilebilmesi avantajına sahiptir ve ayrıca son derece geniş bir uygulama alanına sahiptir. Elektrik enerjisinin dağıtımının yönetimi nispeten kolaydır ve bilinen miktarlarda depolanabilir ve depolanabilir.

Bir iş günü boyunca, bir kişi ortalama 1000 kJ veya 0,3 kW enerji kullanır. Bir kişinin yiyecek olarak yaklaşık 8000 kJ'ye ve evleri, endüstriyel binaları, yemek pişirmeyi vb. ısıtmak için 8000 kJ'ye ihtiyacı vardır. kcal veya 60 kWh

Elektrik ve mekanik enerji

Elektrik enerjisi, elektrik motorlarında ve daha az oranda mekanik enerjiye dönüştürülür. elektromıknatıslarda… Her iki durumda da ilişkili etkiler elektromanyetik alan ile... Enerji kayıpları, yani enerjinin istenilen forma dönüştürülmeyen kısmı, esas olarak akım ve sürtünme kayıplarından ısıtma telleri için enerji maliyetlerinden oluşur.

Büyük elektrik motorları %90'ın üzerinde bir verime sahipken, küçük elektrik motorları bu seviyenin biraz altında bir verime sahiptir. Örneğin elektrik motorunun gücü 15 kW ve verimi %90 ise mekanik (faydalı) gücü 13,5 kW'dır. Elektrik motorunun mekanik gücünün 15 kw olması istenirse aynı verim değerinde tüketilen elektrik gücü 16,67 kwh olur.

Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürme işlemi tersine çevrilebilir, yani mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülebilir (bkz. Elektrik makinelerinde enerji dönüştürme işlemi). Bu amaçla esas olarak kullanılırlar jeneratörlertasarım olarak elektrik motorlarına benzer ve buhar türbinleri veya hidrolik türbinler tarafından çalıştırılabilir. Bu jeneratörlerin de enerji kayıpları vardır.

Elektrik ve termal enerji

Eğer tel akıyorsa elektrik, daha sonra hareket halindeki elektronlar iletken malzemesinin atomları ile çarpışır ve daha yoğun bir termal harekete neden olur. Bu durumda elektronlar enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Ortaya çıkan termal enerji, örneğin elektrik makinelerinde sargıların parçalarının ve tellerinin sıcaklığının artmasına, diğer yandan ortam sıcaklığının artmasına neden olur. Yararlı ısı enerjisi ile ısı kayıpları arasında bir ayrım yapılmalıdır.

Elektrikli ısıtma cihazlarında (elektrikli kazanlar, ütüler, sobalar vb.), elektrik enerjisinin mümkün olduğunca tamamen termal enerjiye dönüştürülmesini sağlamak için çaba gösterilmesi tavsiye edilir. Bu, örneğin, üretilen ısı enerjisinin istenmeyen bir yan etki olduğu ve bu nedenle genellikle ortadan kaldırmak için alınması gereken elektrik hatları veya elektrik motorları durumunda geçerli değildir.

Vücut sıcaklığındaki müteakip artışın bir sonucu olarak, termal enerji çevreye aktarılır. Isı enerjisi transferi süreci formda gerçekleşir. ısı iletimi, konveksiyon ve ısı radyasyonu… Çoğu durumda, salınan toplam ısı enerjisi miktarının doğru bir nicel tahminini vermek çok zordur.

Bir cisim ısıtılacaksa, nihai sıcaklığının değeri, gerekli ısıtma sıcaklığından önemli ölçüde yüksek olmalıdır. Bu, çevreye mümkün olduğunca az ısı enerjisi iletmek için gereklidir.

Aksine, vücut sıcaklığının ısıtılması istenmiyorsa, sistemin son sıcaklığının değeri küçük olmalıdır. Bu amaçla, ısı enerjisinin vücuttan atılmasını kolaylaştıran koşullar yaratılır (vücudun çevre ile geniş temas yüzeyi, cebri havalandırma).

Elektrik tellerinde meydana gelen termal enerji, bu tellerde izin verilen akım miktarını sınırlar. İletkenin izin verilen maksimum sıcaklığı, yalıtımının ısıl direnci ile belirlenir. Neden, bazı özel transfer sağlamak için Elektrik gücü, mümkün olan en düşük akım değerini ve buna bağlı olarak yüksek voltaj değerini seçmelisiniz. Bu şartlar altında tel malzemesinin maliyeti düşecektir. Böylece yüksek güçlü elektrik enerjisinin yüksek gerilimlerde iletilmesi ekonomik olarak mümkün olmaktadır.

Termal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi

Termal enerji sözde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülür. termoelektrik dönüştürücüler… Bir termoelektrik dönüştürücünün termokupl, farklı malzemelerden (örneğin bakır ve konstantan) yapılmış ve bir ucunda birbirine lehimlenmiş iki metal iletkenden oluşur.

İki telin bağlantı noktası ile diğer iki ucu arasında belirli bir sıcaklık farkı olduğunda, EMF, ilk yaklaşımda bu sıcaklık farkıyla doğru orantılıdır. Birkaç milivolta eşit olan bu termo-EMF, oldukça hassas voltmetreler kullanılarak kaydedilebilir. Voltmetre Santigrat derece olarak kalibre edilirse, termoelektrik dönüştürücü ile birlikte elde edilen cihaz doğrudan sıcaklık ölçümü için kullanılabilir.

Dönüşüm gücü düşüktür, bu nedenle bu tür dönüştürücüler pratikte elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılmazlar. Termokupl yapımında kullanılan malzemelere bağlı olarak farklı sıcaklık aralıklarında çalışır. Karşılaştırma için, farklı termokuplların bazı özellikleri belirtilebilir: bakır-konstantan termokupl 600 ° C'ye kadar uygulanabilir, EMF 100 ° C'de yaklaşık 4 mV'dir; demir-sabit bir termokupl 800 °C'ye kadar uygulanabilir, EMF 100 °C'de yaklaşık 5 mV'dir.

Termal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinin pratik kullanımına bir örnek — Termoelektrik jeneratörler

Elektrik ve ışık enerjisi

Fizik açısından, ışık Elektromanyetik radyasyonelektromanyetik dalgaların spektrumunun belirli bir kısmına karşılık gelen ve insan gözünün algılayabildiği. Elektromanyetik dalgaların spektrumu ayrıca radyo dalgalarını, ısıyı ve X ışınlarını içerir. Bakmak - Temel aydınlatma miktarları ve oranları

Termal radyasyon sonucu elektrik enerjisi kullanılarak ve gaz deşarjı ile ışık radyasyonu elde etmek mümkündür.Termal (sıcaklık) radyasyon, ısınma nedeniyle farklı dalga boylarında elektromanyetik dalgalar yayan katı veya sıvı cisimlerin ısınmasının bir sonucu olarak oluşur. Termal radyasyon yoğunluğunun dağılımı sıcaklığa bağlıdır.

Sıcaklık arttıkça, maksimum radyasyon yoğunluğu daha kısa dalga boyuna sahip elektromanyetik salınımlara kayar. Yaklaşık 6500 K sıcaklıkta, maksimum radyasyon yoğunluğu 0,55 μm dalga boyunda, yani insan gözünün maksimum hassasiyetine karşılık gelen dalga boyunda. Aydınlatma amacıyla, hiçbir katı cisim bu kadar sıcaklığa ısıtılamaz elbette.

Tungsten en yüksek ısıtma sıcaklığına dayanır. Vakumlu cam şişelerde 2100 °C sıcaklığa kadar ısıtılabilir ve daha yüksek sıcaklıklarda buharlaşmaya başlar. Buharlaşma işlemi, ısıtma sıcaklığını 3000 ° C'ye çıkarmayı mümkün kılan bazı gazlar (azot, kripton) eklenerek yavaşlatılabilir.

Akkor lambalarda ortaya çıkan konveksiyon sonucu kayıpları azaltmak için filaman tek veya çift spiral şeklinde yapılır. Ancak bu önlemlere rağmen akkor lambaların ışık verimi 20 lm / W'dir, teorik olarak ulaşılabilir optimumdan hala oldukça uzak. Termal radyasyon kaynaklarının verimliliği çok düşüktür, çünkü onlarla elektrik enerjisinin çoğu ışığa değil ısı enerjisine dönüştürülür.

Gaz deşarjlı ışık kaynaklarında, elektronlar gaz atomları veya molekülleri ile çarpışır ve böylece belirli bir dalga boyunda elektromanyetik dalgalar yaymalarına neden olur. Gazın tüm hacmi, elektromanyetik dalgalar yayma sürecinde yer alır ve genel olarak, bu tür radyasyonun spektrum çizgileri her zaman görünür ışık aralığında bulunmaz. Günümüzde aydınlatmada en yaygın kullanılan LED ışık kaynaklarıdır. Bakmak - Endüstriyel tesisler için ışık kaynaklarının seçimi. 

Işık enerjisinin elektrik enerjisine geçişi

Işık enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilir ve bu geçiş fiziksel açıdan iki farklı şekilde mümkündür. Bu enerji dönüşümü, fotoelektrik etkinin (fotoelektrik etki) bir sonucu olabilir. Fotoelektrik etkiyi gerçekleştirmek için fototransistörler, fotodiyotlar ve fotodirençler kullanılır.

Bazıları arasındaki arayüzde yarı iletkenler (germanyum, silikon vb.) ve metallerde, temas eden iki malzemenin atomlarının elektron alışverişinde bulunduğu bir sınır bölgesi oluşur. Sınır bölgesine ışık düştüğünde, içindeki elektrik dengesi bozulur ve bunun sonucunda, etkisi altında harici bir kapalı devrede bir elektrik akımının ortaya çıktığı bir EMF oluşur. EMF ve dolayısıyla akımın değeri, gelen ışık akısına ve radyasyonun dalga boyuna bağlıdır.

Bazı yarı iletken malzemeler fotodirenç olarak kullanılır.Işığın fotodirenç üzerindeki etkisinin bir sonucu olarak, içindeki serbest elektrik yükü taşıyıcılarının sayısı artar, bu da elektrik direncinde bir değişikliğe neden olur.Bir elektrik devresine bir fotodirenç eklerseniz, bu devredeki akım buna bağlı olacaktır. fotodirenç üzerine düşen ışığın enerjileri.

Ayrıca bakınız - Güneş enerjisini elektriğe dönüştürme süreci

Kimyasal ve elektrik enerjisi

Asitlerin, bazların ve tuzların (elektrolitler) sulu çözeltileri az ya da çok elektrik akımı iletir, bunun nedeni maddelerin elektriksel ayrışması olgusu… Çözünen moleküllerin bir kısmı (bu parçanın boyutu ayrışma derecesini belirler) çözeltide iyon formunda bulunur.

Çözeltide potansiyel farkı uygulanan iki elektrot varsa, pozitif yüklü iyonlar (katyonlar) katoda doğru, negatif yüklü iyonlar (anyonlar) anoda doğru hareket ederek iyonlar hareket etmeye başlayacaktır.

Karşılık gelen elektroda gelen iyonlar, eksik elektronlarını alırlar veya tersine, ilave elektronları verirler ve sonuç olarak elektriksel olarak nötr hale gelirler. Elektrotlar üzerinde biriken malzemenin kütlesi, aktarılan yük ile doğru orantılıdır (Faraday yasası).

Elektrot ve elektrolit arasındaki sınır bölgesinde, metallerin çözünme esnekliği ve ozmotik basınç birbirine zıttır. (Osmotik basınç, elektrolitlerdeki metal iyonlarının elektrotlar üzerinde birikmesine neden olur. Potansiyel farktan tek başına bu kimyasal süreç sorumludur).

Elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesi

İyonların hareketi sonucunda elektrotlar üzerinde bir maddenin çökelmesini sağlamak için elektrik enerjisi harcamak gerekir. Bu işleme elektroliz denir. Elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesi, elektrometalürjide metalleri (bakır, alüminyum, çinko vb.) kimyasal olarak saf bir biçimde elde etmek için kullanılır.

Galvanik kaplamada aktif oksitleyici metaller pasif metallerle kaplanır (yaldız, krom kaplama, nikel kaplama vb.). Elektroformda, çeşitli gövdelerin üç boyutlu izlenimleri (klişeler) yapılır ve böyle bir gövde iletken olmayan bir malzemeden yapılmışsa, ölçü yapılmadan önce elektriksel olarak iletken bir tabaka ile kaplanması gerekir.

Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi

Farklı metallerden yapılmış iki elektrot elektrolit içine indirilirse, bu metallerin çözünme esnekliğindeki farktan dolayı aralarında bir potansiyel farkı ortaya çıkar. Elektrolitin dışındaki elektrotlar arasına bir elektrik enerjisi alıcısı, örneğin bir direnç bağlarsanız, ortaya çıkan elektrik devresinde bir akım akacaktır. İşte nasıl çalıştıkları galvanik hücreler (birincil öğeler).

İlk bakır-çinko galvanik hücre Volta tarafından icat edildi. Bu elementlerde kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüşür. Galvanik hücrelerin çalışması, bir maddenin elektrotlar üzerinde birikmesinin bir sonucu olarak ortaya çıkan polarizasyon olgusu tarafından engellenebilir.

Tüm galvanik hücrelerin dezavantajı, kimyasal enerjinin içlerinde geri dönüşümsüz olarak elektrik enerjisine dönüştürülmesi, yani galvanik hücrelerin yeniden şarj edilememesidir. Onlar bu dezavantajdan yoksun akümülatörler.