Přeměna energie — elektrická, tepelná, mechanická, světelná

Pojem energie se používá ve všech vědách. Je také známo, že energetická těla mohou pracovat. Zákon zachování energie uvádí, že energie nemizí a nemůže být vytvořena z ničeho, ale objevuje se ve svých různých formách (například ve formě tepelné, mechanické, světelné, elektrické energie atd.).

Jedna forma energie může přecházet do druhé a zároveň jsou dodržovány přesné kvantitativní poměry různých druhů energie. Obecně řečeno, přechod z jedné formy energie na druhou není nikdy úplný, protože vždy existují jiné (většinou nežádoucí) druhy energie. Například, v elektromotoru ne veškerá elektrická energie se přemění na energii mechanickou, ale její část se přemění na energii tepelnou (ohřev drátů proudy, ohřev v důsledku působení třecích sil).

Fakt neúplného přechodu jednoho druhu energie na jiný charakterizuje koeficient účinnosti (účinnosti).Tento koeficient je definován jako poměr užitečné energie k jejímu celkovému množství nebo jako poměr užitečného výkonu k celkovému.

Elektrická energie má tu výhodu, že může být přenášen relativně snadno a s nízkou ztrátou na velké vzdálenosti a navíc má extrémně širokou škálu aplikací. Distribuce elektrické energie je relativně snadno ovladatelná a lze ji skladovat a skladovat ve známých množstvích.

Během pracovního dne člověk spotřebuje v průměru 1000 kJ neboli 0,3 kW energie. Člověk potřebuje přibližně 8000 kJ ve formě jídla a 8000 kJ na vytápění domácností, průmyslových prostor, vaření atd. kcal nebo 60 kWh

Elektrická a mechanická energie

Elektrická energie se v elektromotorech a v menší míře přeměňuje na energii mechanickou v elektromagnetech… V obou případech související efekty s elektromagnetickým polem… Energetické ztráty, tedy ta část energie, která se nepřevede do požadované podoby, se skládá především z energetických nákladů na ohřev drátů z proudových a třecích ztrát.

Velké elektromotory mají účinnost vyšší než 90 %, zatímco malé elektromotory mají účinnost mírně pod touto úrovní. Pokud má např. elektromotor výkon 15 kW a účinnost rovnou 90 %, pak je jeho mechanický (užitečný) výkon 13,5 kW. Pokud by měl být mechanický výkon elektromotoru roven 15 kW, pak je spotřebovaný elektrický výkon při stejné hodnotě účinnosti 16,67 kWh.

Proces přeměny elektrické energie na mechanickou energii je vratný, to znamená, že mechanická energie může být přeměněna na elektrickou energii (viz — Proces přeměny energie v elektrických strojích). K tomuto účelu se používají především generátorykteré jsou svou konstrukcí podobné elektromotorům a mohou být poháněny parními turbínami nebo hydraulickými turbínami. Tyto generátory mají také energetické ztráty.

Elektrická a tepelná energie

Pokud drát teče elektřina, pak se elektrony při svém pohybu srazí s atomy materiálu vodiče a způsobí jim intenzivnější tepelný pohyb. V tomto případě elektrony ztratí část své energie. Výsledná tepelná energie vede na jedné straně např. ke zvýšení teploty částí a vodičů vinutí elektrických strojů a na druhé straně ke zvýšení teploty prostředí. Je třeba rozlišovat mezi užitečnou tepelnou energií a tepelnými ztrátami.

U elektrických topných zařízení (elektrické kotle, žehličky, topná kamna atd.) je vhodné usilovat o to, aby se elektrická energie co nejúplněji přeměnila na energii tepelnou. To neplatí například v případě elektrického vedení nebo elektromotorů, kde je generovaná tepelná energie nežádoucím vedlejším účinkem, a proto je často nutné ji odebírat.

V důsledku následného zvýšení tělesné teploty dochází k předání tepelné energie do okolí. Proces přenosu tepelné energie probíhá ve formě vedení tepla, proudění a sálání tepla… Ve většině případů je velmi obtížné poskytnout přesný kvantitativní odhad celkového množství uvolněné tepelné energie.

Má-li se těleso ohřívat, musí být hodnota jeho výsledné teploty výrazně vyšší než požadovaná teplota ohřevu. To je nutné, aby se do okolí předalo co nejméně tepelné energie.

Pokud je naopak ohřívání tělesné teploty nežádoucí, pak by hodnota výsledné teploty systému měla být malá. K tomu jsou vytvářeny podmínky, které usnadňují odvod tepelné energie z těla (velká plocha kontaktu těla s okolím, nucená ventilace).

Tepelná energie vyskytující se v elektrických vodičích omezuje množství proudu, který je v těchto vodičích povolen. Maximální přípustná teplota vodiče je dána tepelným odporem jeho izolace. Proč, zajistit převod nějakého konkrétního elektrická síla, měli byste zvolit nejnižší možnou hodnotu proudu a podle toho hodnotu vysokého napětí. Za těchto podmínek se sníží náklady na materiál drátu. Je tedy ekonomicky možné přenášet vysoce výkonnou elektrickou energii při vysokém napětí.

Přeměna tepelné energie na elektrickou energii

Tepelná energie se přeměňuje přímo na elektrickou energii v tzv termoelektrické měniče… Termočlánek termoelektrického měniče se skládá ze dvou kovových vodičů vyrobených z různých materiálů (např. mědi a konstantanu) a připájených k sobě na jednom konci.

Při určitém teplotním rozdílu mezi bodem připojení a dalšími dvěma konci dvou vodičů, EMF, která je v první aproximaci přímo úměrná tomuto teplotnímu rozdílu. Toto termo-EMF, rovné několika milivoltům, lze zaznamenat pomocí vysoce citlivých voltmetrů. Pokud je voltmetr kalibrován ve stupních Celsia, pak spolu s termoelektrickým převodníkem lze výsledné zařízení použít pro přímé měření teploty.

Konverzní výkon je nízký, takže takové měniče se prakticky nepoužívají jako zdroje elektrické energie. V závislosti na materiálech použitých k výrobě termočlánku pracuje v různých teplotních rozsazích. Pro srovnání lze uvést některé charakteristiky různých termočlánků: měděný-konstantní termočlánek je použitelný až do 600 °C, EMF je přibližně 4 mV při 100 °C; termočlánek s konstantou železa je použitelný až do 800 °C, EMF je přibližně 5 mV při 100 °C.

Příklad praktického využití přeměny tepelné energie na elektrickou — Termoelektrické generátory

Elektrická a světelná energie

Z hlediska fyziky světlo ano elektromagnetická radiace, která odpovídá určité části spektra elektromagnetického vlnění a kterou lidské oko dokáže vnímat. Spektrum elektromagnetických vln dále zahrnuje rádiové vlny, teplo a rentgenové záření. Dívej se - Základní množství osvětlení a jejich poměry

Světelné záření je možné získat pomocí elektrické energie v důsledku tepelného záření a výboje plynu.Tepelné (teplotní) záření vzniká v důsledku zahřívání pevných nebo kapalných těles, která vlivem zahřívání vyzařují elektromagnetické vlny různých vlnových délek. Rozložení intenzity tepelného záření závisí na teplotě.

S rostoucí teplotou se maximální intenzita záření posouvá k elektromagnetickým oscilacím s kratší vlnovou délkou. Při teplotě asi 6500 K nastává maximální intenzita záření při vlnové délce 0,55 μm, tzn. na vlnové délce, která odpovídá maximální citlivosti lidského oka. Pro účely osvětlení nelze samozřejmě žádné pevné těleso zahřát na takovou teplotu.

Wolfram odolává nejvyšší teplotě ohřevu. Ve vakuových skleněných lahvích se může zahřát na teplotu 2100 °C a při vyšších teplotách se začne odpařovat. Proces odpařování lze zpomalit přidáním některých plynů (dusík, krypton), což umožňuje zvýšit teplotu ohřevu na 3000 °C.

Aby se snížily ztráty v žárovkách v důsledku výsledné konvekce, je vlákno vyrobeno ve formě jednoduché nebo dvojité spirály. I přes tato opatření však Světelná účinnost žárovek je 20 lm/W, což je ještě dost daleko od teoreticky dosažitelného optima. Zdroje tepelného záření mají velmi nízkou účinnost, protože se u nich většina elektrické energie přeměňuje na tepelnou energii a ne na světlo.

Ve zdrojích světla s plynovými výboji se elektrony srážejí s atomy nebo molekulami plynu a tím způsobují, že emitují elektromagnetické vlny o určité vlnové délce. Celý objem plynu je zapojen do procesu vyzařování elektromagnetických vln a obecně čáry spektra takového záření neleží vždy v oblasti viditelného světla. V současné době jsou v osvětlení nejrozšířenější LED světelné zdroje. Dívej se - Výběr světelných zdrojů pro průmyslové prostory. 

Přeměna světelné energie na elektrickou energii

Světelná energie může být přeměněna na elektrickou energii a tento přechod je z fyzikálního hlediska možný dvěma různými způsoby. Tato přeměna energie může být výsledkem fotoelektrického jevu (fotoelektrický jev). K realizaci fotoelektrického jevu se používají fototranzistory, fotodiody a fotorezistory.

Na rozhraní mezi některými polovodiče (germanium, křemík atd.) a kovů, vzniká hraniční zóna, ve které si atomy dvou kontaktujících materiálů vyměňují elektrony. Při dopadu světla na hraniční zónu je v ní narušena elektrická rovnováha, v důsledku čehož dochází k EMF, při jehož působení vzniká elektrický proud ve vnějším uzavřeném obvodu. EMF a tedy i hodnota proudu závisí na dopadajícím světelném toku a vlnové délce záření.

Některé polovodičové materiály se používají jako fotorezistory.V důsledku dopadu světla na fotorezistor se v něm zvýší počet volných nosičů elektrických nábojů, což způsobí změnu jeho elektrického odporu Zařadíte-li fotorezistor do elektrického obvodu, bude proud v tomto obvodu záviset na energiích světla dopadajícího na fotorezistor .

Viz také — Proces přeměny sluneční energie na elektřinu

Chemická a elektrická energie

Vodné roztoky kyselin, zásad a solí (elektrolytů) vedou více či méně elektrický proud, což je způsobeno fenomén elektrické disociace látek… Některé molekuly rozpuštěné látky (velikost této části určuje stupeň disociace) jsou v roztoku přítomny ve formě iontů.

Pokud jsou v roztoku dvě elektrody, na které je aplikován rozdíl potenciálů, pak se ionty začnou pohybovat, přičemž kladně nabité ionty (kationty) se pohybují směrem ke katodě a záporně nabité ionty (anionty) směrem k anodě.

Když ionty dorazí k odpovídající elektrodě, získají své chybějící elektrony nebo se naopak vzdají dalších a v důsledku toho se stanou elektricky neutrálními. Hmotnost materiálu naneseného na elektrody je přímo úměrná přenesenému náboji (Faradayův zákon).

V hraniční zóně mezi elektrodou a elektrolytem jsou elasticita rozpouštění kovů a osmotický tlak proti sobě. (Osmotický tlak způsobuje ukládání kovových iontů z elektrolytů na elektrody. Tento chemický proces je sám o sobě zodpovědný za rozdíl potenciálů).

Přeměna elektrické energie na chemickou energii

Aby bylo dosaženo usazování látky na elektrodách v důsledku pohybu iontů, je nutné vynaložit elektrickou energii. Tento proces se nazývá elektrolýza. Této přeměny elektrické energie na energii chemickou se v elektrometalurgii získávají kovy (měď, hliník, zinek atd.) v chemicky čisté formě.

Při galvanickém pokovování jsou aktivně oxidující kovy pokryty pasivními kovy (zlacení, chromování, niklování atd.). Při galvanoplastice se vyrábí trojrozměrné otisky (klišé) z různých těles, a pokud je takové těleso vyrobeno z nevodivého materiálu, musí být před zhotovením otisku pokryto elektricky vodivou vrstvou.

Přeměna chemické energie na elektrickou energii

Pokud jsou do elektrolytu spuštěny dvě elektrody vyrobené z různých kovů, vzniká mezi nimi rozdíl potenciálů v důsledku rozdílu v elasticitě rozpouštění těchto kovů. Pokud mezi elektrody vně elektrolytu připojíte přijímač elektrické energie, například rezistor, pak ve výsledném elektrickém obvodu poteče proud. Zde je návod, jak fungují galvanické články (primární prvky).

První měděno-zinkový galvanický článek vynalezl Volta. V těchto prvcích se chemická energie přeměňuje na elektrickou energii. Činnosti galvanických článků může bránit jev polarizace, ke kterému dochází v důsledku usazování látky na elektrodách.

Všechny galvanické články mají tu nevýhodu, že se v nich chemická energie nevratně přeměňuje na elektrickou, to znamená, že galvanické články nelze dobíjet. Postrádají tuto nevýhodu akumulátory.