Преобразование энергии — электрической, тепловой, механической, световой

Понятие энергии применяется во всех науках. При этом известно, что обладающие энергией тела могут производить работу. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не исчезает и не может быть создана из ничего, а выступает в различных своих формах (например, в форме тепловой, механической, световой, электрической энергии и т. д.).

Одна форма энергии может переходить в другую, и при этом соблюдаются точные количественные соотношения различных видов энергии. Вообще говоря, переход одной формы энергии в другую никогда не происходит полностью, так как всегда возникают еще и другие (чаще всего нежелательные) виды энергии. Например, в электродвигателе не вся электрическая энергия переходит в механическую, а часть ее переходит в тепловую (нагрев про­водников токами, разогрев в результате действия сил трения).

Факт неполного перехода одного вида энергии в другой характеризует коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент определяется как отношение полезной энергии к ее общему количеству или же как отношение полезной мощности к общей.

Электрическая энергия имеет то преимущество, что ее можно сравнительно легко и с малыми потерями передавать на большие расстояния, и, кроме того, она имеет чрезвычайно широкий круг применений. Распределением электрической энергии относительно легко управлять, и в известных количествах ее можно аккумулировать и хранить.

В течение одного рабочего дня человек в среднем затрачивает энергию, равную 1000 кДж, или 0,3 кВт. Человеку нужно приблизительно 8000 кДж в виде пищи и 8000 кДж на отопление жилищ, производственных помещений, на приготовление пищи и т. д. Если добавить к этому энергетические затраты в промышленности и на транспорте, то на одного человека ежедневно приходятся энергетические затраты приблизительно в размере 200 000 ккал, или 60 кВт- ч.

Электрическая и механическая энергия

Электрическая энергия преобразуется в механическую в электродвигателях и в меньшей степени в электромагнитах. В обоих случаях используются эффекты, связанные с электромагнитным полем. Потери энергии, т. е. та часть энергии, которая не переходит в желаемую форму, складываются в основном из энергетических затрат на нагрев током проводников и потерь, связанных с трением.

Большие электродвигатели имеют КПД, превышающий 90%, а у небольших электродвигателей КПД несколько ниже этого уровня. Если, например, электродвигатель имеет мощность 15 кВт и КПД, равный 90 %, то его механическая (полезная) мощность 13,5 кВт. Если же механическая мощность электродвигателя должна быть равна 15 кВт, то потребляемая электрическая мощность при том же значении КПД — 16,67 кВт-ч.

Процесс перехода электрической энергии в механическую обратим, т. е. механическую энергию можно преобразовать в энергию электрическую (смотрите — Процесс преобразования энергии в электрическим машинах). Для этой цели применяются в основном генераторы, которые по своей конструкции подобны электродвигателям и могут приводиться в действие при помощи паровых турбин или гидротурбин. В таких генераторах также есть энергетические потери.

Электрическая и тепловая энергия

Если по проводнику протекает электрический ток, то электроны при своем движении сталкиваются с атомами материала проводника и побуждают их к более интенсивному тепловому движению. При этом электроны теряют часть своей энергии. Возникшая таким образом тепловая энергия, с одной стороны, приводит, например, к повышению температуры деталей и проводов обмоток в электрических машинах, и с другой — к повышению температуры окружающей среды. Следует различать полезную тепловую энергию и тепловую энергию потерь.

В электронагревательных приборах (электрокипятильники, утюги, нагревательные печи и т. д.) желательно стремиться к тому, чтобы электрическая энергия как можно полнее перешла в энергию тепловую. Иначе дело обстоит, например, в случае линий электропередачи или же электродвигателей, где возникающая тепловая энергия представляет собой нежелательное побочное явление, ввиду чего часто должны приниматься меры по ее отводу.

Вследствие возникшего повышения температуры тела тепловая энергия передается окружающей среде. Процесс передачи тепловой энергии реализуется в форме теплопроводности, конвекции и теплового излучения. В большинстве случаев весьма затруднительно дать точную количественную оценку общего количества выделяемой тепловой энергии.

Если какое-либо тело нужно разогреть, то значение его конечной температуры должно быть значительно выше требуемой температуры разогрева. Это необходимо для того, чтобы как можно меньше тепловой энергии передавалось окружающей среде.

Если же, напротив, разогрев температуры тела является нежелательным, то значение конечной температуры системы должно быть малым. Для этой цели создаются условия, способствующие отводу от тела тепловой энергии (большая поверхность контакта тела с окружающей средой, принудительная вентиляция).

Возникающая в электрических проводах тепловая энергия ограничивает значение тока, который допустим в этих проводах. Предельная допускаемая температура провода определяется термической стойкостью его изоляции. Для чего чтобы обеспечить передачу некоторой определенной электрической мощности, следует выбирать как можно меньшее значение тока и соответственно большое значение напряжения. При этих условиях снизятся затраты на материал проводов. Таким образом, электрическую энергию при большой мощности экономически целесообразно передавать при высоких напряжениях.

Переход тепловой энергии в электрическую

Тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую в так называемых термоэлектрических преобразователях. Термопара термоэлектрического преобразователя состоит из двух металлических проводников, изготовленных из разных материалов (например, из меди и константана) и спаянных вместе одними своими концами.

При некоторой разности температур между точкой спая и двумя другими концами обоих проводников возникает ЭДС, которая в первом приближении прямо пропорциональна этой разнице температур. Эта термо-ЭДС, равная нескольким милливольтам, может быть зарегистрирована при помощи высокочувствительных вольтметров. Если вольтметр проградуировать в градусах Цельсия, то вместе с термоэлектрическим преобразователем полученное устройство можно применить для непосредственного измерения температуры.

Мощность преобразования невелика, поэтому такие преобразователи практически не применяются как источники электрической энергии. В зависимости от того, какие материалы применены для изготовления термопары, она работает в различных диапазонах температур. Для сравнения можно привести некоторые характеристики различных термопар: термопара медь — константан применима до 600 °С, ЭДС приблизительно 4 мВ на 100 °С; термопара железо — константан применима до 800 °С, ЭДС приблизительно 5 мВ на 100 °С.

Пример практического использования преобразования тепловой энергии в электрическую — Термоэлектрические генераторы

Электрическая и световая энергия

С точки зрения физики свет представляет собой электромагнитное излучение, которое соответствует определенному участку спектра электромагнитных волн и которое способен воспринимать человеческий глаз. К спектру электромагнитных волн принадлежат также радиоволны, тепловое и рентгеновское излучение. Смотрите — Основные светотехнические величины и их соотношения

Получить световое излучение при помощи электрической энергии можно в результате теплового излучения и путем газового разряда. Тепловое (температурное) излучение возникает в результате разогрева твердых или жидких тел, которые вследствие разогрева испускают электромагнитные волны с различными длинами волн. Распределение интенсивности теплового излучения зависит от температуры.

При повышении температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону электромагнитных колебаний с более короткой длиной волны. При температуре приблизительно 6500 К максимум интенсивности излучения приходится на длину волны 0,55 мкм, т. е. на ту длину волны, которой соответствует максимальная чувствительность человеческого глаза. Однако для нужд освещения никакое твердое тело до такой температуры нагрето, разумеется, быть не может.

Самую большую температуру разогрева выдерживает вольфрам. В вакуумных стеклянных баллонах его можно разогревать до температуры 2100 °С, а при более высоких температурах начинается его испарение. Процесс испарения может быть замедлен путем добавления некоторых газов (азота, криптона), благодаря чему представляется возможным поднять температуру накала до 3000 °С.

Для снижения потерь в лампах накаливания в результате возникающей конвекции нить накаливания выполняется в виде одинарной или двойной спирали. Однако несмотря на эти меры, показатель светоотдачи для ламп накаливания составляет 20 лм/Вт, что еще весьма турах далеко от теоретически достижимого оптимума. Источники теплового излучения имеют весьма малый КПД, так как в них большая часть электрической энергии переходит в энергию тепловую, а не в световую.

В газоразрядных источниках света электроны сталкиваются с атомами или молекулами газа и тем самым побуждают их к излучению электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. В процессе излучения электромагнитных волн принимает участие весь объем газа, причем, вообще говоря, линии спектра такого излучения не всегда лежат в диапазоне видимого света. В нстоящее врямя в освещении нибольшее распространение находят светодиодные источники света. Смотрите — Выбор источников света про промышленных помещений.

Переход световой энергии в электрическую

Световая энергия может переходить в электрическую, причем этот переход возможен двумя различными с физической точки зрения путями. Такое преобразование энергии может быть результатом фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для реализации фотоэффекта применяются фототранзисторы, фотодиоды и фоторезисторы.

На границе раздела между некоторыми полупроводниками (германием, кремнием и др.) и металлами образуется граничная зона, в которой атомы обоих контактирующих материалов обмениваются электронами. При падении света на граничную зону электрическое равновесие в ней нарушается, в результате чего возникает ЭДС, под действием которой во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток. ЭДС и, следовательно, значение тока зависят от падающего светового потока и длины волны излучения.

В качестве фоторезисторов используются некоторые полупроводниковые материалы. В результате воздействия света на фоторезистор в нем увеличивается число свободных носителей электрических зарядов, что вызывает изменение его электрического сопротивления. Если включить фоторезистор в электрическую цепь, то ток в этой цепи будет зависеть от энергий света, падающего на фоторезистор.

Химическая и электрическая энергия

Водные растворы кислот, оснований и солей (электролиты) проводят в той или иной степени электрический ток, что обусловлено явлением электрической диссоциации веществ. Некоторая часть молекул растворенного вещества (размер этой части определяет степень диссоциации) присутствует в растворе в виде ионов.

Если в растворе находятся два электрода, к которым приложена разность потенциалов, то ионы придут в движение, причем положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться по направлению к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду.

Достигнув соответствующего электрода, ионы приобретают недостающие им электроны или же, наоборот, отдают лишние и в результате становятся электрически нейтральными. Масса материала, откладывающегося на электродах, прямо пропорциональна перенесенному заряду (закон Фарадея).

В граничной зоне между электродом и электролитом упругость растворения металлов и осмотическое давление противодействуют друг другу. (Осмотическое давление обусловливает осаждение ионов металлов из электролитов на электродах. Этот химический процесс сам является причиной возникновения разницы потенциалов).

Переход электрической энергии в химическую энергию

Для того чтобы в результате движения ионов добиться осаждения вещества на электродах, необходимо затратить электрическую энергию. Этот процесс называется электролизом. Такой переход электрической энергии в химическую находит применение в электрометаллургий для получения металлов (меди, алюминия, цинка и др.) в химически чистом виде.

В гальваностегии активно окисляющиеся металлы покрываются пассивными металлами (золочение, хромирование, никелирование и т. д.). В гальванопластике изготавливают объемные отпечатки (клише) различных тел, причем если такое тело сделано из непроводящего материала, то оно перед изготовлением отпечатка должно быть покрыто проводящим электрический ток слоем.

Переход химической энергии в электрическую

Если опустить в электролит два электрода, изготовленных из различных металлов, то между ними возникнет разность потенциалов, обусловленная различием в упругости растворения этих металлов. Если менаду электродами вне электролита включить приемник электрической энергии, например резистор, то в образовавшейся электрической цепи пойдет ток. Так устроены гальванические элементы (первичные элементы).

Первый медно-цинковый гальванический элемент был изобретен Вольта. В этих элементах происходит преобразование энергии химической в энергию электрическую. Работе гальванических элементов может помешать явление поляризации, возникающее в результате осаждения вещества на электродах.

Все гальванические элементы имеют тот недостаток, что в них химическая энергия преобразуется в электрическую необратимо, т. е. гальванические элементы нельзя заряжать вновь. Этого недостатка лишены аккумуляторы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Преобразование энергии: определение, виды и процесс передачи

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии – одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой. В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте. От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

Виды преобразования электрической энергии

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Преобразование энергии тепла

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества. В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов. Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока. То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы – как правило, газовые смеси. Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии. Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором – накапливается и отдается по мере надобности.

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы. В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь. Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения. Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам. Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой. В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей. Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Преобразование электромеханической энергии

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики. Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения. То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей. К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери. Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы – в качестве мотора или генератора.

Генерация электричества из химической энергии

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется – по крайней мере, в виде концентрированных реакций. В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности. Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии. С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов. Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора. В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже. В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Преобразование паровой энергии

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа. Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение – турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром. По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую. Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины. Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, – электрический, гравитационный, ядерный и слабый. Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена. Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу. Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д. Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла – полезную теплоту.

Заключение

Переход энергии из одной формы в другую является нормальным, а в некоторых отраслях обязательным условием производственного энергетического процесса. В разных случаях необходимость включения этого этапа может объясняться экономическими, технологическими, экологическими и другими факторами генерации ресурса. При этом, несмотря на разнообразие естественных и искусственно организующихся способов трансформации энергии, подавляющее большинство установок, обеспечивающих процессы преобразования, применяются только для электричества, теплоты и механической работы. Средства для преобразования электрической энергии и вовсе являются самыми распространенными. Электрические машины, обеспечивающие трансформацию механической работы в электроэнергию по принципу индукции, к примеру, используются практически во всех сферах, где задействуют сложные технические устройства, агрегаты и приборы. И эта тенденция не снижается, так как человечество нуждается в постоянном увеличении объемов энергетического производства, что заставляет искать новые источники первичной энергии. На данный момент наиболее перспективными направлениями в энергетике считаются системы генерации того же электричества из механической энергии, производимой Солнцем, ветром и потоками воды в естественной природе.

Источник