Chuyển đổi năng lượng - điện, nhiệt, cơ khí, ánh sáng

Khái niệm năng lượng được sử dụng trong tất cả các ngành khoa học. Người ta cũng biết rằng cơ thể năng lượng có thể làm việc. Định luật bảo toàn năng lượng tuyên bố rằng năng lượng không biến mất và không thể được tạo ra từ hư không, mà xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau của nó (ví dụ, ở dạng nhiệt, cơ, ánh sáng, năng lượng điện, v.v.).

Một dạng năng lượng có thể truyền sang dạng khác và đồng thời quan sát thấy các tỷ lệ định lượng chính xác của các dạng năng lượng khác nhau. Nói chung, quá trình chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác không bao giờ hoàn tất, vì luôn có những dạng năng lượng khác (hầu hết không mong muốn). Ví dụ, trong động cơ điện không phải tất cả năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học, nhưng một phần của nó được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt (làm nóng dây dẫn bằng dòng điện, làm nóng do tác động của lực ma sát).

Thực tế là sự chuyển đổi không hoàn toàn của một loại năng lượng này sang một loại năng lượng khác đặc trưng cho hệ số hiệu quả (hiệu quả).Hệ số này được định nghĩa là tỷ lệ của năng lượng hữu ích trên tổng lượng của nó hoặc là tỷ lệ của năng lượng hữu ích trên tổng.

Năng lượng điện nó có ưu điểm là nó có thể được truyền tương đối dễ dàng và ít bị suy hao trong khoảng cách xa và hơn nữa có phạm vi ứng dụng cực kỳ rộng. Việc phân phối năng lượng điện tương đối dễ quản lý và có thể dự trữ, lưu trữ với số lượng đã biết trước.

Trong một ngày làm việc, một người sử dụng trung bình 1000 kJ hay 0,3 kW năng lượng. Một người cần khoảng 8000 kJ ở dạng thực phẩm và 8000 kJ để sưởi ấm nhà cửa, cơ sở công nghiệp, nấu ăn, v.v. kcal, hoặc 60 kWh

Năng lượng điện và cơ học

Năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học trong động cơ điện và ở mức độ thấp hơn trong nam châm điện… Trong cả hai trường hợp, các hiệu ứng liên quan với trường điện từ… Tổn thất năng lượng, tức là phần năng lượng không được chuyển hóa thành dạng mong muốn, chủ yếu bao gồm chi phí năng lượng để đốt nóng dây dẫn do tổn thất dòng điện và ma sát.

Động cơ điện lớn có hiệu suất trên 90%, trong khi động cơ điện nhỏ có hiệu suất thấp hơn một chút so với mức này. Ví dụ, nếu động cơ điện có công suất 15 kW và hiệu suất bằng 90%, thì công suất cơ học (hữu ích) của nó là 13,5 kW. Nếu công suất cơ học của động cơ điện phải bằng 15 kW, thì công suất điện tiêu thụ ở cùng giá trị hiệu suất là 16,67 kWh.

Quá trình chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học là có thể đảo ngược, tức là năng lượng cơ học có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện (xem - Quá trình biến đổi năng lượng trong máy điện). Đối với mục đích này, chúng chủ yếu được sử dụng máy phát điệntương tự như thiết kế của động cơ điện và có thể được điều khiển bởi tuabin hơi nước hoặc tuabin thủy lực. Những máy phát điện này cũng có tổn thất năng lượng.

năng lượng điện và nhiệt

Nếu dây chảy điện, sau đó các electron trong chuyển động của chúng va chạm với các nguyên tử của vật liệu làm dây dẫn và khiến chúng chuyển động nhiệt mạnh hơn. Trong trường hợp này, các electron bị mất một phần năng lượng. Ví dụ, năng lượng nhiệt thu được dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của các bộ phận và dây của cuộn dây trong máy điện, mặt khác dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của môi trường. Cần phải phân biệt giữa năng lượng nhiệt hữu ích và tổn thất nhiệt.

Trong các thiết bị sưởi ấm bằng điện (nồi hơi điện, bàn là, bếp sưởi, v.v.), nên cố gắng đảm bảo rằng năng lượng điện được chuyển đổi hoàn toàn thành năng lượng nhiệt. Đây không phải là trường hợp, ví dụ, trong trường hợp đường dây điện hoặc động cơ điện, trong đó năng lượng nhiệt sinh ra là tác dụng phụ không mong muốn và do đó thường phải được thực hiện để loại bỏ nó.

Do sự gia tăng nhiệt độ cơ thể sau đó, năng lượng nhiệt được truyền ra môi trường. Quá trình truyền nhiệt năng diễn ra dưới dạng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt… Trong hầu hết các trường hợp, rất khó để đưa ra ước tính định lượng chính xác về tổng lượng nhiệt năng được giải phóng.

Nếu một cơ thể được làm nóng, giá trị của nhiệt độ cuối cùng của nó phải cao hơn đáng kể so với nhiệt độ làm nóng cần thiết. Điều này là cần thiết để truyền ít năng lượng nhiệt nhất có thể ra môi trường.

Ngược lại, nếu việc làm nóng nhiệt độ cơ thể là không mong muốn, thì giá trị của nhiệt độ cuối cùng của hệ thống phải nhỏ. Với mục đích này, các điều kiện được tạo ra để tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ năng lượng nhiệt khỏi cơ thể (bề mặt tiếp xúc lớn của cơ thể với môi trường, thông gió cưỡng bức).

Năng lượng nhiệt xảy ra trong các dây dẫn điện giới hạn lượng dòng điện được phép chạy trong các dây dẫn đó. Nhiệt độ tối đa cho phép của dây dẫn được xác định bởi điện trở nhiệt của lớp cách điện. Vì sao, để đảm bảo chuyển giao một số nội dung cụ thể lực điện, bạn nên chọn giá trị dòng điện thấp nhất có thể và giá trị điện áp cao tương ứng. Trong những điều kiện này, chi phí vật liệu dây sẽ giảm. Vì vậy, về mặt kinh tế có thể truyền năng lượng điện công suất cao ở điện áp cao.

Chuyển hóa năng lượng nhiệt thành năng lượng điện

Năng lượng nhiệt được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện trong cái gọi là bộ chuyển đổi nhiệt điện… Cặp nhiệt điện của bộ chuyển đổi nhiệt điện bao gồm hai dây dẫn kim loại làm bằng các vật liệu khác nhau (ví dụ: đồng và chất không đổi) và được hàn với nhau ở một đầu.

Ở một nhiệt độ chênh lệch nhất định giữa điểm nối với hai đầu còn lại của hai dây dẫn, điện từ trường, trong phép tính gần đúng đầu tiên tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ này. EMF nhiệt này, bằng một vài milivôn, có thể được ghi lại bằng vôn kế có độ nhạy cao. Nếu vôn kế được hiệu chuẩn theo độ C, thì cùng với bộ chuyển đổi nhiệt điện, thiết bị thu được có thể được sử dụng để đo nhiệt độ trực tiếp.

Công suất chuyển đổi thấp, vì vậy các bộ chuyển đổi như vậy thực tế không được sử dụng làm nguồn năng lượng điện. Tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng để làm cặp nhiệt điện, nó hoạt động trong các phạm vi nhiệt độ khác nhau. Để so sánh, có thể chỉ ra một số đặc điểm của các cặp nhiệt điện khác nhau: cặp nhiệt điện đồng không đổi có thể áp dụng ở nhiệt độ lên đến 600 ° C, EMF xấp xỉ 4 mV ở 100 ° C; một cặp nhiệt điện không đổi sắt có thể áp dụng lên đến 800 °C, EMF xấp xỉ 5 mV ở 100 °C.

Một ví dụ về ứng dụng thực tế của việc chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện — máy phát nhiệt điện

Năng lượng điện và ánh sáng

Về mặt vật lý, ánh sáng là bức xạ điện từ, tương ứng với một phần nhất định của quang phổ sóng điện từ mà mắt người có thể cảm nhận được. Phổ của sóng điện từ cũng bao gồm sóng vô tuyến, nhiệt và tia X. Nhìn - Lượng ánh sáng cơ bản và tỷ lệ của chúng

Có thể thu được bức xạ ánh sáng sử dụng năng lượng điện do bức xạ nhiệt và phóng điện khí.Bức xạ nhiệt (nhiệt độ) xảy ra do sự đốt nóng của các vật thể rắn hoặc lỏng, do bị đốt nóng, phát ra các sóng điện từ có bước sóng khác nhau. Sự phân bố cường độ bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ.

Khi nhiệt độ tăng thì cường độ bức xạ cực đại chuyển sang dao động điện từ có bước sóng ngắn hơn. Ở nhiệt độ khoảng 6500 K, cường độ bức xạ cực đại xảy ra ở bước sóng 0,55 μm, tức là ở bước sóng tương ứng với độ nhạy tối đa của mắt người. Tất nhiên, vì mục đích chiếu sáng, không có vật thể rắn nào có thể được nung nóng đến nhiệt độ như vậy.

Vonfram chịu được nhiệt độ đốt nóng cao nhất. Trong chai thủy tinh chân không, nó có thể được làm nóng đến nhiệt độ 2100 ° C và ở nhiệt độ cao hơn, nó bắt đầu bay hơi. Quá trình bay hơi có thể được làm chậm lại bằng cách thêm một số khí (nitơ, krypton), giúp tăng nhiệt độ gia nhiệt lên 3000 ° C.

Để giảm tổn thất trong đèn sợi đốt do kết quả của sự đối lưu, dây tóc được chế tạo ở dạng xoắn ốc đơn hoặc kép. Tuy nhiên, bất chấp những biện pháp này hiệu suất phát sáng của đèn sợi đốt là 20 lm/W, vẫn còn khá xa so với mức tối ưu có thể đạt được về mặt lý thuyết. Các nguồn bức xạ nhiệt có hiệu suất rất thấp, bởi vì với chúng, phần lớn năng lượng điện được chuyển thành năng lượng nhiệt chứ không phải thành ánh sáng.

Trong các nguồn sáng phóng điện trong khí, các electron va chạm với các nguyên tử hoặc phân tử khí và do đó làm cho chúng phát ra sóng điện từ có bước sóng nhất định. Toàn bộ thể tích khí tham gia vào quá trình phát ra sóng điện từ và nói chung, các vạch phổ của bức xạ đó không phải lúc nào cũng nằm trong dải ánh sáng khả kiến. Hiện nay, nguồn sáng LED được sử dụng rộng rãi nhất trong chiếu sáng. Nhìn - Sự lựa chọn nguồn ánh sáng cho cơ sở công nghiệp. 

Chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Năng lượng ánh sáng có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện và quá trình chuyển đổi này có thể thực hiện theo hai cách khác nhau từ quan điểm vật lý. Sự chuyển đổi năng lượng này có thể là kết quả của hiệu ứng quang điện (hiệu ứng quang điện). Để nhận ra hiệu ứng quang điện, các bóng bán dẫn quang, điốt quang và điện trở quang được sử dụng.

Tại giao diện giữa một số chất bán dẫn (gecmani, silic, v.v.) và kim loại, một vùng ranh giới được hình thành trong đó các nguyên tử của hai vật liệu tiếp xúc trao đổi electron. Khi ánh sáng chiếu vào vùng ranh giới, trạng thái cân bằng điện trong nó bị xáo trộn, do đó xảy ra EMF, dưới tác động của nó, một dòng điện phát sinh trong một mạch kín bên ngoài. EMF và do đó giá trị của dòng điện phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng tới và bước sóng của bức xạ.

Một số vật liệu bán dẫn được sử dụng làm điện trở quang.Do tác động của ánh sáng lên quang trở, số lượng hạt mang điện tự do trong nó tăng lên, điều này gây ra sự thay đổi điện trở của nó. về năng lượng của ánh sáng chiếu vào quang điện trở .

Xem thêm - Quá trình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Năng lượng hóa học và điện

Dung dịch axit, bazơ và muối (chất điện phân) dẫn điện nhiều hay ít, đó là do hiện tượng phân ly điện của các chất… Một số phân tử chất tan (kích thước của phần này quyết định mức độ phân ly) hiện diện trong dung dịch dưới dạng ion.

Nếu có hai điện cực trong dung dịch áp dụng hiệu điện thế, thì các ion sẽ bắt đầu di chuyển, với các ion tích điện dương (cation) di chuyển về phía cực âm và các ion tích điện âm (anion) về phía cực dương.

Đến điện cực tương ứng, các ion thu được các electron bị thiếu hoặc ngược lại, từ bỏ các electron bổ sung và kết quả là trở nên trung hòa về điện. Khối lượng vật liệu lắng đọng trên các điện cực tỷ lệ thuận với điện tích được truyền (định luật Faraday).

Trong vùng ranh giới giữa điện cực và chất điện phân, độ đàn hồi hòa tan của kim loại và áp suất thẩm thấu đối nghịch nhau. (Áp suất thẩm thấu gây ra sự lắng đọng các ion kim loại từ chất điện phân lên các điện cực. Chỉ riêng quá trình hóa học này đã gây ra sự chênh lệch điện thế).

Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học

Để đạt được sự lắng đọng của một chất trên các điện cực do sự chuyển động của các ion, cần phải tiêu tốn năng lượng điện. Quá trình này được gọi là điện phân. Sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học này được sử dụng trong kỹ thuật điện luyện kim để thu được kim loại (đồng, nhôm, kẽm, v.v.) ở dạng tinh khiết về mặt hóa học.

Trong mạ điện, các kim loại oxy hóa tích cực được phủ bằng kim loại thụ động (mạ vàng, mạ crôm, mạ niken, v.v.). Trong quá trình tạo hình bằng điện, các bản in ba chiều (sáo rỗng) được làm từ nhiều vật thể khác nhau và nếu vật thể đó được làm bằng vật liệu không dẫn điện, thì nó phải được phủ một lớp dẫn điện trước khi tạo ấn tượng.

Chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng điện

Nếu hai điện cực làm bằng các kim loại khác nhau được hạ xuống trong chất điện phân, thì giữa chúng sẽ có sự chênh lệch điện thế do sự khác biệt về độ đàn hồi hòa tan của các kim loại này. Nếu bạn kết nối một máy thu năng lượng điện, chẳng hạn như một điện trở, giữa các điện cực bên ngoài chất điện phân, thì một dòng điện sẽ chạy trong mạch điện thu được. Đây là cách họ làm việc tế bào điện (các phần tử chính).

Pin điện đồng-kẽm đầu tiên được phát minh bởi Volta. Trong các yếu tố này, năng lượng hóa học được chuyển đổi thành năng lượng điện. Hoạt động của các tế bào điện có thể bị cản trở bởi hiện tượng phân cực, xảy ra do sự lắng đọng của một chất trên các điện cực.

Tất cả các tế bào điện đều có nhược điểm là năng lượng hóa học được chuyển đổi không thể đảo ngược thành năng lượng điện trong chúng, nghĩa là không thể sạc lại các tế bào điện. Họ không có nhược điểm này ắc quy.