การแปลงพลังงาน — ไฟฟ้า ความร้อน เครื่องกล แสง

แนวคิดเรื่องพลังงานถูกนำมาใช้ในทุกศาสตร์ เป็นที่รู้จักกันว่าร่างกายพลังงานสามารถทำงานได้ กฎการอนุรักษ์พลังงาน ระบุว่าพลังงานไม่ได้หายไปและไม่สามารถสร้างขึ้นจากความว่างเปล่า แต่ปรากฏในรูปแบบต่างๆ ของมัน (เช่น ในรูปของความร้อน พลังงานกล แสง พลังงานไฟฟ้า เป็นต้น)

พลังงานรูปแบบหนึ่งสามารถส่งผ่านไปยังอีกรูปแบบหนึ่งได้ และในขณะเดียวกันก็สังเกตอัตราส่วนเชิงปริมาณที่แม่นยำของพลังงานประเภทต่างๆ โดยทั่วไปแล้ว การเปลี่ยนจากพลังงานรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งจะไม่มีวันสมบูรณ์ เนื่องจากมีพลังงานประเภทอื่น (ส่วนใหญ่ไม่ต้องการ) อยู่เสมอ ตัวอย่างเช่น, ในมอเตอร์ไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดไม่ได้ถูกแปลงเป็นพลังงานกล แต่ส่วนหนึ่งของมันถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน (ความร้อนของสายไฟโดยกระแส, ความร้อนอันเป็นผลมาจากการกระทำของแรงเสียดทาน)

ข้อเท็จจริงของการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สมบูรณ์ของพลังงานประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่งจะกำหนดลักษณะค่าสัมประสิทธิ์ของประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพ)ค่าสัมประสิทธิ์นี้กำหนดเป็นอัตราส่วนของพลังงานที่มีประโยชน์ต่อปริมาณทั้งหมดหรือเป็นอัตราส่วนของพลังงานที่มีประโยชน์ต่อทั้งหมด

พลังงานไฟฟ้า มีข้อได้เปรียบที่สามารถส่งสัญญาณได้ค่อนข้างง่ายและมีการสูญเสียต่ำในระยะทางไกล และยังมีการใช้งานที่หลากหลายมาก การกระจายพลังงานไฟฟ้านั้นค่อนข้างง่ายต่อการจัดการและสามารถจัดเก็บและจัดเก็บได้ในปริมาณที่ทราบ

ในระหว่างวันทำงาน คนเราจะใช้พลังงานเฉลี่ย 1,000 กิโลจูลหรือ 0.3 กิโลวัตต์ คนเราต้องการพลังงานประมาณ 8,000 กิโลจูลในรูปของอาหารและ 8,000 กิโลจูลสำหรับการทำความร้อนในบ้าน โรงงานอุตสาหกรรม การปรุงอาหาร ฯลฯ กิโลแคลอรี หรือ 60 กิโลวัตต์ชั่วโมง

พลังงานไฟฟ้าและเครื่องกล

พลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นพลังงานกลในมอเตอร์ไฟฟ้าและในระดับที่น้อยกว่า ในแม่เหล็กไฟฟ้า… ในทั้งสองกรณี ผลกระทบที่เกี่ยวข้อง ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า… การสูญเสียพลังงาน กล่าวคือ ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ไม่ได้ถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปแบบที่ต้องการ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยค่าใช้จ่ายด้านพลังงานสำหรับลวดความร้อนจากการสูญเสียกระแสไฟฟ้าและแรงเสียดทาน

มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่มีประสิทธิภาพมากกว่า 90% ในขณะที่มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กมีประสิทธิภาพต่ำกว่าระดับนี้เล็กน้อย ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์ไฟฟ้ามีกำลัง 15 กิโลวัตต์และประสิทธิภาพเท่ากับ 90% แสดงว่ากำลังเชิงกล (มีประโยชน์) คือ 13.5 กิโลวัตต์ หากกำลังเชิงกลของมอเตอร์ไฟฟ้าควรเท่ากับ 15 กิโลวัตต์ พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ตามค่าประสิทธิภาพเดียวกันคือ 16.67 กิโลวัตต์ชั่วโมง

กระบวนการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลสามารถย้อนกลับได้ กล่าวคือ พลังงานกลสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ (ดู — กระบวนการแปลงพลังงานในเครื่องจักรไฟฟ้า). เพื่อจุดประสงค์นี้ส่วนใหญ่จะใช้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งมีการออกแบบคล้ายกับมอเตอร์ไฟฟ้าและสามารถขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำหรือกังหันไฮดรอลิก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหล่านี้ก็มีการสูญเสียพลังงานเช่นกัน

พลังงานไฟฟ้าและความร้อน

ถ้าสายไฟไหล ไฟฟ้าจากนั้นอิเล็กตรอนในการเคลื่อนที่จะชนกับอะตอมของวัสดุตัวนำและทำให้เกิดการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่รุนแรงขึ้น ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานบางส่วนไป ในแง่หนึ่งพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นนำไปสู่การเพิ่มอุณหภูมิของชิ้นส่วนและสายไฟของขดลวดในเครื่องใช้ไฟฟ้าและในทางกลับกันทำให้อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมเพิ่มขึ้น ต้องแยกความแตกต่างระหว่างพลังงานความร้อนที่มีประโยชน์และการสูญเสียความร้อน

ในอุปกรณ์ทำความร้อนไฟฟ้า (หม้อต้มน้ำไฟฟ้า เตารีด เตาทำความร้อน ฯลฯ) ขอแนะนำให้พยายามตรวจสอบให้แน่ใจว่าพลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนอย่างสมบูรณ์ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นี่ไม่ใช่กรณี เช่น ในกรณีของสายไฟหรือมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้นจึงมักต้องดำเนินการเพื่อเอาออก

อันเป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของร่างกาย พลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งแวดล้อม กระบวนการถ่ายเทพลังงานความร้อนจะเกิดขึ้นในรูปแบบ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน… ในกรณีส่วนใหญ่ เป็นเรื่องยากมากที่จะให้ค่าประมาณเชิงปริมาณที่แม่นยำของปริมาณพลังงานความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมา

หากต้องให้ความร้อนแก่ร่างกาย ค่าของอุณหภูมิสุดท้ายจะต้องสูงกว่าอุณหภูมิที่ให้ความร้อนที่ต้องการอย่างมาก นี่เป็นสิ่งจำเป็นในการส่งผ่านพลังงานความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

หากตรงกันข้าม ความร้อนของอุณหภูมิร่างกายไม่เป็นที่พึงปรารถนา ค่าของอุณหภูมิสุดท้ายของระบบควรมีค่าน้อย เพื่อจุดประสงค์นี้จะมีการสร้างเงื่อนไขที่อำนวยความสะดวกในการกำจัดพลังงานความร้อนออกจากร่างกาย (พื้นผิวสัมผัสขนาดใหญ่ของร่างกายกับสิ่งแวดล้อม, การระบายอากาศแบบบังคับ)

พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในสายไฟจะจำกัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่อนุญาตในสายไฟเหล่านั้น อุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาตของตัวนำจะพิจารณาจากความต้านทานความร้อนของฉนวน ทำไมเพื่อให้แน่ใจว่าการถ่ายโอนบางอย่างเฉพาะ แรงไฟฟ้าคุณควรเลือกค่ากระแสไฟฟ้าที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และตามค่าไฟฟ้าแรงสูง ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ต้นทุนของวัสดุเส้นลวดจะลดลง ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะส่งพลังงานไฟฟ้ากำลังสูงที่แรงดันไฟฟ้าสูงในเชิงเศรษฐกิจ

การแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า

พลังงานความร้อนจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงในลักษณะที่เรียกว่า ตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริก… เทอร์โมคัปเปิลของตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยตัวนำโลหะสองตัวที่ทำจากวัสดุต่างกัน (เช่น ทองแดงและคอนสแตนแทน) และบัดกรีเข้าด้วยกันที่ปลายด้านหนึ่ง

ที่ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อกับอีกสองปลายของสายไฟทั้งสอง อีเอ็มเอฟซึ่งในการประมาณครั้งแรกจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมินี้ สามารถบันทึกเทอร์โม-EMF ที่มีขนาดไม่กี่มิลลิโวลต์ได้โดยใช้โวลต์มิเตอร์ที่มีความไวสูง หากปรับเทียบโวลต์มิเตอร์เป็นองศาเซลเซียส อุปกรณ์ที่ได้จะสามารถใช้วัดอุณหภูมิโดยตรงร่วมกับเทอร์โมอิเล็กทริกคอนเวอร์เตอร์ได้

กำลังการแปลงต่ำดังนั้นตัวแปลงดังกล่าวจึงไม่ใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิล ทำงานในช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน สำหรับการเปรียบเทียบ สามารถระบุคุณลักษณะบางอย่างของเทอร์โมคัปเปิลที่แตกต่างกันได้: เทอร์โมคัปเปิลแบบทองแดงคงที่ใช้งานได้ถึง 600 ° C, EMF อยู่ที่ประมาณ 4 mV ที่ 100 ° C; เทอร์โมคัปเปิลที่ค่าคงที่ของธาตุเหล็กสามารถใช้งานได้ถึง 800 °C, EMF อยู่ที่ประมาณ 5 mV ที่ 100 °C

ตัวอย่างการใช้งานจริงของการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า — เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก

พลังงานไฟฟ้าและแสงสว่าง

ในแง่ของฟิสิกส์ แสงคือ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งสอดคล้องกับส่วนหนึ่งของสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและดวงตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้ สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังรวมถึงคลื่นวิทยุ ความร้อน และรังสีเอกซ์ ดู - ปริมาณแสงพื้นฐานและอัตราส่วน

เป็นไปได้ที่จะได้รับรังสีแสงโดยใช้พลังงานไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการแผ่รังสีความร้อนและจากการปล่อยก๊าซการแผ่รังสีความร้อน (อุณหภูมิ) เกิดขึ้นจากความร้อนของวัตถุที่เป็นของแข็งหรือของเหลว ซึ่งปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกันออกมาเนื่องจากความร้อน การกระจายความเข้มของรังสีความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเข้มของรังสีสูงสุดจะเปลี่ยนเป็นการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นลง ที่อุณหภูมิประมาณ 6500 K ความเข้มของรังสีสูงสุดจะเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น 0.55 μm เช่น ที่ความยาวคลื่นที่ตรงกับความไวสูงสุดของดวงตามนุษย์ สำหรับวัตถุประสงค์ในการให้แสงสว่าง แน่นอนว่าไม่มีวัตถุใดที่แข็งสามารถถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิดังกล่าวได้

ทังสเตนทนต่ออุณหภูมิความร้อนสูงสุด ในขวดแก้วสุญญากาศสามารถอุ่นได้ที่อุณหภูมิ 2,100 ° C และที่อุณหภูมิสูงขึ้นจะเริ่มระเหย กระบวนการระเหยสามารถชะลอตัวลงได้โดยการเพิ่มก๊าซบางชนิด (ไนโตรเจน, คริปทอน) ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มอุณหภูมิความร้อนเป็น 3,000 ° C

เพื่อลดการสูญเสียในหลอดไส้อันเป็นผลมาจากการพาความร้อน เส้นใยจะทำในรูปแบบของเกลียวเดี่ยวหรือเกลียวคู่ แม้จะมีมาตรการเหล่านี้อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการส่องสว่างของหลอดไส้คือ 20 lm / Wซึ่งยังห่างไกลจากค่าที่เหมาะสมที่สุดที่ทำได้ในทางทฤษฎี แหล่งกำเนิดรังสีความร้อนมีประสิทธิภาพต่ำมาก เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนและไม่ใช่แสง

ในแหล่งกำเนิดแสงที่ปล่อยก๊าซออกมา อิเล็กตรอนจะชนกับอะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซและทำให้พวกมันปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในช่วงความยาวคลื่นหนึ่งๆ ปริมาตรของก๊าซทั้งหมดเกี่ยวข้องกับกระบวนการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และโดยทั่วไป เส้นของสเปกตรัมของรังสีดังกล่าวไม่ได้อยู่ในช่วงของแสงที่มองเห็นเสมอไป ปัจจุบัน แหล่งกำเนิดแสง LED ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการให้แสงสว่าง ดู - ทางเลือกของแหล่งกำเนิดแสงสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม. 

การเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า

พลังงานแสงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ และการเปลี่ยนแปลงนี้เป็นไปได้สองวิธีจากมุมมองทางกายภาพ การแปลงพลังงานนี้อาจเป็นผลมาจากโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ (โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์) เพื่อให้ได้ผลโฟโตอิเล็กทริก โฟโตทรานซิสเตอร์ โฟโตไดโอด และโฟโตรีซีสเตอร์จึงถูกนำมาใช้

ที่ส่วนต่อประสานระหว่างกัน สารกึ่งตัวนำ (เจอร์เมเนียม ซิลิกอน ฯลฯ) และโลหะ มีการสร้างเขตขอบเขตขึ้นซึ่งอะตอมของวัสดุสัมผัสทั้งสองจะแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน เมื่อแสงตกลงบนเขตแดน สมดุลทางไฟฟ้าในนั้นจะถูกรบกวน ซึ่งเป็นผลมาจาก EMF เกิดขึ้น ภายใต้การกระทำของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในวงจรปิดภายนอก EMF และค่าของกระแสจึงขึ้นอยู่กับฟลักซ์ของแสงที่ตกกระทบและความยาวคลื่นของรังสี

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางชนิดใช้เป็นโฟโตรีซีสเตอร์อันเป็นผลมาจากผลกระทบของแสงบน photoresistor จำนวนพาหะอิสระของประจุไฟฟ้าในนั้นเพิ่มขึ้นซึ่งทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง หากคุณรวม photoresistor ในวงจรไฟฟ้า กระแสในวงจรนี้จะขึ้นอยู่กับ เกี่ยวกับพลังงานของแสงที่ตกกระทบโฟโตรีซีสเตอร์

ดูสิ่งนี้ด้วย - กระบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า

เคมีและพลังงานไฟฟ้า

สารละลายที่เป็นน้ำของกรด เบส และเกลือ (อิเล็กโทรไลต์) นำกระแสไฟฟ้าได้มากหรือน้อย ซึ่งเกิดจาก ปรากฏการณ์การแยกตัวของสารด้วยไฟฟ้า… โมเลกุลของตัวถูกละลายบางส่วน (ขนาดของส่วนนี้กำหนดระดับการแยกตัว) มีอยู่ในสารละลายในรูปของไอออน

หากมีขั้วไฟฟ้าสองขั้วในสารละลายที่ใช้ความต่างศักย์ ไอออนจะเริ่มเคลื่อนที่ โดยไอออนที่มีประจุบวก (ไอออนบวก) จะเคลื่อนที่ไปทางแคโทดและไอออนที่มีประจุลบ (แอนไอออน) จะเคลื่อนที่ไปทางขั้วบวก

เมื่อมาถึงอิเล็กโทรดที่สอดคล้องกัน ไอออนจะรับอิเล็กตรอนที่ขาดหายไปหรือในทางกลับกัน ละทิ้งอิเล็กโทรดเพิ่มเติม และเป็นผลให้กลายเป็นกลางทางไฟฟ้า มวลของวัสดุที่สะสมบนอิเล็กโทรดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุที่ถ่ายโอน (กฎของฟาราเดย์)

ในเขตรอยต่อระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ ความยืดหยุ่นในการละลายของโลหะและแรงดันออสโมติกตรงข้ามกัน (แรงดันออสโมติกทำให้เกิดการสะสมของไอออนโลหะจากอิเล็กโทรไลต์บนอิเล็กโทรด กระบวนการทางเคมีนี้เพียงอย่างเดียวรับผิดชอบต่อความต่างศักย์)

การแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี

เพื่อให้บรรลุการสะสมของสารบนขั้วไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของไอออน จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า กระบวนการนี้เรียกว่าอิเล็กโทรลิซิส การแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมีนี้ใช้ในโลหะวิทยาไฟฟ้าเพื่อให้ได้โลหะ (ทองแดง อะลูมิเนียม สังกะสี ฯลฯ) ในรูปแบบเคมีบริสุทธิ์

ในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า โลหะออกซิไดซ์แบบแอคทีฟจะถูกหุ้มด้วยโลหะแบบพาสซีฟ (การปิดทอง การชุบโครเมียม การชุบนิกเกิล ฯลฯ) ในการขึ้นรูปด้วยไฟฟ้า การพิมพ์สามมิติ (clichés) จะทำขึ้นจากวัตถุต่าง ๆ และหากร่างกายนั้นทำจากวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า จะต้องหุ้มด้วยชั้นนำไฟฟ้าก่อนที่จะทำการพิมพ์

การแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า

หากอิเล็กโทรดสองตัวที่ทำจากโลหะต่างกันถูกลดระดับลงในอิเล็กโทรไลต์ ความต่างศักย์จะเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากความแตกต่างของความยืดหยุ่นในการละลายของโลหะเหล่านี้ หากคุณเชื่อมต่อตัวรับพลังงานไฟฟ้า เช่น ตัวต้านทาน ระหว่างขั้วไฟฟ้าภายนอกอิเล็กโทรไลต์ กระแสจะไหลในวงจรไฟฟ้าที่เป็นผลลัพธ์ นี่คือวิธีการทำงาน เซลล์กัลวานิก (องค์ประกอบหลัก).

เซลล์กัลวานิกทองแดง-สังกะสีตัวแรกคิดค้นโดยโวลตา ในองค์ประกอบเหล่านี้ พลังงานเคมีจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า การทำงานของเซลล์กัลวานิกอาจถูกขัดขวางโดยปรากฏการณ์โพลาไรเซชัน ซึ่งเกิดขึ้นจากการสะสมของสารบนขั้วไฟฟ้า

เซลล์กัลวานิกทั้งหมดมีข้อเสียตรงที่พลังงานเคมีจะเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าในเซลล์นั้นอย่างถาวร นั่นคือ เซลล์กัลวานิกไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ พวกเขาปราศจากข้อเสียเปรียบนี้ สะสม.