تحويل الطاقة - الكهربائية والحرارية والميكانيكية والضوء
يستخدم مفهوم الطاقة في جميع العلوم. ومن المعروف أيضًا أن أجسام الطاقة يمكنها القيام بعمل. قانون حفظ الطاقة تنص على أن الطاقة لا تختفي ولا يمكن إنشاؤها من لا شيء ، ولكنها تظهر بأشكالها المختلفة (على سبيل المثال ، في شكل طاقة حرارية ، ميكانيكية ، ضوئية ، كهربائية ، إلخ).
يمكن أن ينتقل أحد أشكال الطاقة إلى شكل آخر وفي نفس الوقت يتم ملاحظة النسب الكمية الدقيقة لأنواع مختلفة من الطاقة. بشكل عام ، الانتقال من شكل من أشكال الطاقة إلى آخر لا يكتمل أبدًا ، حيث توجد دائمًا أنواع أخرى من الطاقة (غالبًا غير مرغوب فيها). على سبيل المثال، في المحرك الكهربائي لا يتم تحويل كل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ، ولكن يتم تحويل جزء منها إلى طاقة حرارية (تسخين الأسلاك بالتيارات ، التسخين نتيجة تأثير قوى الاحتكاك).
إن حقيقة الانتقال غير الكامل لنوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر يميز معامل الكفاءة (الكفاءة).يُعرَّف هذا المعامل بأنه نسبة الطاقة المفيدة إلى مقدارها الإجمالي أو كنسبة الطاقة المفيدة إلى الإجمالي.
طاقة كهربائية يتميز بأنه يمكن نقله بسهولة نسبيًا وبخسارة منخفضة عبر مسافات طويلة بالإضافة إلى أنه يحتوي على مجموعة واسعة جدًا من التطبيقات. من السهل نسبيًا إدارة توزيع الطاقة الكهربائية ويمكن تخزينها وتخزينها بكميات معروفة.
خلال يوم العمل ، يستخدم الشخص ما معدله 1000 كيلو جول أو 0.3 كيلو واط من الطاقة. يحتاج الشخص إلى ما يقرب من 8000 كيلوجول على شكل طعام و 8000 كيلوجول لتدفئة المنازل والمباني الصناعية والطبخ وما إلى ذلك. كيلو كالوري ، أو 60 كيلو واط ساعة
الطاقة الكهربائية والميكانيكية
يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية في المحركات الكهربائية وبدرجة أقل في المغناطيس الكهربائي... في كلتا الحالتين الآثار المصاحبة مع مجال كهرومغناطيسي... خسائر الطاقة ، أي ذلك الجزء من الطاقة الذي لم يتم تحويله إلى الشكل المطلوب ، يتكون أساسًا من تكاليف الطاقة لأسلاك التدفئة من الخسائر الحالية والاحتكاكية.
تتمتع المحركات الكهربائية الكبيرة بكفاءة أعلى من 90٪ ، بينما تتمتع المحركات الكهربائية الصغيرة بكفاءة أقل بقليل من هذا المستوى. على سبيل المثال ، إذا كانت طاقة المحرك الكهربائي 15 كيلو واط وكفاءته تساوي 90٪ ، فإن قوته الميكانيكية (المفيدة) هي 13.5 كيلو واط. إذا كانت الطاقة الميكانيكية للمحرك الكهربائي يجب أن تساوي 15 كيلو واط ، فإن الطاقة الكهربائية المستهلكة بنفس قيمة الكفاءة هي 16.67 كيلو واط ساعة.
عملية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية قابلة للعكس ، أي يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (انظر - عملية تحويل الطاقة في الآلات الكهربائية). لهذا الغرض يتم استخدامها بشكل أساسي مولدات كهرباءالتي تشبه في تصميمها المحركات الكهربائية ويمكن تشغيلها بواسطة التوربينات البخارية أو التوربينات الهيدروليكية. هذه المولدات لها أيضًا خسائر في الطاقة.
الطاقة الكهربائية والحرارية
إذا كان السلك يتدفق كهرباء، ثم تصطدم الإلكترونات في حركتها بذرات مادة الموصل وتسبب لهم حركة حرارية أكثر كثافة. في هذه الحالة ، تفقد الإلكترونات بعض طاقتها. تؤدي الطاقة الحرارية الناتجة ، من جهة ، على سبيل المثال ، إلى زيادة درجة حرارة أجزاء وأسلاك اللفات في الآلات الكهربائية ، ومن جهة أخرى إلى زيادة درجة حرارة البيئة. يجب التمييز بين الطاقة الحرارية المفيدة وفقدان الحرارة.
في أجهزة التدفئة الكهربائية (الغلايات الكهربائية ، والمكاوي ، ومواقد التدفئة ، وما إلى ذلك) ، يُنصح بالسعي لضمان تحويل الطاقة الكهربائية قدر الإمكان إلى طاقة حرارية. ليس هذا هو الحال ، على سبيل المثال ، في حالة خطوط الطاقة أو المحركات الكهربائية ، حيث تكون الطاقة الحرارية المتولدة من الآثار الجانبية غير المرغوب فيها وبالتالي يجب غالبًا إزالتها.
نتيجة للزيادة اللاحقة في درجة حرارة الجسم ، تنتقل الطاقة الحرارية إلى البيئة. تتم عملية نقل الطاقة الحرارية في الشكل التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري… في معظم الحالات ، من الصعب جدًا إعطاء تقدير كمي دقيق لإجمالي كمية الطاقة الحرارية المنبعثة.
في حالة تسخين الجسم ، يجب أن تكون قيمة درجة حرارته النهائية أعلى بكثير من درجة حرارة التسخين المطلوبة. يعد ذلك ضروريًا لنقل أقل قدر ممكن من الطاقة الحرارية إلى البيئة.
على العكس من ذلك ، إذا كان تسخين درجة حرارة الجسم غير مرغوب فيه ، فيجب أن تكون قيمة درجة الحرارة النهائية للنظام صغيرة. لهذا الغرض ، يتم إنشاء ظروف تسهل إزالة الطاقة الحرارية من الجسم (سطح كبير لتلامس الجسم مع البيئة ، والتهوية القسرية).
تحد الطاقة الحرارية التي تحدث في الأسلاك الكهربائية من كمية التيار المسموح بها في تلك الأسلاك. يتم تحديد درجة الحرارة القصوى المسموح بها للموصل من خلال المقاومة الحرارية لعزلها. لماذا ، لضمان نقل بعض محددة قوة كهربائية، يجب عليك اختيار أقل قيمة تيار ممكنة وبالتالي قيمة الجهد العالي. في ظل هذه الظروف ، سيتم تخفيض تكلفة مادة الأسلاك. وبالتالي ، من الممكن اقتصاديًا نقل الطاقة الكهربائية عالية الطاقة عند الفولتية العالية.
تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية
يتم تحويل الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة كهربائية فيما يسمى المحولات الحرارية... تتكون المزدوجة الحرارية للمحول الكهروحراري من موصلين معدنيين مصنوعين من مواد مختلفة (مثل النحاس والكونستانتان) وملحمان معًا في أحد طرفيه.
عند اختلاف درجة حرارة معينة بين نقطة التوصيل والنهايتين الأخريين للسلكين ، EMF، والتي في التقريب الأول تتناسب طرديًا مع هذا الاختلاف في درجة الحرارة. يمكن تسجيل هذا الجهد الكهرومغناطيسي الحراري ، الذي يساوي بضعة ملي فولت ، باستخدام الفولتميتر عالي الحساسية. إذا تمت معايرة الفولتميتر بالدرجات المئوية ، فيمكن استخدام الجهاز الناتج للقياس المباشر لدرجة الحرارة مع المحول الحراري.
قوة التحويل منخفضة ، لذلك لا يتم استخدام هذه المحولات عمليًا كمصادر للطاقة الكهربائية. اعتمادًا على المواد المستخدمة في صنع المزدوجات الحرارية ، فإنها تعمل في نطاقات درجات حرارة مختلفة. للمقارنة ، يمكن الإشارة إلى بعض خصائص المزدوجات الحرارية المختلفة: يمكن استخدام المزدوج الحراري النحاسي الثابت حتى 600 درجة مئوية ، ويكون EMF حوالي 4 مللي فولت عند 100 درجة مئوية ؛ المزدوج الحراري الثابت بالحديد قابل للتطبيق حتى 800 درجة مئوية ، ويكون EMF حوالي 5 مللي فولت عند 100 درجة مئوية.
مثال على الاستخدام العملي لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية - المولدات الكهروحرارية
الطاقة الكهربائية والضوء
من حيث الفيزياء ، الضوء هو الاشعاع الكهرومغناطيسي، والذي يتوافق مع جزء معين من طيف الموجات الكهرومغناطيسية والتي يمكن للعين البشرية إدراكها. يشمل طيف الموجات الكهرومغناطيسية أيضًا موجات الراديو والحرارة والأشعة السينية. ينظر - المقادير الأساسية للإضاءة ونسبها
من الممكن الحصول على إشعاع ضوئي باستخدام الطاقة الكهربائية نتيجة للإشعاع الحراري وعن طريق تفريغ الغاز.يحدث الإشعاع الحراري (درجة الحرارة) نتيجة لتسخين الأجسام الصلبة أو السائلة ، والتي تنبعث منها ، بسبب التسخين ، موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة. يعتمد توزيع شدة الإشعاع الحراري على درجة الحرارة.
مع زيادة درجة الحرارة ، تتحول شدة الإشعاع القصوى إلى التذبذبات الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي الأقصر. عند درجة حرارة حوالي 6500 كلفن ، تحدث شدة الإشعاع القصوى بطول موجة 0.55 ميكرومتر ، أي في الطول الموجي الذي يتوافق مع الحساسية القصوى للعين البشرية. لأغراض الإضاءة ، لا يمكن بالطبع تسخين أي جسم صلب إلى درجة الحرارة هذه.
يقاوم التنغستن أعلى درجة حرارة للتدفئة. في قوارير زجاجية مفرغة من الهواء ، يمكن تسخينها إلى درجة حرارة 2100 درجة مئوية ، وعند درجات حرارة أعلى تبدأ في التبخر. يمكن إبطاء عملية التبخر عن طريق إضافة بعض الغازات (النيتروجين والكريبتون) ، مما يجعل من الممكن زيادة درجة حرارة التسخين إلى 3000 درجة مئوية.
من أجل تقليل الفاقد في المصابيح المتوهجة نتيجة الحمل الحراري الناتج ، يتم تصنيع الفتيل على شكل حلزوني مفرد أو مزدوج. على الرغم من هذه التدابير ، ومع ذلك كفاءة الإنارة للمصابيح المتوهجة 20 لومن / وات، والذي لا يزال بعيدًا عن الحد الأقصى الممكن تحقيقه نظريًا. تتمتع مصادر الإشعاع الحراري بكفاءة منخفضة للغاية ، حيث يتم تحويل معظم الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وليس إلى ضوء.
في مصادر ضوء تفريغ الغاز ، تتصادم الإلكترونات مع ذرات أو جزيئات الغاز ، وبالتالي تتسبب في إصدار موجات كهرومغناطيسية ذات طول موجي معين. يشارك الحجم الكامل للغاز في عملية إصدار الموجات الكهرومغناطيسية ، وبشكل عام ، لا تقع خطوط طيف هذا الإشعاع دائمًا في نطاق الضوء المرئي. حاليًا ، تعد مصادر ضوء LED هي الأكثر استخدامًا في الإضاءة. ينظر - اختيار مصادر الضوء للمباني الصناعية.
تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية
يمكن تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية وهذا الانتقال ممكن بطريقتين مختلفتين من وجهة نظر فيزيائية. يمكن أن يكون تحويل الطاقة هذا نتيجة للتأثير الكهروضوئي (التأثير الكهروضوئي). لتحقيق التأثير الكهروضوئي ، يتم استخدام الترانزستورات الضوئية والصمامات الثنائية الضوئية والمقاومات الضوئية.
في الواجهة بين بعض أشباه الموصلات (الجرمانيوم والسيليكون وما إلى ذلك) والمعادن ، يتم تشكيل منطقة حدية حيث تتبادل ذرات المادتين المتصلتين الإلكترونات. عندما يسقط الضوء على المنطقة الحدودية ، فإن التوازن الكهربائي فيها ينزعج ، ونتيجة لذلك يحدث EMF ، والذي ينشأ تحت تأثيره تيار كهربائي في دائرة مغلقة خارجية. تعتمد EMF وبالتالي قيمة التيار على تدفق الضوء الساقط والطول الموجي للإشعاع.
تستخدم بعض مواد أشباه الموصلات كمقاومات للضوء.نتيجة لتأثير الضوء على المقاوم الضوئي ، يزداد عدد الحاملات الحرة للشحنات الكهربائية فيه ، مما يتسبب في تغيير مقاومته الكهربائية. إذا قمت بتضمين مقاوم ضوئي في دائرة كهربائية ، فإن التيار في هذه الدائرة سيعتمد على طاقات الضوء الساقط على المقاوم الضوئي.
أنظر أيضا - عملية تحويل الطاقة الشمسية الى كهرباء
الطاقة الكيميائية والكهربائية
تقوم المحاليل المائية للأحماض والقواعد والأملاح (الإلكتروليتات) بتوصيل تيار كهربائي أكثر أو أقل ، والذي يرجع إلى ظاهرة التفكك الكهربائي للمواد... بعض الجزيئات الذائبة (حجم هذا الجزء يحدد درجة التفكك) موجودة في المحلول على شكل أيونات.
إذا كان هناك قطبان في المحلول يطبق عليهما فرق الجهد ، فستبدأ الأيونات في التحرك ، مع تحرك الأيونات الموجبة الشحنة (الكاتيونات) نحو القطب السالب والأيونات سالبة الشحنة (الأنيونات) باتجاه الأنود.
عند الوصول إلى القطب المقابل ، تكتسب الأيونات إلكتروناتها المفقودة أو ، على العكس من ذلك ، تتخلى عن الإلكترونات الإضافية ، ونتيجة لذلك ، تصبح محايدة كهربيًا. كتلة المادة المودعة على الأقطاب الكهربائية تتناسب طرديا مع الشحنة المنقولة (قانون فاراداي).
في المنطقة الحدودية بين القطب الكهربائي والإلكتروليت ، تتعارض مرونة انحلال المعادن والضغط التناضحي مع بعضهما البعض. (الضغط الاسموزي يتسبب في ترسب أيونات المعادن من الإلكتروليتات على الأقطاب الكهربائية ، وهذه العملية الكيميائية وحدها هي المسؤولة عن فرق الجهد).
تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية
من أجل تحقيق ترسب مادة على الأقطاب الكهربائية نتيجة لحركة الأيونات ، من الضروري إنفاق الطاقة الكهربائية. هذه العملية تسمى التحليل الكهربائي. يتم استخدام هذا التحويل للطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية في علم المعادن الكهربائي للحصول على المعادن (النحاس والألمنيوم والزنك وما إلى ذلك) في صورة نقية كيميائيًا.
في الطلاء الكهربائي ، يتم تغطية المعادن المؤكسدة النشطة بالمعادن السلبية (التذهيب ، والطلاء بالكروم ، والطلاء بالنيكل ، وما إلى ذلك). في التشكيل الكهربائي ، تتكون الانطباعات ثلاثية الأبعاد (الكليشيهات) من أجسام مختلفة ، وإذا كان هذا الجسم مصنوعًا من مادة غير موصلة ، فيجب تغطيته بطبقة موصلة للكهرباء قبل تكوين الانطباع.
تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية
إذا تم إنزال قطبين مصنوعين من معادن مختلفة في الإلكتروليت ، ينشأ فرق جهد بينهما ، بسبب الاختلاف في مرونة انحلال هذه المعادن. إذا قمت بتوصيل مستقبل للطاقة الكهربائية ، على سبيل المثال ، مقاوم ، بين الأقطاب الكهربائية خارج الإلكتروليت ، فسوف يتدفق التيار في الدائرة الكهربائية الناتجة. إليك كيفية عملهم الخلايا الجلفانية (العناصر الأساسية).
اخترع فولتا أول خلية جلفانية من النحاس والزنك. في هذه العناصر ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. يمكن إعاقة عمل الخلايا الجلفانية بظاهرة الاستقطاب التي تحدث نتيجة ترسب مادة على الأقطاب الكهربائية.
جميع الخلايا الجلفانية لها عيب يتمثل في تحويل الطاقة الكيميائية بشكل لا رجعة فيه إلى طاقة كهربائية فيها ، أي لا يمكن إعادة شحن الخلايا الجلفانية. إنهم يخلون من هذا العيب المراكم.