Penukaran tenaga - elektrik, haba, mekanikal, cahaya

Konsep tenaga digunakan dalam semua sains. Ia juga diketahui bahawa badan tenaga boleh melakukan kerja. Undang-undang pemuliharaan tenaga menyatakan bahawa tenaga tidak hilang dan tidak boleh dicipta daripada tiada, tetapi muncul dalam pelbagai bentuk (contohnya, dalam bentuk haba, mekanikal, cahaya, tenaga elektrik, dll.).

Satu bentuk tenaga boleh masuk ke yang lain dan pada masa yang sama nisbah kuantitatif yang tepat bagi jenis tenaga yang berbeza diperhatikan. Secara amnya, peralihan daripada satu bentuk tenaga ke bentuk lain tidak pernah lengkap, kerana sentiasa ada jenis tenaga lain (kebanyakannya tidak diingini). Sebagai contoh, dalam motor elektrik tidak semua tenaga elektrik ditukar kepada tenaga mekanikal, tetapi sebahagian daripadanya ditukar kepada tenaga haba (pemanasan wayar oleh arus, pemanasan akibat tindakan daya geseran).

Fakta peralihan tidak lengkap satu jenis tenaga kepada yang lain mencirikan pekali kecekapan (kecekapan).Pekali ini ditakrifkan sebagai nisbah tenaga berguna kepada jumlah keseluruhannya atau sebagai nisbah kuasa berguna kepada jumlah.

Tenaga elektrik ia mempunyai kelebihan bahawa ia boleh dihantar dengan agak mudah dan dengan kehilangan yang rendah pada jarak jauh dan tambahan pula mempunyai julat aplikasi yang sangat luas. Pengagihan tenaga elektrik agak mudah diurus dan boleh disimpan dan disimpan dalam kuantiti yang diketahui.

Semasa hari bekerja, seseorang menggunakan purata 1000 kJ atau 0.3 kW tenaga. Seseorang memerlukan kira-kira 8000 kJ dalam bentuk makanan dan 8000 kJ untuk memanaskan rumah, premis industri, memasak, dll. kcal, atau 60 kWj

Tenaga elektrik dan mekanikal

Tenaga elektrik ditukar kepada tenaga mekanikal dalam motor elektrik dan pada tahap yang lebih rendah dalam elektromagnet… Dalam kedua-dua kes kesan yang berkaitan dengan medan elektromagnet… Kehilangan tenaga, iaitu, bahagian tenaga yang tidak diubah menjadi bentuk yang diingini, terdiri terutamanya daripada kos tenaga untuk wayar pemanasan daripada kerugian semasa dan geseran.

Motor elektrik besar mempunyai kecekapan melebihi 90%, manakala motor elektrik kecil mempunyai kecekapan sedikit di bawah tahap ini. Jika, sebagai contoh, motor elektrik mempunyai kuasa 15 kW dan kecekapan bersamaan dengan 90%, maka kuasa mekanikalnya (berguna) ialah 13.5 kW. Jika kuasa mekanikal motor elektrik sepatutnya sama dengan 15 kW, maka kuasa elektrik yang digunakan pada nilai kecekapan yang sama ialah 16.67 kWj.

Proses menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal boleh diterbalikkan, iaitu tenaga mekanikal boleh ditukar kepada tenaga elektrik (lihat — Proses penukaran tenaga dalam mesin elektrik). Untuk tujuan ini mereka digunakan terutamanya penjanayang serupa dalam reka bentuk kepada motor elektrik dan boleh digerakkan oleh turbin stim atau turbin hidraulik. Penjana ini juga mempunyai kehilangan tenaga.

Tenaga elektrik dan haba

Jika wayar mengalir elektrik, kemudian elektron dalam pergerakannya berlanggar dengan atom bahan konduktor dan menyebabkannya kepada pergerakan haba yang lebih sengit. Dalam kes ini, elektron kehilangan sebahagian daripada tenaga mereka. Tenaga haba yang terhasil, di satu pihak, membawa, sebagai contoh, kepada peningkatan suhu bahagian dan wayar belitan dalam mesin elektrik, dan sebaliknya kepada peningkatan suhu persekitaran. Perbezaan mesti dibuat antara tenaga haba yang berguna dan kehilangan haba.

Dalam peranti pemanasan elektrik (dandang elektrik, seterika, dapur pemanas, dsb.) adalah dinasihatkan untuk berusaha untuk memastikan tenaga elektrik ditukar sepenuhnya kepada tenaga haba. Ini tidak berlaku, sebagai contoh, dalam kes talian kuasa atau motor elektrik, di mana tenaga haba yang dihasilkan adalah kesan sampingan yang tidak diingini dan oleh itu selalunya perlu diambil untuk mengeluarkannya.

Hasil daripada peningkatan suhu badan yang seterusnya, tenaga haba dipindahkan ke persekitaran. Proses pemindahan tenaga haba berlaku dalam bentuk pengaliran haba, perolakan dan sinaran haba… Dalam kebanyakan kes adalah amat sukar untuk memberikan anggaran kuantitatif yang tepat bagi jumlah tenaga haba yang dibebaskan.

Jika suatu jasad hendak dipanaskan, nilai suhu akhirnya mestilah jauh lebih tinggi daripada suhu pemanasan yang diperlukan. Ini adalah perlu untuk menghantar tenaga haba sesedikit mungkin ke alam sekitar.

Jika, sebaliknya, pemanasan suhu badan tidak diingini, maka nilai suhu akhir sistem harus kecil. Untuk tujuan ini, keadaan dicipta yang memudahkan penyingkiran tenaga haba dari badan (permukaan besar sentuhan badan dengan persekitaran, pengudaraan paksa).

Tenaga haba yang berlaku dalam wayar elektrik mengehadkan jumlah arus yang dibenarkan dalam wayar tersebut. Suhu maksimum konduktor yang dibenarkan ditentukan oleh rintangan haba penebatnya. Mengapa, untuk memastikan pemindahan beberapa tertentu daya elektrik, anda harus memilih nilai semasa yang paling rendah dan sewajarnya nilai voltan tinggi. Di bawah keadaan ini, kos bahan wayar akan dikurangkan. Oleh itu, adalah mungkin dari segi ekonomi untuk menghantar tenaga elektrik berkuasa tinggi pada voltan tinggi.

Penukaran tenaga haba kepada tenaga elektrik

Tenaga haba ditukar terus kepada tenaga elektrik dalam apa yang dipanggil penukar termoelektrik… Termokopel penukar termoelektrik terdiri daripada dua konduktor logam yang diperbuat daripada bahan yang berbeza (cth. kuprum dan pemalar) dan dipateri bersama pada satu hujung.

Pada perbezaan suhu tertentu antara titik sambungan dan dua hujung lain dua wayar, EMF, yang dalam anggaran pertama adalah berkadar terus dengan perbezaan suhu ini. Termo-EMF ini, bersamaan dengan beberapa milivolt, boleh dirakam menggunakan voltmeter yang sangat sensitif. Jika voltmeter ditentukur dalam darjah Celsius, maka bersama-sama dengan penukar termoelektrik peranti yang dihasilkan boleh digunakan untuk pengukuran suhu langsung.

Kuasa penukaran adalah rendah, jadi penukar sedemikian boleh dikatakan tidak digunakan sebagai sumber tenaga elektrik. Bergantung pada bahan yang digunakan untuk membuat termokopel, ia beroperasi dalam julat suhu yang berbeza. Sebagai perbandingan, beberapa ciri termokopel yang berbeza boleh ditunjukkan: termokopel malar tembaga boleh digunakan sehingga 600 ° C, EMF adalah kira-kira 4 mV pada 100 ° C; termokopel pemalar besi boleh digunakan sehingga 800 °C, EMF adalah lebih kurang 5 mV pada 100 °C.

Contoh penggunaan praktikal penukaran tenaga haba kepada tenaga elektrik — Penjana termoelektrik

Tenaga elektrik dan cahaya

Dari segi fizik, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, yang sepadan dengan bahagian tertentu dalam spektrum gelombang elektromagnet dan yang boleh dilihat oleh mata manusia. Spektrum gelombang elektromagnet juga termasuk gelombang radio, haba dan sinar-X. Lihat - Jumlah asas pencahayaan dan nisbahnya

Ia adalah mungkin untuk mendapatkan sinaran cahaya menggunakan tenaga elektrik hasil daripada sinaran haba dan dengan nyahcas gas.Sinaran terma (suhu) berlaku akibat pemanasan badan pepejal atau cecair, yang, disebabkan pemanasan, memancarkan gelombang elektromagnet dengan panjang gelombang yang berbeza. Taburan keamatan sinaran haba bergantung kepada suhu.

Apabila suhu meningkat, keamatan sinaran maksimum beralih kepada ayunan elektromagnet dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Pada suhu kira-kira 6500 K, keamatan sinaran maksimum berlaku pada panjang gelombang 0.55 μm, i.e. pada panjang gelombang yang sepadan dengan sensitiviti maksimum mata manusia. Untuk tujuan pencahayaan, tiada badan pepejal boleh dipanaskan pada suhu sedemikian, sudah tentu.

Tungsten menahan suhu pemanasan tertinggi. Dalam botol kaca vakum, ia boleh dipanaskan pada suhu 2100 ° C, dan pada suhu yang lebih tinggi ia mula menguap. Proses penyejatan boleh diperlahankan dengan menambahkan beberapa gas (nitrogen, kripton), yang memungkinkan untuk meningkatkan suhu pemanasan kepada 3000 ° C.

Untuk mengurangkan kerugian dalam lampu pijar akibat perolakan yang terhasil, filamen dibuat dalam bentuk lingkaran tunggal atau berganda. Walaupun langkah-langkah ini, bagaimanapun kecekapan bercahaya lampu pijar ialah 20 lm / W, yang masih agak jauh daripada optimum yang boleh dicapai secara teori. Sumber sinaran terma mempunyai kecekapan yang sangat rendah, kerana dengannya kebanyakan tenaga elektrik ditukar kepada tenaga haba dan bukan kepada cahaya.

Dalam sumber cahaya pelepasan gas, elektron berlanggar dengan atom atau molekul gas dan dengan itu menyebabkannya memancarkan gelombang elektromagnet pada panjang gelombang tertentu. Keseluruhan isipadu gas terlibat dalam proses pemancaran gelombang elektromagnet dan, secara amnya, garisan spektrum sinaran tersebut tidak selalu terletak dalam julat cahaya yang boleh dilihat. Pada masa ini, sumber cahaya LED adalah yang paling banyak digunakan dalam pencahayaan. Lihat - Pilihan sumber cahaya untuk premis perindustrian. 

Peralihan tenaga cahaya kepada tenaga elektrik

Tenaga cahaya boleh ditukar kepada tenaga elektrik dan peralihan ini boleh dilakukan dalam dua cara berbeza dari sudut fizikal. Penukaran tenaga ini boleh disebabkan oleh kesan fotoelektrik (kesan fotoelektrik). Untuk merealisasikan kesan fotoelektrik, fototransistor, fotodiod dan fotoperintang digunakan.

Pada antara muka antara beberapa semikonduktor (germanium, silikon, dsb.) dan logam, zon sempadan terbentuk di mana atom kedua-dua bahan yang bersentuhan bertukar elektron. Apabila cahaya jatuh pada zon sempadan, keseimbangan elektrik di dalamnya terganggu, akibatnya EMF berlaku, di bawah tindakan yang mana arus elektrik timbul dalam litar tertutup luaran. EMF dan oleh itu nilai arus bergantung pada fluks cahaya kejadian dan panjang gelombang sinaran.

Beberapa bahan semikonduktor digunakan sebagai photoresistors.Akibat kesan cahaya pada fotoperintang, bilangan pembawa bebas cas elektrik di dalamnya meningkat, yang menyebabkan perubahan dalam rintangan elektriknya. Jika anda memasukkan fotoperintang dalam litar elektrik, arus dalam litar ini akan bergantung pada tenaga cahaya yang jatuh pada fotoperintang.

Lihat juga - Proses menukar tenaga suria kepada tenaga elektrik

Tenaga kimia dan elektrik

Larutan akueus asid, bes dan garam (elektrolit) mengalirkan lebih atau kurang arus elektrik, yang disebabkan oleh fenomena pemisahan elektrik bahan… Beberapa molekul zat terlarut (saiz bahagian ini menentukan tahap penceraian) terdapat dalam larutan dalam bentuk ion.

Jika terdapat dua elektrod dalam larutan yang digunakan beza keupayaan, maka ion akan mula bergerak, dengan ion bercas positif (kation) bergerak ke arah katod dan ion bercas negatif (anion) ke arah anod.

Tiba di elektrod yang sepadan, ion memperoleh elektron yang hilang atau, sebaliknya, melepaskan yang tambahan dan, akibatnya, menjadi neutral elektrik. Jisim bahan yang didepositkan pada elektrod adalah berkadar terus dengan cas yang dipindahkan (hukum Faraday).

Dalam zon sempadan antara elektrod dan elektrolit, keanjalan pembubaran logam dan tekanan osmotik bertentangan antara satu sama lain. (Tekanan osmotik menyebabkan pemendapan ion logam daripada elektrolit ke elektrod. Proses kimia ini sahaja bertanggungjawab untuk beza keupayaan).

Penukaran tenaga elektrik kepada tenaga kimia

Untuk mencapai pemendapan bahan pada elektrod akibat pergerakan ion, adalah perlu untuk membelanjakan tenaga elektrik. Proses ini dipanggil elektrolisis. Penukaran tenaga elektrik kepada tenaga kimia ini digunakan dalam elektrometalurgi untuk mendapatkan logam (kuprum, aluminium, zink, dll.) dalam bentuk tulen kimia.

Dalam penyaduran elektro, logam pengoksidaan secara aktif ditutup dengan logam pasif (penyaduran, penyaduran krom, penyaduran nikel, dll.). Dalam elektroforming, tera tiga dimensi (klise) dibuat daripada pelbagai badan, dan jika badan sedemikian diperbuat daripada bahan bukan konduktif, ia mesti ditutup dengan lapisan konduktif elektrik sebelum tera dibuat.

Penukaran tenaga kimia kepada tenaga elektrik

Jika dua elektrod yang diperbuat daripada logam yang berbeza diturunkan ke dalam elektrolit, maka perbezaan potensi timbul di antara mereka, disebabkan oleh perbezaan dalam keanjalan pembubaran logam ini. Jika anda menyambungkan penerima tenaga elektrik, contohnya, perintang, antara elektrod di luar elektrolit, maka arus akan mengalir dalam litar elektrik yang terhasil. Begini cara mereka bekerja sel galvanik (elemen utama).

Sel galvanik tembaga-zink pertama telah dicipta oleh Volta. Dalam unsur-unsur ini, tenaga kimia ditukar kepada tenaga elektrik. Operasi sel galvanik boleh dihalang oleh fenomena polarisasi, yang berlaku akibat pemendapan bahan pada elektrod.

Semua sel galvanik mempunyai kelemahan bahawa tenaga kimia ditukar secara tidak boleh balik kepada tenaga elektrik di dalamnya, iaitu, sel galvanik tidak boleh dicas semula. Mereka tidak mempunyai kelemahan ini akumulator.