에너지 변환 — 전기, 열, 기계, 조명

에너지의 개념은 모든 과학에서 사용됩니다. 에너지체가 일을 할 수 있다는 것도 알려져 있습니다. 에너지 보존 법칙 에너지는 사라지지 않고 무에서 생성될 수 없으며 다양한 형태(예: 열, 기계, 빛, 전기 에너지 등)로 나타납니다.

한 형태의 에너지가 다른 형태로 전달될 수 있으며 동시에 서로 다른 에너지 유형의 정확한 정량적 비율이 관찰됩니다. 일반적으로 에너지의 한 형태에서 다른 형태로의 전환은 항상 다른(대부분 원치 않는) 에너지 유형이 있기 때문에 결코 완전하지 않습니다. 예를 들어, 전기 모터에서 모든 전기 에너지가 기계 에너지로 변환되는 것은 아니지만 일부는 열 에너지로 변환됩니다(전류에 의한 와이어 가열, 마찰력 작용의 결과로 가열).

한 유형의 에너지가 다른 유형으로 불완전하게 전환된다는 사실은 효율성 계수(효율)의 특징입니다.이 계수는 총량에 대한 유효 에너지의 비율 또는 총량에 대한 유효 전력의 비율로 정의됩니다.

전기 에너지 장거리에 걸쳐 상대적으로 쉽고 손실이 적은 전송이 가능하고 응용 범위가 매우 넓다는 장점이 있습니다. 전기 에너지의 분포는 상대적으로 관리하기 쉽고 알려진 양으로 저장 및 저장할 수 있습니다.

근무일 동안 사람은 평균 1000kJ 또는 0.3kW의 에너지를 사용합니다. 사람은 음식 형태로 약 8000kJ, 가정 난방, 산업 시설, 요리 등을 위해 8000kJ가 필요합니다. kcal 또는 60kWh

전기 및 기계 에너지

전기 에너지는 전기 모터에서 기계적 에너지로 변환되며 그 정도는 적습니다. 전자석에서… 두 경우 모두 관련 효과 전자기장으로… 에너지 손실, 즉 원하는 형태로 변환되지 않는 에너지 부분은 주로 전류 및 마찰 손실로 인한 전선 가열에 ​​대한 에너지 비용으로 구성됩니다.

대형 전기 모터는 효율이 90% 이상인 반면 소형 전기 모터는 이 수준보다 약간 낮습니다. 예를 들어 전기 모터의 출력이 15kW이고 효율이 90%인 경우 기계적(유용한) 출력은 13.5kW입니다. 전기 모터의 기계적 동력이 15kW와 같으면 동일한 효율 값에서 소비되는 전력은 16.67kWh입니다.

전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 과정은 가역적입니다. 즉, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다(참조 — 전기 기계의 에너지 변환 프로세스). 이를 위해 주로 사용됩니다. 발전기전기 모터와 설계가 유사하고 증기 터빈이나 수력 터빈으로 구동할 수 있습니다. 이러한 발전기에는 에너지 손실도 있습니다.

전기 및 열 에너지

전선이 흐르는 경우 전기, 그런 다음 이동하는 전자가 도체 재료의 원자와 충돌하여 더 강렬한 열 이동을 일으 킵니다. 이 경우 전자는 에너지의 일부를 잃습니다. 결과적인 열 에너지는 예를 들어 전기 기계의 부품 및 권선 와이어의 온도를 증가시키고 다른 한편으로는 환경 온도를 증가시킵니다. 유용한 열 에너지와 열 손실을 구분해야 합니다.

전기 난방 장치(전기 보일러, 다리미, 난방 스토브 등)에서는 전기 에너지가 가능한 한 완전히 열 에너지로 변환되도록 노력하는 것이 좋습니다. 예를 들어 전력선이나 전기 모터의 경우에는 생성된 열 에너지가 원치 않는 부작용이므로 종종 제거해야 하는 경우가 아닙니다.

후속 체온 상승의 결과로 열 에너지가 환경으로 전달됩니다. 열 에너지 전달 과정은 다음과 같은 형태로 발생합니다. 열전도, 대류 및 열복사… 대부분의 경우 방출되는 열 에너지의 총량을 정량적으로 정확하게 추정하는 것은 매우 어렵습니다.

본체를 가열하려면 최종 온도 값이 필요한 가열 온도보다 훨씬 높아야 합니다. 이것은 가능한 한 적은 양의 열 에너지를 환경에 전달하기 위해 필요합니다.

반대로 체온의 가열이 바람직하지 않은 경우 시스템의 최종 온도 값은 작아야 합니다. 이를 위해 신체에서 열 에너지를 쉽게 제거하는 조건이 만들어집니다 (신체와 환경의 넓은 접촉면, 강제 환기).

전선에서 발생하는 열 에너지는 해당 전선에 허용되는 전류의 양을 제한합니다. 도체의 최대 허용 온도는 절연체의 열 저항에 의해 결정됩니다. 왜, 특정 전송을 보장하기 위해 전기력, 가능한 가장 낮은 전류 값과 그에 따라 높은 전압 값을 선택해야 합니다. 이러한 조건에서 와이어 재료의 비용이 절감됩니다. 따라서, 고전압에서 고전력 전기 에너지를 전송하는 것이 경제적으로 가능하다.

열 에너지를 전기 에너지로 변환

열 에너지는 소위 전기 에너지로 직접 변환됩니다. 열전 변환기... 열전 변환기의 열전쌍은 서로 다른 재료(예: 구리 및 콘스탄탄)로 만들어지고 한쪽 끝에서 함께 납땜된 두 개의 금속 전도체로 구성됩니다.

두 와이어의 연결 지점과 다른 두 끝 사이의 특정 온도 차이에서, EMF, 첫 번째 근사치에서 이 온도 차이에 정비례합니다. 몇 밀리볼트에 해당하는 이 열 EMF는 고감도 전압계를 사용하여 기록할 수 있습니다. 전압계가 섭씨로 보정되면 열전 변환기와 함께 결과 장치를 직접 온도 측정에 사용할 수 있습니다.

변환 전력이 낮기 때문에 이러한 변환기는 실제로 전기 에너지원으로 사용되지 않습니다. 열전쌍을 만드는 데 사용되는 재료에 따라 다양한 온도 범위에서 작동합니다. 비교를 위해 서로 다른 열전쌍의 일부 특성을 표시할 수 있습니다. 구리-콘스탄탄 열전쌍은 최대 600°C까지 적용 가능하고 EMF는 100°C에서 약 4mV입니다. 철 상수 열전대는 최대 800°C까지 적용 가능하며 EMF는 100°C에서 약 5mV입니다.

열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 실제 사용의 예 — 열전 발전기

전기 및 빛 에너지

물리학적으로 빛은 전자기 방사선, 전자기파 스펙트럼의 특정 부분에 해당하며 인간의 눈이 인지할 수 있습니다. 전자기파의 스펙트럼에는 전파, 열 및 X선도 포함됩니다. 바라보다 - 조명의 기본 양과 비율

열 복사 및 가스 방전의 결과로 전기 에너지를 사용하여 빛 복사를 얻을 수 있습니다.열 (온도) 복사는 가열로 인해 다른 파장의 전자기파를 방출하는 고체 또는 액체 물체의 가열 결과로 발생합니다. 열 복사 강도의 분포는 온도에 따라 다릅니다.

온도가 증가함에 따라 최대 방사 강도는 더 짧은 파장의 전자기 진동으로 이동합니다. 약 6500K의 온도에서 최대 방사 강도는 0.55μm의 파장에서 발생합니다. 인간 눈의 최대 감도에 해당하는 파장에서. 물론 조명 목적을 위해 어떤 고체도 그러한 온도로 가열될 수 없습니다.

텅스텐은 가장 높은 가열 온도를 견딥니다. 진공 유리 병에서는 2100 ° C까지 가열 할 수 있으며 더 높은 온도에서는 증발하기 시작합니다. 일부 가스(질소, 크립톤)를 추가하여 증발 과정을 늦출 수 있으므로 가열 온도를 3000°C까지 높일 수 있습니다.

대류로 인한 백열 램프의 손실을 줄이기 위해 필라멘트는 단일 또는 이중 나선 형태로 만들어집니다. 그러나 이러한 조치에도 불구하고 백열등의 발광 효율은 20lm / W입니다., 이론적으로 달성 가능한 최적과는 거리가 멀다. 열 방사원은 대부분의 전기 에너지가 빛이 아닌 열 에너지로 변환되기 때문에 효율이 매우 낮습니다.

가스 방전 광원에서 전자는 가스 원자 또는 분자와 충돌하여 특정 파장의 전자파를 방출합니다. 가스의 전체 부피는 전자기파를 방출하는 과정에 관여하며 일반적으로 이러한 방사선의 스펙트럼 라인이 항상 가시 광선 범위에 있는 것은 아닙니다. 현재 LED 광원은 조명에 가장 널리 사용됩니다. 바라보다 - 산업 현장용 광원 선택. 

빛 에너지를 전기 에너지로 전환

빛 에너지는 전기 에너지로 변환될 수 있으며 이러한 전환은 물리적 관점에서 두 가지 다른 방식으로 가능합니다. 이 에너지 변환은 광전 효과(photoelectric effect)의 결과일 수 있다. 광전 효과를 구현하기 위해 포토트랜지스터, 포토다이오드, 포토레지스터가 사용된다.

일부 사이의 인터페이스에서 반도체 (게르마늄, 실리콘 등) 및 금속, 두 접촉 물질의 원자가 전자를 교환하는 경계 영역이 형성됩니다. 빛이 경계 영역에 떨어지면 외부 폐쇄 회로에서 전류가 발생하는 작용에 따라 EMF가 발생하는 결과로 전기 평형이 방해받습니다. EMF와 따라서 전류 값은 입사 광속과 복사 파장에 따라 달라집니다.

일부 반도체 재료는 포토레지스터로 사용됩니다.빛이 포토레지스터에 미치는 영향으로 인해 전하의 자유 캐리어 수가 증가하여 전기 저항이 변경됩니다 전기 회로에 포토레지스터를 포함하면 이 회로의 전류는 포토 레지스터에 떨어지는 빛의 에너지에 .

또한보십시오 - 태양 에너지를 전기로 변환하는 과정

화학 및 전기 에너지

산, 염기 및 염(전해질)의 수용액은 어느 정도 전류를 전도합니다. 물질의 전기적 해리 현상… 일부 용질 분자(이 부분의 크기가 해리 정도를 결정함)는 이온 형태로 용액에 존재합니다.

용액에 전위차가 가해지는 두 개의 전극이 있으면 이온이 이동하기 시작하여 양전하를 띤 이온(양이온)은 음극으로 이동하고 음전하를 띤 이온(음이온)은 양극으로 이동합니다.

해당 전극에 도달하면 이온은 누락된 전자를 얻거나 반대로 추가 전자를 포기하고 결과적으로 전기적으로 중성이 됩니다. 전극에 증착된 물질의 질량은 전달된 전하에 정비례합니다(패러데이 법칙).

전극과 전해질의 경계부에서는 금속의 용해 탄성과 삼투압이 서로 반대된다. (삼투압은 전해질의 금속 이온을 전극에 침착시킵니다. 이 화학 공정만이 전위차에 대한 책임이 있습니다).

전기 에너지를 화학 에너지로 전환

이온 이동의 결과로 전극에 물질을 증착하려면 전기 에너지를 소비해야 합니다. 이 과정을 전기분해라고 합니다. 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 것은 전기 야금에서 화학적으로 순수한 형태의 금속(구리, 알루미늄, 아연 등)을 얻는 데 사용됩니다.

전기 도금에서 활성 산화 금속은 수동 금속(도금, 크롬 도금, 니켈 도금 등)으로 덮여 있습니다. 전기주조에서 3차원 인상(클리셰)은 다양한 물체로 만들어지며, 그러한 물체가 비전도성 재료로 만들어진 경우 인상을 만들기 전에 전기 전도성 층으로 덮어야 합니다.

화학 에너지를 전기 에너지로 전환

서로 다른 금속으로 만들어진 두 개의 전극을 전해질 속으로 넣으면 이들 금속의 용해 탄성의 차이로 인해 전극 사이에 전위차가 발생합니다. 예를 들어 저항과 같은 전기 에너지 수신기를 전해질 외부의 전극 사이에 연결하면 결과 전기 회로에 전류가 흐릅니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. 갈바니 전지 (기본 요소).

최초의 구리-아연 갈바닉 전지는 Volta에 의해 발명되었습니다. 이러한 요소에서 화학 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다. 갈바니 전지의 작동은 전극에 물질이 증착된 결과로 발생하는 분극 현상으로 인해 방해를 받을 수 있습니다.

모든 갈바니 전지는 화학 에너지가 비가역적으로 전기 에너지로 변환되는 단점이 있습니다. 즉, 갈바니 전지는 재충전할 수 없습니다. 그들은 이러한 단점이 없습니다 축전지.