Premena energie — elektrická, tepelná, mechanická, svetelná
Pojem energie sa používa vo všetkých vedách. Je tiež známe, že energetické telá dokážu pracovať. Zákon zachovania energie uvádza, že energia nezmizne a nemôže vzniknúť z ničoho, ale objavuje sa vo svojich rôznych formách (napríklad vo forme tepelnej, mechanickej, svetelnej, elektrickej energie atď.).
Jedna forma energie môže prechádzať do druhej a zároveň sú pozorované presné kvantitatívne pomery rôznych druhov energie. Všeobecne povedané, prechod z jednej formy energie na druhú nie je nikdy úplný, pretože vždy existujú iné (väčšinou nechcené) druhy energie. Napríklad, v elektromotore nie všetka elektrická energia sa premení na mechanickú energiu, ale časť sa premení na tepelnú energiu (ohrievanie drôtov prúdmi, zahrievanie v dôsledku pôsobenia trecích síl).
Fakt neúplného prechodu jedného druhu energie na iný charakterizuje koeficient účinnosti (účinnosti).Tento koeficient je definovaný ako pomer užitočnej energie k jej celkovému množstvu alebo ako pomer užitočného výkonu k celkovému.
Elektrická energia má tú výhodu, že sa dá prenášať relatívne ľahko a s nízkou stratou na veľké vzdialenosti a okrem toho má mimoriadne široké možnosti použitia. Distribúcia elektrickej energie je relatívne jednoduchá na riadenie a možno ju skladovať a skladovať v známych množstvách.
Počas pracovného dňa človek spotrebuje v priemere 1000 kJ alebo 0,3 kW energie. Človek potrebuje približne 8000 kJ vo forme jedla a 8000 kJ na vykurovanie domácností, priemyselných priestorov, varenie a pod. kcal alebo 60 kWh
Elektrická a mechanická energia
Elektrická energia sa v elektromotoroch a v menšej miere premieňa na mechanickú energiu v elektromagnetoch… V oboch prípadoch súvisiace účinky s elektromagnetickým poľom… Straty energie, teda tá časť energie, ktorá sa nepretransformuje do požadovanej formy, pozostáva najmä z nákladov na energiu na ohrev drôtov z prúdových a trecích strát.
Veľké elektromotory majú účinnosť nad 90 %, zatiaľ čo malé elektromotory majú účinnosť mierne pod touto úrovňou. Ak má napríklad elektromotor výkon 15 kW a účinnosť rovnajúcu sa 90 %, tak jeho mechanický (užitočný) výkon je 13,5 kW. Ak by sa mechanický výkon elektromotora mal rovnať 15 kW, potom je spotrebovaný elektrický výkon pri rovnakej hodnote účinnosti 16,67 kWh.
Proces premeny elektrickej energie na mechanickú energiu je reverzibilný, t.j. mechanická energia sa môže premeniť na elektrickú energiu (pozri — Proces premeny energie v elektrických strojoch). Na tento účel sa používajú hlavne generátoryktoré sú svojou konštrukciou podobné elektromotorom a môžu byť poháňané parnými turbínami alebo hydraulickými turbínami. Tieto generátory majú aj energetické straty.
Elektrická a tepelná energia
Ak drôt tečie elektriny, potom sa elektróny pri svojom pohybe zrážajú s atómami materiálu vodiča a spôsobujú ich intenzívnejší tepelný pohyb. V tomto prípade elektróny stratia časť svojej energie. Výsledná tepelná energia vedie na jednej strane napríklad k zvýšeniu teploty častí a drôtov vinutí elektrických strojov a na druhej strane k zvýšeniu teploty prostredia. Treba rozlišovať medzi užitočnou tepelnou energiou a tepelnými stratami.
V elektrických vykurovacích zariadeniach (elektrické kotly, žehličky, vykurovacie kachle a pod.) je vhodné snažiť sa o to, aby sa elektrická energia čo najúplnejšie premenila na tepelnú energiu. To neplatí napríklad v prípade elektrického vedenia alebo elektromotora, kde je generovaná tepelná energia nežiaducim vedľajším účinkom, a preto je často potrebné ju odobrať.
V dôsledku následného zvýšenia telesnej teploty dochádza k odovzdávaniu tepelnej energie do okolia. Proces prenosu tepelnej energie prebieha vo forme vedenie tepla, prúdenie a sálanie tepla… Vo väčšine prípadov je veľmi ťažké poskytnúť presný kvantitatívny odhad celkového množstva uvoľnenej tepelnej energie.
Ak sa má teleso ohrievať, hodnota jeho výslednej teploty musí byť výrazne vyššia ako požadovaná teplota ohrevu. Je to potrebné, aby sa do okolia odovzdalo čo najmenej tepelnej energie.
Ak je naopak ohrievanie telesnej teploty nežiaduce, potom by hodnota konečnej teploty systému mala byť malá. Na tento účel sú vytvorené podmienky uľahčujúce odvod tepelnej energie z tela (veľká plocha kontaktu tela s okolím, nútené vetranie).
Tepelná energia vyskytujúca sa v elektrických drôtoch obmedzuje množstvo prúdu, ktorý je v týchto drôtoch povolený. Maximálna prípustná teplota vodiča je určená tepelným odporom jeho izolácie. Prečo, zabezpečiť prevod nejakého konkrétneho elektrická sila, mali by ste zvoliť najnižšiu možnú hodnotu prúdu a podľa toho aj hodnotu vysokého napätia. Za týchto podmienok sa znížia náklady na materiál drôtu. Takto je ekonomicky možné prenášať vysokovýkonnú elektrickú energiu pri vysokých napätiach.
Premena tepelnej energie na elektrickú energiu
Tepelná energia sa premieňa priamo na elektrickú energiu v tzv termoelektrické meniče… Termočlánok termoelektrického meniča pozostáva z dvoch kovových vodičov vyrobených z rôznych materiálov (napr. medi a konštantánu) a spájkovaných na jednom konci.
Pri určitom teplotnom rozdiele medzi bodom pripojenia a ďalšími dvoma koncami dvoch vodičov, EMF, ktorá je v prvej aproximácii priamo úmerná tomuto teplotnému rozdielu. Toto termo-EMF, ktoré sa rovná niekoľkým milivoltom, je možné zaznamenať pomocou vysoko citlivých voltmetrov. Ak je voltmeter kalibrovaný v stupňoch Celzia, potom spolu s termoelektrickým prevodníkom možno výsledné zariadenie použiť na priame meranie teploty.
Konverzný výkon je nízky, takže takéto meniče sa prakticky nepoužívajú ako zdroje elektrickej energie. V závislosti od materiálov použitých na výrobu termočlánku pracuje v rôznych teplotných rozsahoch. Na porovnanie je možné uviesť niektoré charakteristiky rôznych termočlánkov: medeno-konštantný termočlánok je použiteľný až do 600 ° C, EMF je približne 4 mV pri 100 ° C; železo-konštantný termočlánok je použiteľný do 800 °C, EMF je približne 5 mV pri 100 °C.
Príklad praktického využitia premeny tepelnej energie na elektrickú — Termoelektrické generátory
Elektrická a svetelná energia
Z hľadiska fyziky je to svetlo elektromagnetická radiácia, ktorá zodpovedá určitej časti spektra elektromagnetických vĺn a ktorú ľudské oko dokáže vnímať. Spektrum elektromagnetických vĺn zahŕňa aj rádiové vlny, teplo a röntgenové žiarenie. Pozri - Základné množstvá osvetlenia a ich pomery
Svetelné žiarenie je možné získať pomocou elektrickej energie v dôsledku tepelného žiarenia a výboja plynu.Tepelné (teplotné) žiarenie vzniká v dôsledku zahrievania pevných alebo kvapalných telies, ktoré vplyvom zahrievania vyžarujú elektromagnetické vlny rôznych vlnových dĺžok. Rozloženie intenzity tepelného žiarenia závisí od teploty.
Pri zvyšovaní teploty sa maximálna intenzita žiarenia posúva k elektromagnetickým osciláciám s kratšou vlnovou dĺžkou. Pri teplote asi 6500 K nastáva maximálna intenzita žiarenia pri vlnovej dĺžke 0,55 μm, t.j. na vlnovej dĺžke, ktorá zodpovedá maximálnej citlivosti ľudského oka. Na osvetľovacie účely sa samozrejme žiadne pevné teleso nemôže zohriať na takú teplotu.
Volfrám odoláva najvyššej teplote ohrevu. Vo vákuových sklenených fľašiach sa môže zahriať na teplotu 2100 °C a pri vyšších teplotách sa začne odparovať. Proces vyparovania je možné spomaliť pridaním niektorých plynov (dusík, kryptón), čím je možné zvýšiť teplotu ohrevu na 3000 °C.
Aby sa znížili straty v žiarovkách v dôsledku výslednej konvekcie, vlákno je vyrobené vo forme jednoduchej alebo dvojitej špirály. Napriek týmto opatreniam však svetelná účinnosť žiaroviek je 20 lm/W, čo je ešte dosť ďaleko od teoreticky dosiahnuteľného optima. Zdroje tepelného žiarenia majú veľmi nízku účinnosť, pretože u nich sa väčšina elektrickej energie premieňa na tepelnú energiu a nie na svetlo.
Vo svetelných zdrojoch s plynovou výbojkou sa elektróny zrážajú s atómami plynu alebo molekulami a tým spôsobujú, že emitujú elektromagnetické vlny určitej vlnovej dĺžky. Celý objem plynu je zapojený do procesu vyžarovania elektromagnetických vĺn a vo všeobecnosti čiary spektra takéhoto žiarenia neležia vždy v oblasti viditeľného svetla. V súčasnosti sú v osvetlení najpoužívanejšie LED svetelné zdroje. Pozri - Výber svetelných zdrojov pre priemyselné priestory.
Premena svetelnej energie na elektrickú energiu
Svetelná energia môže byť premenená na elektrickú energiu a tento prechod je z fyzikálneho hľadiska možný dvoma rôznymi spôsobmi. Táto premena energie môže byť výsledkom fotoelektrického javu (fotoelektrický jav). Na realizáciu fotoelektrického efektu sa používajú fototranzistory, fotodiódy a fotorezistory.
Na rozhraní medzi niekt polovodičov (germánium, kremík atď.) a kovy, vzniká hraničná zóna, v ktorej si atómy dvoch kontaktujúcich materiálov vymieňajú elektróny. Keď svetlo dopadá na hraničnú zónu, elektrická rovnováha v nej je narušená, v dôsledku čoho dochádza k EMF, pri pôsobení ktorého vzniká elektrický prúd vo vonkajšom uzavretom okruhu. EMF a teda aj hodnota prúdu závisí od dopadajúceho svetelného toku a vlnovej dĺžky žiarenia.
Niektoré polovodičové materiály sa používajú ako fotorezistory.V dôsledku dopadu svetla na fotorezistor sa v ňom zvyšuje počet voľných nosičov elektrických nábojov, čo spôsobuje zmenu jeho elektrického odporu.Ak do elektrického obvodu zaradíte fotorezistor, prúd v tomto obvode bude závisieť na energiách svetla dopadajúceho na fotorezistor .
Pozri tiež - Proces premeny slnečnej energie na elektrickú energiu
Chemická a elektrická energia
Vodné roztoky kyselín, zásad a solí (elektrolytov) vedú viac-menej elektrický prúd, čo je spôsobené fenomén elektrickej disociácie látok… Časť molekúl rozpustenej látky (veľkosť tejto časti určuje stupeň disociácie) je v roztoku prítomná vo forme iónov.
Ak sú v roztoku dve elektródy, na ktoré je aplikovaný potenciálny rozdiel, potom sa ióny začnú pohybovať, pričom kladne nabité ióny (katióny) sa pohybujú smerom ku katóde a záporne nabité ióny (anióny) smerom k anóde.
Ióny po príchode na zodpovedajúcu elektródu získajú svoje chýbajúce elektróny alebo sa naopak vzdajú ďalších a v dôsledku toho sa stanú elektricky neutrálnymi. Hmotnosť materiálu naneseného na elektródy je priamo úmerná prenesenému náboju (Faradayov zákon).
V hraničnej zóne medzi elektródou a elektrolytom sú elasticita rozpúšťania kovov a osmotický tlak proti sebe. (Osmotický tlak spôsobuje ukladanie kovových iónov z elektrolytov na elektródy. Tento chemický proces je zodpovedný za rozdiel potenciálov).
Premena elektrickej energie na chemickú energiu
Aby sa dosiahlo usadzovanie látky na elektródach v dôsledku pohybu iónov, je potrebné vynaložiť elektrickú energiu. Tento proces sa nazýva elektrolýza. Táto premena elektrickej energie na chemickú sa využíva v elektrometalurgii na získanie kovov (meď, hliník, zinok atď.) v chemicky čistej forme.
Pri galvanickom pokovovaní sú aktívne oxidujúce kovy pokryté pasívnymi kovmi (pozlátenie, chrómovanie, niklovanie atď.). Pri elektroformovaní sa vyrábajú trojrozmerné odtlačky (klišé) z rôznych telies a ak je takéto teleso vyrobené z nevodivého materiálu, musí byť pred zhotovením odtlačku pokryté elektricky vodivou vrstvou.
Premena chemickej energie na elektrickú energiu
Ak sú dve elektródy vyrobené z rôznych kovov spustené do elektrolytu, potom medzi nimi vzniká potenciálny rozdiel v dôsledku rozdielu v elasticite rozpúšťania týchto kovov. Ak pripojíte prijímač elektrickej energie, napríklad odpor, medzi elektródy mimo elektrolytu, vo výslednom elektrickom obvode bude prúdiť prúd. Tu je návod, ako fungujú galvanické články (primárne prvky).
Prvý meď-zinkový galvanický článok vynašiel Volta. V týchto prvkoch sa chemická energia premieňa na elektrickú energiu. Činnosti galvanických článkov môže brániť jav polarizácie, ku ktorému dochádza v dôsledku usadzovania látky na elektródach.
Všetky galvanické články majú tú nevýhodu, že chemická energia sa v nich nenávratne premieňa na elektrickú energiu, čiže galvanické články sa nedajú dobíjať. Chýba im táto nevýhoda akumulátory.