Energieumwandlung – elektrisch, thermisch, mechanisch, Licht

Der Energiebegriff wird in allen Wissenschaften verwendet. Es ist auch bekannt, dass Energiekörper Arbeit verrichten können. Gesetz der Energieerhaltung besagt, dass Energie nicht verschwindet und nicht aus dem Nichts erzeugt werden kann, sondern in ihren verschiedenen Formen erscheint (z. B. in Form von thermischer, mechanischer, Licht-, elektrischer Energie usw.).

Eine Energieform kann in eine andere übergehen und gleichzeitig werden genaue Mengenverhältnisse verschiedener Energiearten eingehalten. Im Allgemeinen ist der Übergang von einer Energieform zur anderen nie vollständig, da es immer auch andere (meist unerwünschte) Energiearten gibt. Zum Beispiel, im Elektromotor Nicht die gesamte elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt, sondern ein Teil davon in thermische Energie (Erwärmung von Drähten durch Ströme, Erwärmung durch Einwirkung von Reibungskräften).

Die Tatsache des unvollständigen Übergangs einer Energieart zu einer anderen charakterisiert den Wirkungsgrad (Wirkungsgrad).Dieser Koeffizient ist definiert als das Verhältnis der Nutzenergie zur Gesamtmenge bzw. als Verhältnis der Nutzenergie zur Gesamtmenge.

Elektrische Energie Es hat den Vorteil, dass es relativ einfach und verlustarm über weite Distanzen übertragen werden kann und darüber hinaus ein äußerst breites Einsatzspektrum aufweist. Die Verteilung elektrischer Energie ist relativ einfach zu bewältigen und kann in bekannten Mengen gespeichert und gespeichert werden.

An einem Arbeitstag verbraucht ein Mensch durchschnittlich 1000 kJ oder 0,3 kW Energie. Der Mensch benötigt etwa 8000 kJ in Form von Nahrungsmitteln und 8000 kJ zum Heizen von Häusern, Industrieräumen, zum Kochen usw. kcal oder 60 kWh

Elektrische und mechanische Energie

Elektrische Energie wird in Elektromotoren und in geringerem Maße in mechanische Energie umgewandelt in Elektromagneten… In beiden Fällen die damit verbundenen Auswirkungen mit einem elektromagnetischen Feld… Energieverluste, also der Teil der Energie, der nicht in die gewünschte Form umgewandelt wird, bestehen hauptsächlich aus Energiekosten für Heizdrähte aus Strom- und Reibungsverlusten.

Große Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von über 90 %, während kleine Elektromotoren einen Wirkungsgrad leicht darunter haben. Wenn der Elektromotor beispielsweise eine Leistung von 15 kW und einen Wirkungsgrad von 90 % hat, beträgt seine mechanische (Nutz-)Leistung 13,5 kW. Soll die mechanische Leistung des Elektromotors 15 kW betragen, beträgt die aufgenommene elektrische Leistung bei gleichem Wirkungsgrad 16,67 kWh.

Der Prozess der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie ist reversibel, d. h. mechanische Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden (siehe – Energieumwandlungsprozess in elektrischen Maschinen). Zu diesem Zweck werden sie hauptsächlich verwendet Generatorendie im Aufbau Elektromotoren ähneln und durch Dampfturbinen oder Wasserturbinen angetrieben werden können. Auch diese Generatoren weisen Energieverluste auf.

Elektrische und thermische Energie

Wenn der Draht fließt Elektrizität, dann kollidieren die Elektronen bei ihrer Bewegung mit den Atomen des Leitermaterials und veranlassen diese zu einer intensiveren thermischen Bewegung. Dabei verlieren die Elektronen einen Teil ihrer Energie. Die dabei entstehende Wärmeenergie führt beispielsweise bei elektrischen Maschinen einerseits zu einer Temperaturerhöhung der Teile und Drähte der Wicklungen, andererseits zu einer Erhöhung der Umgebungstemperatur. Dabei ist zwischen nutzbarer Wärmeenergie und Wärmeverlusten zu unterscheiden.

Bei elektrischen Heizgeräten (Elektroboiler, Bügeleisen, Heizöfen etc.) empfiehlt es sich, darauf zu achten, dass die elektrische Energie möglichst vollständig in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dies ist beispielsweise bei Stromleitungen oder Elektromotoren nicht der Fall, wo die erzeugte Wärmeenergie ein unerwünschter Nebeneffekt ist und daher häufig auf Abfuhr zurückgegriffen werden muss.

Durch die anschließende Erhöhung der Körpertemperatur wird Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben. Der Prozess der Wärmeenergieübertragung findet in Form statt Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung… In den meisten Fällen ist es sehr schwierig, eine genaue quantitative Schätzung der insgesamt freigesetzten Wärmeenergiemenge zu geben.

Soll ein Körper erhitzt werden, muss der Wert seiner Endtemperatur deutlich über der erforderlichen Erwärmungstemperatur liegen. Dies ist notwendig, um möglichst wenig Wärmeenergie an die Umgebung abzugeben.

Ist hingegen die Erwärmung der Körpertemperatur unerwünscht, sollte der Wert der Endtemperatur des Systems klein sein. Zu diesem Zweck werden Bedingungen geschaffen, die den Abtransport von Wärmeenergie aus dem Körper erleichtern (große Kontaktfläche des Körpers mit der Umgebung, Zwangsbelüftung).

Die in elektrischen Leitungen auftretende Wärmeenergie begrenzt die Strommenge, die in diesen Leitungen zulässig ist. Die maximal zulässige Temperatur des Leiters wird durch den Wärmewiderstand seiner Isolierung bestimmt. Warum, um die Übertragung bestimmter Daten sicherzustellen? elektrische Kraft, sollten Sie den kleinstmöglichen Stromwert und dementsprechend den hohen Spannungswert wählen. Unter diesen Bedingungen werden die Kosten des Drahtmaterials reduziert. Somit ist es wirtschaftlich möglich, elektrische Energie hoher Leistung bei hohen Spannungen zu übertragen.

Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie

Wärmeenergie wird in der sogenannten Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt thermoelektrische Wandler… Das Thermoelement eines thermoelektrischen Wandlers besteht aus zwei Metallleitern aus unterschiedlichen Materialien (z. B. Kupfer und Konstantan), die an einem Ende miteinander verlötet sind.

Bei einem bestimmten Temperaturunterschied zwischen dem Verbindungspunkt und den anderen beiden Enden der beiden Drähte EMF, die in erster Näherung direkt proportional zu dieser Temperaturdifferenz ist. Diese Thermo-EMK beträgt einige Millivolt und kann mit hochempfindlichen Voltmetern erfasst werden. Wenn das Voltmeter in Grad Celsius kalibriert ist, kann das resultierende Gerät zusammen mit dem thermoelektrischen Wandler zur direkten Temperaturmessung verwendet werden.

Die Konvertierungsleistung ist gering, daher werden solche Konverter praktisch nicht als elektrische Energiequellen verwendet. Abhängig von den Materialien, aus denen das Thermoelement besteht, arbeitet es in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Zum Vergleich können einige Eigenschaften verschiedener Thermoelemente angegeben werden: Ein Kupfer-Konstantan-Thermoelement ist bis 600 °C einsetzbar, die EMF beträgt ca. 4 mV bei 100 °C; Ein eisenkonstantes Thermoelement ist bis 800 °C einsetzbar, die EMK beträgt ca. 5 mV bei 100 °C.

Ein Beispiel für die praktische Nutzung der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie – Thermoelektrische Generatoren

Elektrische und Lichtenergie

Aus physikalischer Sicht ist Licht elektromagnetische Strahlung, was einem bestimmten Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen entspricht und vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Zum Spektrum der elektromagnetischen Wellen gehören auch Radiowellen, Wärme und Röntgenstrahlen. Sehen - Grundlegende Beleuchtungsmengen und ihre Verhältnisse

Es ist möglich, Lichtstrahlung mit elektrischer Energie durch Wärmestrahlung und durch Gasentladung zu gewinnen.Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung) entsteht durch die Erwärmung fester oder flüssiger Körper, die durch die Erwärmung elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlänge aussenden. Die Intensitätsverteilung der Wärmestrahlung hängt von der Temperatur ab.

Mit zunehmender Temperatur verschiebt sich die maximale Strahlungsintensität hin zu elektromagnetischen Schwingungen mit kürzerer Wellenlänge. Bei einer Temperatur von etwa 6500 K liegt die maximale Strahlungsintensität bei einer Wellenlänge von 0,55 μm, d. h. bei der Wellenlänge, die der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Auges entspricht. Für Beleuchtungszwecke kann natürlich kein fester Körper auf eine solche Temperatur erhitzt werden.

Wolfram hält der höchsten Erhitzungstemperatur stand. In Vakuumglasflaschen kann es auf eine Temperatur von 2100 °C erhitzt werden, bei höheren Temperaturen beginnt es zu verdampfen. Der Verdampfungsprozess kann durch Zugabe einiger Gase (Stickstoff, Krypton) verlangsamt werden, wodurch die Heiztemperatur auf 3000 °C erhöht werden kann.

Um bei Glühlampen Verluste durch die entstehende Konvektion zu reduzieren, wird der Glühfaden in Form einer Einfach- oder Doppelspirale ausgeführt. Allerdings trotz dieser Maßnahmen die Lichtausbeute von Glühlampen beträgt 20 lm/W, was noch recht weit vom theoretisch erreichbaren Optimum entfernt ist. Wärmestrahlungsquellen haben einen sehr geringen Wirkungsgrad, da bei ihnen der größte Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie und nicht in Licht umgewandelt wird.

In Gasentladungs-Lichtquellen kollidieren Elektronen mit Gasatomen oder -molekülen und veranlassen diese dadurch, elektromagnetische Wellen einer bestimmten Wellenlänge auszusenden. An der Emission elektromagnetischer Wellen ist das gesamte Gasvolumen beteiligt und im Allgemeinen liegen die Spektrallinien dieser Strahlung nicht immer im Bereich des sichtbaren Lichts. Derzeit werden LED-Lichtquellen in der Beleuchtung am häufigsten eingesetzt. Sehen - Die Wahl der Lichtquellen für Industrieräume. 

Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie

Lichtenergie kann in elektrische Energie umgewandelt werden und dieser Übergang ist physikalisch auf zwei verschiedenen Wegen möglich. Diese Energieumwandlung kann eine Folge des photoelektrischen Effekts (photoelektrischer Effekt) sein. Zur Realisierung des fotoelektrischen Effekts werden Fototransistoren, Fotodioden und Fotowiderstände verwendet.

An der Schnittstelle zwischen einigen Halbleiter (Germanium, Silizium etc.) und Metallen entsteht eine Grenzzone, in der die Atome der beiden sich berührenden Materialien Elektronen austauschen. Wenn Licht auf die Grenzzone fällt, wird das elektrische Gleichgewicht darin gestört, wodurch eine EMF entsteht, unter deren Wirkung ein elektrischer Strom in einem externen geschlossenen Stromkreis entsteht. Die EMF und damit die Höhe des Stroms hängt vom einfallenden Lichtfluss und der Wellenlänge der Strahlung ab.

Einige Halbleitermaterialien werden als Fotowiderstände verwendet.Durch die Einwirkung von Licht auf den Fotowiderstand erhöht sich die Anzahl der darin enthaltenen freien Ladungsträger, was zu einer Änderung seines elektrischen Widerstands führt. Wenn Sie einen Fotowiderstand in einen Stromkreis einbinden, hängt der Strom in diesem Stromkreis davon ab von der Energie des Lichts, das auf den Fotowiderstand fällt.

Siehe auch - Der Prozess der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität

Chemische und elektrische Energie

Wässrige Lösungen von Säuren, Basen und Salzen (Elektrolyte) leiten mehr oder weniger elektrischen Strom, was darauf zurückzuführen ist das Phänomen der elektrischen Dissoziation von Stoffen… Einige der gelösten Moleküle (die Größe dieses Teils bestimmt den Grad der Dissoziation) liegen in der Lösung in Form von Ionen vor.

Befinden sich in der Lösung zwei Elektroden, an die eine Potentialdifferenz angelegt wird, dann beginnen sich die Ionen zu bewegen, wobei sich die positiv geladenen Ionen (Kationen) in Richtung Kathode und die negativ geladenen Ionen (Anionen) in Richtung Anode bewegen.

An der entsprechenden Elektrode angekommen, nehmen die Ionen ihre fehlenden Elektronen auf oder geben umgekehrt die zusätzlichen ab und werden dadurch elektrisch neutral. Die auf den Elektroden abgelagerte Materialmasse ist direkt proportional zur übertragenen Ladung (Faradaysches Gesetz).

In der Grenzzone zwischen Elektrode und Elektrolyt wirken sich die Auflösungselastizität der Metalle und der osmotische Druck entgegen. (Osmotischer Druck führt zur Ablagerung von Metallionen aus Elektrolyten auf den Elektroden. Dieser chemische Prozess allein ist für die Potentialdifferenz verantwortlich.)

Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie

Um durch die Bewegung von Ionen eine Ablagerung eines Stoffes auf den Elektroden zu erreichen, ist der Aufwand an elektrischer Energie erforderlich. Dieser Vorgang wird Elektrolyse genannt. Diese Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie wird in der Elektrometallurgie genutzt, um Metalle (Kupfer, Aluminium, Zink usw.) in chemisch reiner Form zu gewinnen.

Bei der Galvanisierung werden aktiv oxidierende Metalle mit passiven Metallen überzogen (Vergoldung, Verchromung, Vernickelung etc.). Bei der Elektroformung werden dreidimensionale Abdrücke (Klischees) aus verschiedenen Körpern hergestellt. Besteht ein solcher Körper aus einem nicht leitenden Material, muss er vor der Abformung mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen werden.

Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie

Werden zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen in den Elektrolyten abgesenkt, entsteht zwischen ihnen aufgrund der unterschiedlichen Auflösungselastizität dieser Metalle eine Potentialdifferenz. Wenn Sie einen Empfänger elektrischer Energie, beispielsweise einen Widerstand, zwischen die Elektroden außerhalb des Elektrolyten schalten, fließt im resultierenden Stromkreis ein Strom. So funktionieren sie galvanische Zellen (Primärelemente).

Die erste galvanische Kupfer-Zink-Zelle wurde von Volta erfunden. In diesen Elementen wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Der Betrieb galvanischer Zellen kann durch das Phänomen der Polarisation beeinträchtigt werden, das durch die Ablagerung einer Substanz auf den Elektroden entsteht.

Alle galvanischen Zellen haben den Nachteil, dass in ihnen chemische Energie irreversibel in elektrische Energie umgewandelt wird, das heißt, galvanische Zellen können nicht wieder aufgeladen werden. Sie haben diesen Nachteil nicht Akkumulatoren.