Conversione di energia: elettrica, termica, meccanica, luminosa

Il concetto di energia è utilizzato in tutte le scienze. È anche noto che i corpi energetici possono svolgere un lavoro. Legge di conservazione dell'energia afferma che l'energia non scompare e non può essere creata dal nulla, ma appare nelle sue varie forme (ad esempio sotto forma di energia termica, meccanica, luminosa, elettrica, ecc.).

Una forma di energia può passare in un'altra e allo stesso tempo si osservano precisi rapporti quantitativi di diversi tipi di energia. In generale, il passaggio da una forma di energia a un'altra non è mai completo, poiché ci sono sempre altri tipi di energia (per lo più indesiderati). Per esempio, nel motore elettrico non tutta l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica, ma parte di essa viene convertita in energia termica (riscaldamento dei fili mediante correnti, riscaldamento per effetto dell'azione delle forze di attrito).

Il fatto della transizione incompleta di un tipo di energia a un altro caratterizza il coefficiente di efficienza (efficienza).Questo coefficiente è definito come il rapporto tra l'energia utile e la sua quantità totale o come il rapporto tra la potenza utile e il totale.

Energia elettrica ha il vantaggio di poter essere trasmesso in modo relativamente semplice e con basse perdite su lunghe distanze e inoltre ha una gamma di applicazioni estremamente ampia. La distribuzione dell'energia elettrica è relativamente facile da gestire e può essere immagazzinata e immagazzinata in quantità note.

Durante una giornata lavorativa, una persona utilizza in media 1000 kJ o 0,3 kW di energia. Una persona ha bisogno di circa 8000 kJ sotto forma di cibo e 8000 kJ per riscaldare abitazioni, locali industriali, cucinare, ecc. kcal, ovvero 60 kWh

Energia elettrica e meccanica

L'energia elettrica viene convertita in energia meccanica nei motori elettrici e in misura minore negli elettromagneti… In entrambi i casi gli effetti associati con un campo elettromagnetico… Le perdite di energia, cioè quella parte dell'energia che non viene trasformata nella forma desiderata, sono costituite principalmente dai costi energetici per il riscaldamento dei fili dalle perdite di corrente e per attrito.

I grandi motori elettrici hanno un'efficienza superiore al 90%, mentre i piccoli motori elettrici hanno un'efficienza leggermente inferiore a questo livello. Se, ad esempio, il motore elettrico ha una potenza di 15 kW e un rendimento pari al 90%, allora la sua potenza meccanica (utile) è di 13,5 kW. Se la potenza meccanica del motore elettrico dovesse essere pari a 15 kW, allora la potenza elettrica consumata a parità di rendimento è di 16,67 kWh.

Il processo di conversione dell'energia elettrica in energia meccanica è reversibile, cioè l'energia meccanica può essere convertita in energia elettrica (vedi — Processo di conversione dell'energia nelle macchine elettriche). A tale scopo vengono principalmente utilizzati generatoriche sono simili nel design ai motori elettrici e possono essere azionati da turbine a vapore o turbine idrauliche. Questi generatori hanno anche perdite di energia.

Energia elettrica e termica

Se il filo scorre elettricità, allora gli elettroni nel loro movimento collidono con gli atomi del materiale del conduttore e provocano in essi un movimento termico più intenso. In questo caso, gli elettroni perdono parte della loro energia. L'energia termica risultante, da un lato, porta, ad esempio, ad un aumento della temperatura delle parti e dei fili degli avvolgimenti nelle macchine elettriche, e dall'altro ad un aumento della temperatura dell'ambiente. Occorre distinguere tra energia termica utile e calore disperso.

Nei dispositivi elettrici di riscaldamento (caldaie elettriche, ferri da stiro, termocucine, ecc.) è consigliabile adoperarsi affinché l'energia elettrica sia convertita il più completamente possibile in energia termica. Non è così, ad esempio, nel caso delle linee elettriche o dei motori elettrici, dove l'energia termica generata è un effetto collaterale indesiderato e quindi spesso bisogna provvedere alla sua rimozione.

Come risultato del successivo aumento della temperatura corporea, l'energia termica viene trasferita all'ambiente. Il processo di trasferimento dell'energia termica avviene nella forma conduzione del calore, convezione e irraggiamento del calore… Nella maggior parte dei casi è molto difficile fornire una stima quantitativa accurata della quantità totale di energia termica rilasciata.

Se un corpo deve essere riscaldato, il valore della sua temperatura finale deve essere significativamente superiore alla temperatura di riscaldamento richiesta. Ciò è necessario per trasmettere all'ambiente la minor quantità di energia termica possibile.

Se, al contrario, il riscaldamento della temperatura corporea è indesiderabile, allora il valore della temperatura finale del sistema dovrebbe essere piccolo. A tale scopo si creano condizioni che facilitano l'allontanamento dell'energia termica dal corpo (ampia superficie di contatto del corpo con l'ambiente, ventilazione forzata).

L'energia termica che si verifica nei cavi elettrici limita la quantità di corrente consentita in quei cavi. La temperatura massima consentita del conduttore è determinata dalla resistenza termica del suo isolamento. Perché, per garantire il trasferimento di alcuni specifici forza elettrica, dovresti scegliere il valore di corrente più basso possibile e di conseguenza il valore di alta tensione. In queste condizioni, il costo del materiale del filo sarà ridotto. Pertanto, è economicamente possibile trasmettere energia elettrica ad alta potenza ad alte tensioni.

Conversione di energia termica in energia elettrica

L'energia termica viene convertita direttamente in energia elettrica nel cosiddetto convertitori termoelettrici… La termocoppia di un convertitore termoelettrico è costituita da due conduttori metallici realizzati con materiali diversi (ad esempio rame e costantana) e saldati insieme ad un'estremità.

Ad una certa differenza di temperatura tra il punto di connessione e le altre due estremità dei due fili, campi elettromagnetici, che in prima approssimazione è direttamente proporzionale a questa differenza di temperatura. Questo termo-EMF, pari a pochi millivolt, può essere registrato utilizzando voltmetri altamente sensibili. Se il voltmetro è calibrato in gradi Celsius, insieme al convertitore termoelettrico il dispositivo risultante può essere utilizzato per la misurazione diretta della temperatura.

La potenza di conversione è bassa, quindi tali convertitori non vengono praticamente utilizzati come fonti di energia elettrica. A seconda dei materiali utilizzati per realizzare la termocoppia, opera in diversi intervalli di temperatura. Per confronto, si possono indicare alcune caratteristiche di diverse termocoppie: una termocoppia rame-costantana è applicabile fino a 600 ° C, l'EMF è di circa 4 mV a 100 ° C; una termocoppia a costante di ferro è applicabile fino a 800 °C, l'EMF è di circa 5 mV a 100 °C.

Un esempio dell'uso pratico della conversione di energia termica in energia elettrica — Generatori termoelettrici

Energia elettrica e luminosa

In termini di fisica, la luce lo è radiazioni elettromagnetiche, che corrisponde a una certa parte dello spettro delle onde elettromagnetiche e che l'occhio umano può percepire. Lo spettro delle onde elettromagnetiche comprende anche onde radio, calore e raggi X. Aspetto - Quantità base di illuminazione e loro rapporti

È possibile ottenere l'irraggiamento luminoso utilizzando l'energia elettrica per irraggiamento termico e per scarica di gas.La radiazione termica (temperatura) si verifica a seguito del riscaldamento di corpi solidi o liquidi che, a causa del riscaldamento, emettono onde elettromagnetiche di diverse lunghezze d'onda. La distribuzione dell'intensità della radiazione termica dipende dalla temperatura.

All'aumentare della temperatura, l'intensità massima della radiazione passa alle oscillazioni elettromagnetiche con una lunghezza d'onda più corta. Ad una temperatura di circa 6500 K, la massima intensità di radiazione si verifica a una lunghezza d'onda di 0,55 μm, cioè alla lunghezza d'onda che corrisponde alla massima sensibilità dell'occhio umano. Ai fini dell'illuminazione, ovviamente, nessun corpo solido può essere riscaldato a una tale temperatura.

Il tungsteno resiste alle più alte temperature di riscaldamento. Nelle bottiglie di vetro sottovuoto può essere riscaldato ad una temperatura di 2100 ° C, ea temperature più elevate inizia ad evaporare. Il processo di evaporazione può essere rallentato aggiungendo alcuni gas (azoto, cripton), che consente di aumentare la temperatura di riscaldamento a 3000 ° C.

Per ridurre le perdite nelle lampade ad incandescenza a causa della convezione risultante, il filamento è realizzato sotto forma di spirale singola o doppia. Nonostante queste misure, tuttavia l'efficienza luminosa delle lampade ad incandescenza è di 20 lm/W, che è ancora abbastanza lontano dall'optimum teoricamente raggiungibile. Le sorgenti di radiazione termica hanno un'efficienza molto bassa, perché con esse la maggior parte dell'energia elettrica viene convertita in energia termica e non in luce.

Nelle sorgenti luminose a scarica di gas, gli elettroni entrano in collisione con gli atomi o le molecole di gas e quindi li fanno emettere onde elettromagnetiche di una certa lunghezza d'onda. L'intero volume del gas è coinvolto nel processo di emissione delle onde elettromagnetiche e, in generale, le linee dello spettro di tale radiazione non sempre si trovano nel campo della luce visibile. Attualmente, le sorgenti luminose a LED sono le più utilizzate nell'illuminazione. Aspetto - La scelta delle sorgenti luminose per i locali industriali. 

Transizione dell'energia luminosa in energia elettrica

L'energia luminosa può essere convertita in energia elettrica e questa transizione è possibile in due modi diversi dal punto di vista fisico. Questa conversione di energia può essere il risultato dell'effetto fotoelettrico (effetto fotoelettrico). Per realizzare l'effetto fotoelettrico vengono utilizzati fototransistor, fotodiodi e fotoresistenze.

All'interfaccia tra alcuni semiconduttori (germanio, silicio, ecc.) e metalli, si forma una zona di confine in cui gli atomi dei due materiali a contatto si scambiano elettroni. Quando la luce cade sulla zona di confine, l'equilibrio elettrico al suo interno viene disturbato, a seguito del quale si verifica un campo elettromagnetico, sotto l'azione del quale si verifica una corrente elettrica in un circuito chiuso esterno. L'EMF e quindi il valore della corrente dipende dal flusso luminoso incidente e dalla lunghezza d'onda della radiazione.

Alcuni materiali semiconduttori sono usati come fotoresistenze.Come risultato dell'impatto della luce sulla fotoresistenza, il numero di portatori liberi di cariche elettriche in esso aumenta, il che provoca un cambiamento nella sua resistenza elettrica.Se includi una fotoresistenza in un circuito elettrico, la corrente in questo circuito dipenderà sulle energie della luce che cade sulla fotoresistenza.

Guarda anche - Il processo di conversione dell'energia solare in energia elettrica

Energia chimica ed elettrica

Le soluzioni acquose di acidi, basi e sali (elettroliti) conducono più o meno corrente elettrica, che è dovuta a il fenomeno della dissociazione elettrica delle sostanze… Alcune delle molecole di soluto (la dimensione di questa parte determina il grado di dissociazione) è presente nella soluzione sotto forma di ioni.

Se ci sono due elettrodi nella soluzione a cui viene applicata una differenza di potenziale, allora gli ioni inizieranno a muoversi, con gli ioni caricati positivamente (cationi) che si muovono verso il catodo e gli ioni caricati negativamente (anioni) verso l'anodo.

Arrivati ​​all'elettrodo corrispondente, gli ioni acquistano gli elettroni mancanti o, viceversa, cedono quelli aggiuntivi e, di conseguenza, diventano elettricamente neutri. La massa di materiale depositata sugli elettrodi è direttamente proporzionale alla carica trasferita (legge di Faraday).

Nella zona di confine tra l'elettrodo e l'elettrolita si oppongono l'elasticità di dissoluzione dei metalli e la pressione osmotica. (La pressione osmotica provoca la deposizione di ioni metallici dagli elettroliti sugli elettrodi. Questo processo chimico da solo è responsabile della differenza di potenziale).

Conversione di energia elettrica in energia chimica

Per ottenere la deposizione di una sostanza sugli elettrodi a seguito del movimento degli ioni, è necessario consumare energia elettrica. Questo processo è chiamato elettrolisi. Questa conversione di energia elettrica in energia chimica viene utilizzata in elettrometallurgia per ottenere metalli (rame, alluminio, zinco, ecc.) in forma chimicamente pura.

Nella galvanica, i metalli attivamente ossidanti sono ricoperti da metalli passivi (doratura, cromatura, nichelatura, ecc.). Nell'elettroformatura, le impressioni tridimensionali (cliché) sono costituite da vari corpi e, se tale corpo è costituito da un materiale non conduttivo, deve essere ricoperto con uno strato elettricamente conduttivo prima che venga realizzata l'impronta.

Conversione di energia chimica in energia elettrica

Se due elettrodi di metalli diversi vengono abbassati nell'elettrolita, tra loro si verifica una differenza di potenziale, dovuta alla differenza nell'elasticità di dissoluzione di questi metalli. Se colleghi un ricevitore di energia elettrica, ad esempio un resistore, tra gli elettrodi all'esterno dell'elettrolita, allora una corrente fluirà nel circuito elettrico risultante. Ecco come funzionano celle galvaniche (elementi primari).

La prima cella galvanica rame-zinco è stata inventata da Volta. In questi elementi, l'energia chimica viene convertita in energia elettrica. Il funzionamento delle celle galvaniche può essere ostacolato dal fenomeno della polarizzazione, che si verifica a seguito del deposito di una sostanza sugli elettrodi.

Tutte le celle galvaniche hanno lo svantaggio che in esse l'energia chimica viene irreversibilmente convertita in energia elettrica, cioè le celle galvaniche non possono essere ricaricate. Sono privi di questo inconveniente accumulatori.