Conversión de energía: eléctrica, térmica, mecánica, lumínica

El concepto de energía se utiliza en todas las ciencias. También se sabe que los cuerpos energéticos pueden realizar trabajo. Ley de la conservación de la energía establece que la energía no desaparece y no puede crearse de la nada, sino que aparece en sus diversas formas (por ejemplo, en forma de energía térmica, mecánica, luminosa, eléctrica, etc.).

Una forma de energía puede pasar a otra y al mismo tiempo se observan proporciones cuantitativas precisas de diferentes tipos de energía. En términos generales, la transición de una forma de energía a otra nunca es completa, ya que siempre hay otros tipos de energía (en su mayoría no deseados). Por ejemplo, en el motor electrico no toda la energía eléctrica se convierte en energía mecánica, pero parte de ella se convierte en energía térmica (calentamiento de los cables por las corrientes, calentamiento como resultado de la acción de las fuerzas de fricción).

El hecho de la transición incompleta de un tipo de energía a otro caracteriza el coeficiente de eficiencia (eficiencia).Este coeficiente se define como la relación entre la energía útil y su cantidad total o como la relación entre la potencia útil y el total.

Energía eléctrica tiene la ventaja de que puede transmitirse con relativa facilidad y con pocas pérdidas a largas distancias y, además, tiene una gama extremadamente amplia de aplicaciones. La distribución de energía eléctrica es relativamente fácil de gestionar y puede almacenarse y almacenarse en cantidades conocidas.

Durante un día de trabajo, una persona usa un promedio de 1000 kJ o 0,3 kW de energía. Una persona necesita aproximadamente 8000 kJ en forma de alimentos y 8000 kJ para calentar viviendas, naves industriales, cocinar, etc. kcal, o 60 kWh

Energía eléctrica y mecánica

La energía eléctrica se convierte en energía mecánica en los motores eléctricos y en menor medida en electroimanes… En ambos casos los efectos asociados con un campo electromagnético… Las pérdidas de energía, es decir, la parte de la energía que no se transforma en la forma deseada, consiste principalmente en los costos de energía para los cables de calefacción de las pérdidas por corriente y fricción.

Los motores eléctricos grandes tienen una eficiencia superior al 90%, mientras que los motores eléctricos pequeños tienen una eficiencia ligeramente por debajo de este nivel. Si, por ejemplo, el motor eléctrico tiene una potencia de 15 kW y una eficiencia igual al 90%, entonces su potencia mecánica (útil) es de 13,5 kW. Si la potencia mecánica del motor eléctrico debe ser igual a 15 kW, entonces la potencia eléctrica consumida con el mismo valor de eficiencia es de 16,67 kWh.

El proceso de conversión de energía eléctrica en energía mecánica es reversible, es decir, la energía mecánica se puede convertir en energía eléctrica (ver — Proceso de conversión de energía en máquinas eléctricas.). Para ello se utilizan principalmente generadoresque tienen un diseño similar a los motores eléctricos y pueden ser accionados por turbinas de vapor o turbinas hidráulicas. Estos generadores también tienen pérdidas de energía.

Energía eléctrica y térmica

Si el cable está fluyendo electricidad, entonces los electrones en su movimiento chocan con los átomos del material del conductor y les provocan un movimiento térmico más intenso. En este caso, los electrones pierden parte de su energía. La energía térmica resultante, por un lado, conduce, por ejemplo, a un aumento de la temperatura de las piezas y de los hilos de los devanados de las máquinas eléctricas y, por otro lado, a un aumento de la temperatura del medio ambiente. Se debe hacer una distinción entre energía calorífica útil y pérdidas de calor.

En los aparatos eléctricos de calefacción (calderas eléctricas, planchas, termoestufas, etc.) conviene procurar que la energía eléctrica se convierta lo más completamente posible en energía térmica. Este no es el caso, por ejemplo, en el caso de líneas eléctricas o motores eléctricos, donde la energía térmica generada es un efecto secundario no deseado y, por lo tanto, a menudo hay que tomarla para eliminarla.

Como consecuencia del posterior aumento de la temperatura corporal, se transfiere energía térmica al medio ambiente. El proceso de transferencia de energía térmica tiene lugar en la forma conducción de calor, convección y radiación de calor… En la mayoría de los casos, es muy difícil dar una estimación cuantitativa precisa de la cantidad total de energía térmica liberada.

Si se va a calentar un cuerpo, el valor de su temperatura final debe ser significativamente mayor que la temperatura de calentamiento requerida. Esto es necesario para transmitir la menor energía térmica posible al medio ambiente.

Si, por el contrario, el calentamiento de la temperatura corporal no es deseable, entonces el valor de la temperatura final del sistema debe ser pequeño. Para ello, se crean condiciones que facilitan la evacuación de la energía térmica del cuerpo (gran superficie de contacto del cuerpo con el ambiente, ventilación forzada).

La energía térmica que se produce en los cables eléctricos limita la cantidad de corriente que se permite en esos cables. La temperatura máxima admisible del conductor está determinada por la resistencia térmica de su aislamiento. ¿Por qué, para asegurar la transferencia de algunos fuerza eléctrica, debe elegir el valor de corriente más bajo posible y, en consecuencia, el valor de alto voltaje. Bajo estas condiciones, el costo del material del alambre se reducirá. Por lo tanto, es económicamente posible transmitir energía eléctrica de alta potencia a altos voltajes.

Conversión de energía térmica en energía eléctrica

La energía térmica se convierte directamente en energía eléctrica en el llamado convertidores termoeléctricos… El termopar de un convertidor termoeléctrico consta de dos conductores metálicos hechos de diferentes materiales (por ejemplo, cobre y constantán) y soldados entre sí en un extremo.

A una cierta diferencia de temperatura entre el punto de conexión y los otros dos extremos de los dos cables, campos electromagnéticos, que en primera aproximación es directamente proporcional a esta diferencia de temperatura. Este termo-EMF, igual a unos pocos milivoltios, se puede registrar utilizando voltímetros de alta sensibilidad. Si el voltímetro está calibrado en grados Celsius, entonces, junto con el convertidor termoeléctrico, el dispositivo resultante se puede usar para medir la temperatura directamente.

La potencia de conversión es baja, por lo que dichos convertidores prácticamente no se utilizan como fuentes de energía eléctrica. Dependiendo de los materiales utilizados para fabricar el termopar, opera en diferentes rangos de temperatura. A modo de comparación, se pueden indicar algunas características de diferentes termopares: un termopar de cobre-constantán es aplicable hasta 600 °C, la FEM es de aproximadamente 4 mV a 100 °C; un termopar de constante de hierro es aplicable hasta 800 °C, la FEM es de aproximadamente 5 mV a 100 °C.

Un ejemplo del uso práctico de la conversión de energía térmica en energía eléctrica: Generadores termoeléctricos

Energía eléctrica y lumínica

En términos de física, la luz es radiación electromagnética, que corresponde a una determinada parte del espectro de ondas electromagnéticas y que el ojo humano puede percibir. El espectro de ondas electromagnéticas también incluye ondas de radio, calor y rayos X. Mirar - Cantidades básicas de iluminación y sus proporciones.

Es posible obtener radiación luminosa utilizando energía eléctrica como resultado de radiación térmica y por descarga de gas.La radiación térmica (temperatura) se produce como resultado del calentamiento de cuerpos sólidos o líquidos que, debido al calentamiento, emiten ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda. La distribución de la intensidad de la radiación térmica depende de la temperatura.

A medida que aumenta la temperatura, la máxima intensidad de radiación cambia a oscilaciones electromagnéticas con una longitud de onda más corta. A una temperatura de alrededor de 6500 K, la máxima intensidad de radiación se produce a una longitud de onda de 0,55 μm, es decir, en la longitud de onda que corresponde a la máxima sensibilidad del ojo humano. Por supuesto, para fines de iluminación, ningún cuerpo sólido puede calentarse a tal temperatura.

El tungsteno soporta la temperatura de calentamiento más alta. En botellas de vidrio al vacío, se puede calentar a una temperatura de 2100 ° C, y a temperaturas más altas comienza a evaporarse. El proceso de evaporación se puede ralentizar agregando algunos gases (nitrógeno, criptón), lo que permite aumentar la temperatura de calentamiento a 3000 ° C.

Para reducir las pérdidas en las lámparas incandescentes como consecuencia de la convección resultante, el filamento se realiza en forma de espiral simple o doble. A pesar de estas medidas, sin embargo la eficiencia luminosa de las lámparas incandescentes es de 20 lm/W, que todavía está bastante lejos del óptimo teóricamente alcanzable. Las fuentes de radiación térmica tienen una eficiencia muy baja, ya que con ellas la mayor parte de la energía eléctrica se convierte en energía térmica y no en luz.

En las fuentes de luz de descarga de gas, los electrones chocan con átomos o moléculas de gas y, por lo tanto, hacen que emitan ondas electromagnéticas de cierta longitud de onda. Todo el volumen de gas está involucrado en el proceso de emisión de ondas electromagnéticas y, en general, las líneas del espectro de dicha radiación no siempre se encuentran en el rango de la luz visible. Actualmente, las fuentes de luz LED son las más utilizadas en iluminación. Mirar - La elección de fuentes de luz para locales industriales.. 

Transición de energía luminosa a energía eléctrica.

La energía luminosa se puede convertir en energía eléctrica y esta transición es posible de dos maneras diferentes desde el punto de vista físico. Esta conversión de energía puede ser el resultado del efecto fotoeléctrico (efecto fotoeléctrico). Para realizar el efecto fotoeléctrico se utilizan fototransistores, fotodiodos y fotorresistores.

En la interfaz entre algunos semiconductores (germanio, silicio, etc.) y metales, se forma una zona límite en la que los átomos de los dos materiales en contacto intercambian electrones. Cuando la luz cae sobre la zona límite, se altera el equilibrio eléctrico en ella, como resultado de lo cual se produce un EMF, bajo cuya acción surge una corriente eléctrica en un circuito cerrado externo. La EMF y, por lo tanto, el valor de la corriente depende del flujo de luz incidente y de la longitud de onda de la radiación.

Algunos materiales semiconductores se utilizan como fotorresistores.Como resultado del impacto de la luz en el fotorresistor, aumenta el número de portadores libres de cargas eléctricas en él, lo que provoca un cambio en su resistencia eléctrica.Si incluye un fotorresistor en un circuito eléctrico, la corriente en este circuito dependerá en las energías de la luz que incide sobre el fotorresistor.

Ver también - El proceso de convertir la energía solar en electricidad.

Energía química y eléctrica

Las soluciones acuosas de ácidos, bases y sales (electrolitos) conducen más o menos corriente eléctrica, lo que se debe a el fenómeno de la disociación eléctrica de las sustancias… Algunas de las moléculas de soluto (el tamaño de esta parte determina el grado de disociación) está presente en la solución en forma de iones.

Si hay dos electrodos en la solución a los que se les aplica una diferencia de potencial, entonces los iones comenzarán a moverse, con los iones cargados positivamente (cationes) moviéndose hacia el cátodo y los iones cargados negativamente (aniones) hacia el ánodo.

Al llegar al electrodo correspondiente, los iones adquieren los electrones que les faltan o, por el contrario, ceden los adicionales y, como resultado, se vuelven eléctricamente neutros. La masa de material depositado sobre los electrodos es directamente proporcional a la carga transferida (ley de Faraday).

En la zona límite entre el electrodo y el electrolito, la elasticidad de disolución de los metales y la presión osmótica se oponen. (La presión osmótica provoca la deposición de iones metálicos de los electrolitos en los electrodos. Este proceso químico por sí solo es responsable de la diferencia de potencial).

Conversión de energía eléctrica en energía química

Para lograr el depósito de una sustancia sobre los electrodos como resultado del movimiento de iones, es necesario gastar energía eléctrica. Este proceso se llama electrólisis. Esta conversión de energía eléctrica en energía química se utiliza en electrometalurgia para obtener metales (cobre, aluminio, zinc, etc.) en forma químicamente pura.

En la galvanoplastia, los metales que se oxidan activamente se cubren con metales pasivos (dorado, cromado, niquelado, etc.). En el electroformado, las impresiones tridimensionales (clichés) están hechas de varios cuerpos, y si dicho cuerpo está hecho de un material no conductor, debe cubrirse con una capa eléctricamente conductora antes de realizar la impresión.

Conversión de energía química en energía eléctrica

Si dos electrodos hechos de diferentes metales se sumergen en el electrolito, surge una diferencia de potencial entre ellos, debido a la diferencia en la elasticidad de disolución de estos metales. Si conecta un receptor de energía eléctrica, por ejemplo, una resistencia, entre los electrodos fuera del electrolito, fluirá una corriente en el circuito eléctrico resultante. Así es como funcionan celdas galvánicas (elementos primarios).

Volta inventó la primera celda galvánica de cobre y zinc. En estos elementos, la energía química se convierte en energía eléctrica. El funcionamiento de las celdas galvánicas puede verse obstaculizado por el fenómeno de polarización, que se produce como consecuencia del depósito de una sustancia sobre los electrodos.

Todas las celdas galvánicas tienen la desventaja de que la energía química se convierte irreversiblemente en energía eléctrica en ellas, es decir, las celdas galvánicas no se pueden recargar. Están desprovistos de este inconveniente. acumuladores.