Energieomzetting — elektrisch, thermisch, mechanisch, licht

Het begrip energie wordt in alle wetenschappen gebruikt. Het is ook bekend dat energielichamen werk kunnen doen. Wet van behoud van energie stelt dat energie niet verdwijnt en niet uit het niets kan ontstaan, maar in verschillende vormen verschijnt (bijvoorbeeld in de vorm van thermische, mechanische, licht, elektrische energie, enz.).

De ene vorm van energie kan overgaan in de andere en tegelijkertijd worden nauwkeurige kwantitatieve verhoudingen van verschillende soorten energie waargenomen. Over het algemeen is de overgang van de ene vorm van energie naar de andere nooit volledig, omdat er altijd andere (meestal ongewenste) soorten energie zijn. Bijvoorbeeld, bij de elektromotor niet alle elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie, maar een deel ervan wordt omgezet in thermische energie (opwarming van draden door stroming, opwarming door inwerking van wrijvingskrachten).

Het feit van een onvolledige overgang van het ene type energie naar het andere kenmerkt de efficiëntiecoëfficiënt (efficiëntie).Deze coëfficiënt wordt gedefinieerd als de verhouding van bruikbare energie tot de totale hoeveelheid of als de verhouding van nuttig vermogen tot het totaal.

Elektrische energie het heeft als voordeel dat het relatief gemakkelijk en met weinig verlies over grote afstanden kan worden overgedragen en heeft bovendien een zeer breed toepassingsgebied. De distributie van elektrische energie is relatief eenvoudig te beheren en kan in bekende hoeveelheden worden opgeslagen en opgeslagen.

Op een werkdag verbruikt een mens gemiddeld 1000 kJ ofwel 0,3 kW aan energie. Een mens heeft ongeveer 8000 kJ nodig in de vorm van voedsel en 8000 kJ voor het verwarmen van woningen, bedrijfsruimten, koken etc. kcal of 60 kWh

Elektrische en mechanische energie

Elektrische energie wordt in elektromotoren en in mindere mate omgezet in mechanische energie bij elektromagneten… In beide gevallen de bijbehorende effecten met een elektromagnetisch veld… Energieverliezen, dat wil zeggen dat deel van de energie dat niet in de gewenste vorm wordt omgezet, bestaat voornamelijk uit energiekosten voor verwarmingsdraden uit stroom- en wrijvingsverliezen.

Grote elektromotoren hebben een rendement boven de 90%, terwijl kleine elektromotoren een rendement iets onder dit niveau hebben. Als de elektromotor bijvoorbeeld een vermogen heeft van 15 kW en een rendement gelijk aan 90%, dan is het mechanische (nuttige) vermogen 13,5 kW. Als het mechanisch vermogen van de elektromotor gelijk zou moeten zijn aan 15 kW, dan is het verbruikte elektrische vermogen bij dezelfde efficiëntiewaarde 16,67 kWh.

Het proces van het omzetten van elektrische energie in mechanische energie is omkeerbaar, d.w.z. mechanische energie kan worden omgezet in elektrische energie (zie - Energieomzettingsproces in elektrische machines). Voor dit doel worden ze voornamelijk gebruikt generatorendie qua ontwerp vergelijkbaar zijn met elektromotoren en kunnen worden aangedreven door stoomturbines of hydraulische turbines. Deze generatoren hebben ook energieverliezen.

Elektrische en thermische energie

Als de draad stroomt elektriciteit, dan botsen de elektronen in hun beweging met de atomen van het materiaal van de geleider en veroorzaken ze een intensere thermische beweging. In dit geval verliezen de elektronen een deel van hun energie. De resulterende thermische energie leidt enerzijds tot een verhoging van de temperatuur van de onderdelen en draden van de wikkelingen in elektrische machines en anderzijds tot een verhoging van de temperatuur van de omgeving. Er moet een onderscheid worden gemaakt tussen nuttige warmte-energie en warmteverliezen.

Bij elektrische verwarmingstoestellen (elektrische boilers, strijkijzers, verwarmingskachels, enz.) is het raadzaam ernaar te streven dat de elektrische energie zo volledig mogelijk wordt omgezet in thermische energie. Dit is bijvoorbeeld niet het geval bij hoogspanningsleidingen of elektromotoren, waar de opgewekte warmte-energie een ongewenst neveneffect is en daarom vaak moet worden afgevoerd.

Als gevolg van de daaropvolgende stijging van de lichaamstemperatuur wordt thermische energie overgedragen aan de omgeving. Het proces van warmte-energieoverdracht vindt plaats in de vorm warmtegeleiding, convectie en warmtestraling… In de meeste gevallen is het erg moeilijk om een ​​nauwkeurige kwantitatieve schatting te geven van de totale hoeveelheid vrijgekomen warmte-energie.

Als een lichaam moet worden verwarmd, moet de waarde van de eindtemperatuur aanzienlijk hoger zijn dan de vereiste verwarmingstemperatuur. Dit is nodig om zo min mogelijk warmte-energie aan de omgeving over te dragen.

Als daarentegen de opwarming van de lichaamstemperatuur ongewenst is, moet de waarde van de eindtemperatuur van het systeem klein zijn. Hiertoe worden voorwaarden gecreëerd die de verwijdering van warmte-energie uit het lichaam vergemakkelijken (groot contactoppervlak van het lichaam met de omgeving, geforceerde ventilatie).

De thermische energie die in elektrische draden optreedt, beperkt de hoeveelheid stroom die in die draden is toegestaan. De maximaal toelaatbare temperatuur van de geleider wordt bepaald door de thermische weerstand van de isolatie. Waarom, om de overdracht van een aantal specifieke te verzekeren elektrische kracht, moet u de laagst mogelijke stroomwaarde kiezen en dienovereenkomstig de hoogspanningswaarde. Onder deze omstandigheden zullen de kosten van het draadmateriaal worden verlaagd. Het is dus economisch mogelijk om elektrische energie met hoog vermogen bij hoge spanningen over te dragen.

Omzetting van thermische energie in elektrische energie

Thermische energie wordt direct omgezet in elektrische energie in de zogenaamde thermo-elektrische omvormers… Het thermokoppel van een thermo-elektrische omvormer bestaat uit twee metalen geleiders gemaakt van verschillende materialen (bijvoorbeeld koper en constantaan) en aan één uiteinde aan elkaar gesoldeerd.

Bij een bepaald temperatuurverschil tussen het aansluitpunt en de andere twee uiteinden van de twee draden, EMV, wat in de eerste benadering recht evenredig is met dit temperatuurverschil. Deze thermo-EMF, gelijk aan enkele millivolt, kan worden geregistreerd met zeer gevoelige voltmeters. Als de voltmeter is gekalibreerd in graden Celsius, kan het resulterende apparaat samen met de thermo-elektrische omzetter worden gebruikt voor directe temperatuurmeting.

Het conversievermogen is laag, dus dergelijke converters worden praktisch niet gebruikt als bronnen van elektrische energie. Afhankelijk van de materialen die zijn gebruikt om het thermokoppel te maken, werkt het in verschillende temperatuurbereiken. Ter vergelijking kunnen enkele kenmerken van verschillende thermokoppels worden aangegeven: een koper-constantaan thermokoppel is toepasbaar tot 600 °C, de EMF is ongeveer 4 mV bij 100 °C; een ijzer-constant thermokoppel is toepasbaar tot 800 °C, de EMF is ongeveer 5 mV bij 100 °C.

Een voorbeeld van het praktische gebruik van de omzetting van thermische energie in elektrische energie - Thermo-elektrische generatoren

Elektrische en lichte energie

In termen van fysica is licht dat wel electromagnetische straling, wat overeenkomt met een bepaald deel van het spectrum van elektromagnetische golven en dat het menselijk oog kan waarnemen. Het spectrum van elektromagnetische golven omvat ook radiogolven, hitte en röntgenstralen. Kijk - Basishoeveelheden verlichting en hun verhoudingen

Het is mogelijk om lichtstraling te verkrijgen met behulp van elektrische energie als gevolg van warmtestraling en door gasontlading.Thermische (temperatuur)straling treedt op als gevolg van verwarming van vaste of vloeibare lichamen, die door verwarming elektromagnetische golven van verschillende golflengten uitzenden. De verdeling van de intensiteit van warmtestraling is afhankelijk van de temperatuur.

Naarmate de temperatuur stijgt, verschuift de maximale stralingsintensiteit naar elektromagnetische oscillaties met een kortere golflengte. Bij een temperatuur van ongeveer 6500 K vindt de maximale stralingsintensiteit plaats bij een golflengte van 0,55 μm, d.w.z. op de golflengte die overeenkomt met de maximale gevoeligheid van het menselijk oog. Voor verlichtingsdoeleinden kan natuurlijk geen enkel vast lichaam tot een dergelijke temperatuur worden verwarmd.

Wolfraam is bestand tegen de hoogste verwarmingstemperatuur. In vacuümglazen flessen kan het worden verwarmd tot een temperatuur van 2100 ° C en bij hogere temperaturen begint het te verdampen. Het verdampingsproces kan worden vertraagd door enkele gassen (stikstof, krypton) toe te voegen, waardoor de verwarmingstemperatuur kan worden verhoogd tot 3000°C.

Om verliezen in gloeilampen als gevolg van de resulterende convectie te verminderen, wordt de gloeidraad gemaakt in de vorm van een enkele of dubbele spiraal. Ondanks deze maatregelen echter de lichtopbrengst van gloeilampen is 20 lm/W, wat nog vrij ver verwijderd is van het theoretisch haalbare optimum. Thermische stralingsbronnen hebben een zeer laag rendement, omdat daarmee de meeste elektrische energie wordt omgezet in warmte-energie en niet in licht.

In gasontladingslichtbronnen botsen elektronen met gasatomen of moleculen, waardoor deze elektromagnetische golven van een bepaalde golflengte uitzenden. Het gehele gasvolume is betrokken bij het uitzenden van elektromagnetische golven en in het algemeen liggen de lijnen van het spectrum van dergelijke straling niet altijd in het bereik van zichtbaar licht. Momenteel worden LED-lichtbronnen het meest gebruikt in verlichting. Kijk - De keuze van lichtbronnen voor industriële gebouwen. 

Overgang van lichtenergie naar elektrische energie

Lichtenergie kan worden omgezet in elektrische energie en deze overgang is fysiek gezien op twee verschillende manieren mogelijk. Deze energieomzetting kan het gevolg zijn van het foto-elektrisch effect (foto-elektrisch effect). Om het foto-elektrisch effect te realiseren worden fototransistors, fotodiodes en fotoresistors gebruikt.

Op het raakvlak tussen sommigen halfgeleiders (germanium, silicium, etc.) en metalen ontstaat er een grenszone waarin de atomen van de twee contactmaterialen elektronen uitwisselen. Wanneer licht op de grenszone valt, wordt het elektrische evenwicht daarin verstoord, waardoor een EMF optreedt, onder invloed waarvan een elektrische stroom ontstaat in een extern gesloten circuit. De EMF en dus de waarde van de stroom hangt af van de invallende lichtstroom en de golflengte van de straling.

Sommige halfgeleidermaterialen worden gebruikt als fotoweerstanden.Als gevolg van de impact van licht op de fotoresistor neemt het aantal vrije dragers van elektrische lading daarin toe, wat een verandering in de elektrische weerstand veroorzaakt.Als u een fotoresistor in een elektrisch circuit opneemt, zal de stroom in dit circuit afhangen op de energieën van het licht dat op de fotoresistor valt.

Zie ook - Het proces van het omzetten van zonne-energie in elektriciteit

Chemische en elektrische energie

Waterige oplossingen van zuren, basen en zouten (elektrolyten) geleiden min of meer elektrische stroom. het fenomeen van elektrische dissociatie van stoffen… Een deel van de opgeloste moleculen (de grootte van dit deel bepaalt de mate van dissociatie) is in de oplossing aanwezig in de vorm van ionen.

Als er twee elektroden in de oplossing zijn waarop een potentiaalverschil wordt toegepast, zullen de ionen beginnen te bewegen, waarbij de positief geladen ionen (kationen) naar de kathode bewegen en de negatief geladen ionen (anionen) naar de anode.

Aangekomen bij de corresponderende elektrode, verwerven de ionen hun ontbrekende elektronen of, omgekeerd, geven ze de extra op en worden als gevolg daarvan elektrisch neutraal. De massa materiaal die op de elektroden wordt afgezet, is recht evenredig met de overgedragen lading (de wet van Faraday).

In de grenszone tussen de elektrode en de elektrolyt staan ​​de oploselasticiteit van de metalen en de osmotische druk tegenover elkaar. (Osmotische druk veroorzaakt de afzetting van metaalionen van elektrolyten op de elektroden. Alleen dit chemische proces is verantwoordelijk voor het potentiaalverschil).

Omzetting van elektrische energie in chemische energie

Om de afzetting van een substantie op de elektroden te bereiken als gevolg van de beweging van ionen, is het noodzakelijk om elektrische energie te verbruiken. Dit proces wordt elektrolyse genoemd. Deze omzetting van elektrische energie in chemische energie wordt in de elektrometallurgie gebruikt om metalen (koper, aluminium, zink, enz.) in chemisch zuivere vorm te verkrijgen.

Bij galvaniseren worden actief oxiderende metalen bedekt met passieve metalen (vergulden, verchromen, vernikkelen, enz.). Bij elektroformeren worden van verschillende lichamen driedimensionale afdrukken (clichés) gemaakt, en als zo'n lichaam van niet-geleidend materiaal is gemaakt, moet het worden bedekt met een elektrisch geleidende laag voordat de afdruk wordt gemaakt.

Omzetting van chemische energie in elektrische energie

Als twee elektroden gemaakt van verschillende metalen in de elektrolyt worden neergelaten, ontstaat er een potentiaalverschil tussen hen, vanwege het verschil in de elasticiteit van het oplossen van deze metalen. Als u een ontvanger van elektrische energie aansluit, bijvoorbeeld een weerstand, tussen de elektroden buiten de elektrolyt, dan zal er een stroom vloeien in het resulterende elektrische circuit. Hier is hoe ze werken galvanische cellen (primaire elementen).

De eerste koper-zink galvanische cel werd uitgevonden door Volta. In deze elementen wordt chemische energie omgezet in elektrische energie. De werking van galvanische cellen kan worden belemmerd door het fenomeen van polarisatie, dat optreedt als gevolg van het afzetten van een stof op de elektroden.

Alle galvanische cellen hebben het nadeel dat daarin chemische energie onomkeerbaar wordt omgezet in elektrische energie, dat wil zeggen galvanische cellen kunnen niet worden opgeladen. Ze zijn verstoken van dit nadeel accu's.