Conversió d'energia: elèctrica, tèrmica, mecànica, lleugera
El concepte d'energia s'utilitza en totes les ciències. També se sap que els cossos energètics poden fer feina. Llei de conservació de l'energia afirma que l'energia no desapareix ni es pot crear del no-res, sinó que apareix en les seves diferents formes (per exemple, en forma d'energia tèrmica, mecànica, lluminosa, elèctrica, etc.).
Una forma d'energia pot passar a una altra i al mateix temps s'observen proporcions quantitatives precises de diferents tipus d'energia. En termes generals, la transició d'una forma d'energia a una altra mai no és completa, ja que sempre hi ha altres tipus d'energia (la majoria no desitjades). Per exemple, en el motor elèctric no tota l'energia elèctrica es converteix en energia mecànica, però una part es converteix en energia tèrmica (escalfament dels cables per corrents, escalfament com a resultat de l'acció de les forces de fricció).
El fet de la transició incompleta d'un tipus d'energia a un altre caracteritza el coeficient d'eficiència (eficiència).Aquest coeficient es defineix com la relació entre l'energia útil i la seva quantitat total o com la relació entre la potència útil i el total.
Energia elèctrica té l'avantatge que es pot transmetre amb relativa facilitat i amb baixes pèrdues a llargues distàncies i, a més, té un ventall d'aplicacions extremadament ampli. La distribució d'energia elèctrica és relativament fàcil de gestionar i es pot emmagatzemar i emmagatzemar en quantitats conegudes.
Durant una jornada laboral, una persona utilitza una mitjana de 1000 kJ o 0,3 kW d'energia. Una persona necessita aproximadament 8000 kJ en forma d'aliment i 8000 kJ per escalfar habitatges, locals industrials, cuinar, etc. kcal, o 60 kWh
Energia elèctrica i mecànica
L'energia elèctrica es converteix en energia mecànica en els motors elèctrics i en menor mesura en electroimants… En ambdós casos els efectes associats amb un camp electromagnètic… Les pèrdues d'energia, és a dir, aquella part de l'energia que no es transforma en la forma desitjada, consisteixen principalment en costos energètics per escalfar cables a partir de pèrdues de corrent i per fricció.
Els motors elèctrics grans tenen una eficiència superior al 90%, mentre que els motors elèctrics petits tenen una eficiència lleugerament per sota d'aquest nivell. Si, per exemple, el motor elèctric té una potència de 15 kW i una eficiència igual al 90%, aleshores la seva potència mecànica (útil) és de 13,5 kW. Si la potència mecànica del motor elèctric ha de ser igual a 15 kW, la potència elèctrica consumida amb el mateix valor d'eficiència és de 16,67 kWh.
El procés de conversió d'energia elèctrica en energia mecànica és reversible, és a dir, l'energia mecànica es pot convertir en energia elèctrica (vegeu: Procés de conversió d'energia en màquines elèctriques). Amb aquesta finalitat s'utilitzen principalment generadorsque tenen un disseny similar als motors elèctrics i poden ser accionats per turbines de vapor o turbines hidràuliques. Aquests generadors també tenen pèrdues energètiques.
Energia elèctrica i tèrmica
Si el cable flueix electricitat, llavors els electrons en el seu moviment xoquen amb els àtoms del material del conductor i els provoquen un moviment tèrmic més intens. En aquest cas, els electrons perden part de la seva energia. L'energia tèrmica resultant, d'una banda, condueix, per exemple, a un augment de la temperatura de les peces i cables dels bobinatges en màquines elèctriques, i d'altra banda a un augment de la temperatura de l'ambient. Cal distingir entre l'energia calorífica útil i les pèrdues de calor.
En els aparells de calefacció elèctrica (calderes elèctriques, planxes, estufes de calefacció, etc.) s'aconsella procurar que l'energia elèctrica es converteixi el més completament possible en energia tèrmica. No és així, per exemple, en el cas de línies elèctriques o motors elèctrics, on l'energia calorífica generada és un efecte secundari no desitjat i, per tant, sovint s'ha d'aprofitar per eliminar-la.
Com a resultat de l'augment posterior de la temperatura corporal, l'energia tèrmica es transfereix al medi ambient. El procés de transferència d'energia tèrmica té lloc en forma conducció de calor, convecció i radiació de calor… En la majoria dels casos és molt difícil donar una estimació quantitativa precisa de la quantitat total d'energia tèrmica alliberada.
Si s'ha d'escalfar un cos, el valor de la seva temperatura final ha de ser significativament superior a la temperatura d'escalfament requerida. Això és necessari per transmetre la menor energia calorífica possible al medi ambient.
Si, per contra, l'escalfament de la temperatura corporal no és desitjable, el valor de la temperatura final del sistema hauria de ser petit. Amb aquesta finalitat, es creen condicions que faciliten l'eliminació de l'energia tèrmica del cos (gran superfície de contacte del cos amb l'entorn, ventilació forçada).
L'energia tèrmica que es produeix als cables elèctrics limita la quantitat de corrent que es permet en aquests cables. La temperatura màxima permesa del conductor ve determinada per la resistència tèrmica del seu aïllament. Per què, per garantir la transferència d'alguns específics força elèctrica, haureu de triar el valor de corrent més baix possible i, en conseqüència, el valor d'alta tensió. En aquestes condicions, el cost del material de filferro es reduirà. Així, és econòmicament possible transmetre energia elèctrica d'alta potència a alts voltatges.
Conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica
L'energia tèrmica es converteix directament en energia elèctrica en l'anomenada convertidors termoelèctrics... El termoparell d'un convertidor termoelèctric consta de dos conductors metàl·lics fets de materials diferents (per exemple, coure i constantà) i soldats junts en un extrem.
A una certa diferència de temperatura entre el punt de connexió i els altres dos extrems dels dos cables, EMF, que en la primera aproximació és directament proporcional a aquesta diferència de temperatura. Aquest termo-EMF, igual a uns quants mil·livolts, es pot registrar amb voltímetres altament sensibles. Si el voltímetre està calibrat en graus Celsius, juntament amb el convertidor termoelèctric, el dispositiu resultant es pot utilitzar per a la mesura directa de la temperatura.
La potència de conversió és baixa, de manera que aquests convertidors pràcticament no s'utilitzen com a fonts d'energia elèctrica. Depenent dels materials utilitzats per fer el termopar, funciona en diferents intervals de temperatura. Per a la comparació, es poden indicar algunes característiques de diferents termoparells: un termoparell de coure-constantan s'aplica fins a 600 ° C, l'EMF és d'aproximadament 4 mV a 100 ° C; un termoparell constant de ferro és aplicable fins a 800 °C, l'EMF és d'aproximadament 5 mV a 100 °C.
Un exemple de l'ús pràctic de la conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica: Generadors termoelèctrics
Energia elèctrica i lluminosa
Pel que fa a la física, la llum ho és radiació electromagnètica, que correspon a una part determinada de l'espectre d'ones electromagnètiques i que l'ull humà pot percebre. L'espectre d'ones electromagnètiques també inclou ones de ràdio, calor i raigs X. Mira - Quantitats bàsiques d'il·luminació i les seves proporcions
És possible obtenir radiació lumínica utilitzant energia elèctrica com a resultat de la radiació tèrmica i per descàrrega de gas.La radiació tèrmica (temperatura) es produeix com a conseqüència de l'escalfament de cossos sòlids o líquids, que, a causa de l'escalfament, emeten ones electromagnètiques de diferents longituds d'ona. La distribució de la intensitat de la radiació tèrmica depèn de la temperatura.
A mesura que augmenta la temperatura, la intensitat màxima de radiació canvia a oscil·lacions electromagnètiques amb una longitud d'ona més curta. A una temperatura d'uns 6500 K, la màxima intensitat de radiació es produeix a una longitud d'ona de 0,55 μm, és a dir. a la longitud d'ona que correspon a la màxima sensibilitat de l'ull humà. Per a finalitats d'il·luminació, cap cos sòlid es pot escalfar a aquesta temperatura, és clar.
El tungstè suporta la temperatura d'escalfament més alta. En ampolles de vidre al buit, es pot escalfar a una temperatura de 2100 ° C, i a temperatures més altes comença a evaporar-se. El procés d'evaporació es pot alentir afegint alguns gasos (nitrogen, criptó), que permet augmentar la temperatura d'escalfament a 3000 ° C.
Per tal de reduir les pèrdues en les làmpades incandescents com a conseqüència de la convecció resultant, el filament es fa en forma d'espiral simple o doble. Malgrat aquestes mesures, però l'eficiència lluminosa de les làmpades incandescents és de 20 lm/W, que encara està força lluny de l'òptim teòricament assolible. Les fonts de radiació tèrmica tenen una eficiència molt baixa, perquè amb elles la major part de l'energia elèctrica es converteix en energia tèrmica i no en llum.
A les fonts de llum de descàrrega de gas, els electrons xoquen amb àtoms o molècules de gas i, per tant, fan que emeti ones electromagnètiques d'una determinada longitud d'ona. Tot el volum de gas està implicat en el procés d'emissió d'ones electromagnètiques i, en general, les línies de l'espectre d'aquesta radiació no sempre es troben en el rang de la llum visible. Actualment, les fonts de llum LED són les més utilitzades en il·luminació. Mira - L'elecció de fonts de llum per a locals industrials.
Transició de l'energia lluminosa a energia elèctrica
L'energia lluminosa es pot convertir en energia elèctrica i aquesta transició és possible de dues maneres diferents des del punt de vista físic. Aquesta conversió d'energia pot ser el resultat de l'efecte fotoelèctric (efecte fotoelèctric). Per realitzar l'efecte fotoelèctric, s'utilitzen fototransistors, fotodíodes i fotoresistors.
A la interfície entre alguns semiconductors (germani, silici, etc.) i metalls, es forma una zona límit en la qual els àtoms dels dos materials en contacte intercanvien electrons. Quan la llum cau a la zona límit, l'equilibri elèctric en ella es veu alterat, com a resultat de la qual cosa es produeix un EMF, sota l'acció del qual sorgeix un corrent elèctric en un circuit tancat extern. L'EMF i per tant el valor del corrent depèn del flux de llum incident i de la longitud d'ona de la radiació.
Alguns materials semiconductors s'utilitzen com a fotoresistències.Com a conseqüència de l'impacte de la llum sobre la fotoresistència, augmenta el nombre de portadors lliures de càrregues elèctriques que hi ha, fet que provoca un canvi en la seva resistència elèctrica.Si s'inclou una fotoresistència en un circuit elèctric, el corrent en aquest circuit dependrà sobre les energies de la llum que cau sobre la fotoresistència.
Vegeu també - Procés de conversió de l'energia solar en electricitat
Energia química i elèctrica
Les solucions aquoses d'àcids, bases i sals (electròlits) condueixen més o menys corrent elèctric, que es deu a el fenomen de la dissociació elèctrica de substàncies… Algunes de les molècules de solut (la mida d'aquesta part determina el grau de dissociació) està present a la solució en forma d'ions.
Si hi ha dos elèctrodes a la solució als quals s'aplica una diferència de potencial, aleshores els ions començaran a moure's, amb els ions carregats positivament (cations) movent-se cap al càtode i els ions carregats negativament (anions) cap a l'ànode.
En arribar a l'elèctrode corresponent, els ions adquireixen els electrons que falten o, per contra, renuncien als addicionals i, com a conseqüència, esdevenen elèctricament neutres. La massa de material dipositat sobre els elèctrodes és directament proporcional a la càrrega transferida (llei de Faraday).
A la zona límit entre l'elèctrode i l'electròlit, l'elasticitat de dissolució dels metalls i la pressió osmòtica s'oposen. (La pressió osmòtica provoca la deposició d'ions metàl·lics dels electròlits sobre els elèctrodes. Aquest procés químic només és responsable de la diferència de potencial).
Conversió d'energia elèctrica en energia química
Per aconseguir la deposició d'una substància sobre els elèctrodes com a resultat del moviment dels ions, cal gastar energia elèctrica. Aquest procés s'anomena electròlisi. Aquesta conversió d'energia elèctrica en energia química s'utilitza en electrometal·lúrgia per obtenir metalls (coure, alumini, zinc, etc.) en forma químicament pura.
En la galvanoplastia, els metalls que s'oxiden activament es cobreixen amb metalls passius (daurat, cromat, niquelat, etc.). En l'electroformació, les impressions tridimensionals (clixés) es fan de diversos cossos, i si aquest cos està fet d'un material no conductor, s'ha de cobrir amb una capa elèctricament conductora abans de fer la impressió.
Conversió d'energia química en energia elèctrica
Si dos elèctrodes fets de metalls diferents es baixen a l'electròlit, sorgeix una diferència de potencial entre ells, a causa de la diferència en l'elasticitat de dissolució d'aquests metalls. Si connecteu un receptor d'energia elèctrica, per exemple, una resistència, entre els elèctrodes fora de l'electròlit, fluirà un corrent al circuit elèctric resultant. Així és com funcionen cèl·lules galvàniques (elements primaris).
La primera cel·la galvànica de coure-zinc va ser inventada per Volta. En aquests elements, l'energia química es converteix en energia elèctrica. El funcionament de les cèl·lules galvàniques es pot veure obstaculitzat pel fenomen de polarització, que es produeix com a conseqüència de la deposició d'una substància sobre els elèctrodes.
Totes les cèl·lules galvàniques tenen l'inconvenient que en elles l'energia química es converteix de manera irreversible en energia elèctrica, és a dir, les cèl·lules galvàniques no es poden recarregar. Estan desproveïts d'aquest inconvenient acumuladors.