ऊर्जा रूपांतरण - विद्युत, थर्मल, यांत्रिक, प्रकाश

उर्जेची संकल्पना सर्व विज्ञानांमध्ये वापरली जाते. हे देखील ज्ञात आहे की ऊर्जा संस्था कार्य करू शकतात. ऊर्जा संवर्धन कायदा ऊर्जा नाहीशी होत नाही आणि शून्यातून निर्माण करता येत नाही, परंतु ती तिच्या विविध रूपांमध्ये दिसते (उदाहरणार्थ, थर्मल, यांत्रिक, प्रकाश, विद्युत उर्जा इ.)

ऊर्जेचा एक प्रकार दुसर्‍यामध्ये जाऊ शकतो आणि त्याच वेळी विविध प्रकारच्या ऊर्जेचे अचूक परिमाणात्मक गुणोत्तर पाळले जातात. सर्वसाधारणपणे, उर्जेच्या एका रूपातून दुसर्‍या रूपात संक्रमण कधीही पूर्ण होत नाही, कारण उर्जेचे इतर (बहुधा अवांछित) प्रकार नेहमीच असतात. उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रिक मोटर मध्ये सर्व विद्युत उर्जेचे यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतर होत नाही, परंतु त्यातील काही भाग औष्णिक उर्जेमध्ये रूपांतरित होतो (विद्युत प्रवाहांद्वारे तारा गरम करणे, घर्षण शक्तींच्या क्रियेमुळे गरम होणे).

एका प्रकारच्या उर्जेचे दुसर्‍या प्रकारात अपूर्ण संक्रमणाची वस्तुस्थिती कार्यक्षमतेचे गुणांक (कार्यक्षमता) दर्शवते.हे गुणांक उपयुक्त ऊर्जेचे एकूण रकमेचे गुणोत्तर किंवा एकूण उपयुक्त उर्जेचे गुणोत्तर म्हणून परिभाषित केले आहे.

विद्युत ऊर्जा याचा फायदा असा आहे की ते तुलनेने सहजतेने आणि लांब अंतरावर कमी नुकसानासह प्रसारित केले जाऊ शकते आणि त्याशिवाय अनुप्रयोगांची एक अत्यंत विस्तृत श्रेणी आहे. विद्युत उर्जेचे वितरण व्यवस्थापित करणे तुलनेने सोपे आहे आणि ज्ञात प्रमाणात संग्रहित आणि संग्रहित केले जाऊ शकते.

कामकाजाच्या दिवसात, एक व्यक्ती सरासरी 1000 kJ किंवा 0.3 kW ऊर्जा वापरते. एखाद्या व्यक्तीला अन्नाच्या स्वरूपात अंदाजे 8000 kJ आणि घरे, औद्योगिक परिसर, स्वयंपाक इत्यादी गरम करण्यासाठी 8000 kJ आवश्यक असते. kcal, किंवा 60 kWh

विद्युत आणि यांत्रिक ऊर्जा

इलेक्ट्रिक मोटर्समध्ये आणि काही प्रमाणात इलेक्ट्रिकल एनर्जीचे यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतर होते इलेक्ट्रोमॅग्नेट्स मध्ये… दोन्ही प्रकरणांमध्ये संबंधित प्रभाव इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डसह… ऊर्जेचा तोटा, म्हणजेच ऊर्जेचा तो भाग ज्याचे इच्छित स्वरुपात रूपांतर होत नाही, त्यात मुख्यतः विद्युत् प्रवाह आणि घर्षण नुकसानीपासून तारा गरम करण्यासाठी ऊर्जेच्या खर्चाचा समावेश होतो.

मोठ्या इलेक्ट्रिक मोटर्सची कार्यक्षमता 90% पेक्षा जास्त असते, तर लहान इलेक्ट्रिक मोटर्सची कार्यक्षमता या पातळीपेक्षा थोडी कमी असते. जर, उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रिक मोटरची शक्ती 15 किलोवॅट आणि कार्यक्षमता 90% इतकी असेल, तर त्याची यांत्रिक (उपयुक्त) शक्ती 13.5 किलोवॅट आहे. जर इलेक्ट्रिक मोटरची यांत्रिक शक्ती 15 किलोवॅट इतकी असली पाहिजे, तर त्याच कार्यक्षमतेच्या मूल्यावर वापरली जाणारी विद्युत उर्जा 16.67 kWh आहे.

विद्युत ऊर्जेचे यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतर करण्याची प्रक्रिया उलट करता येण्यासारखी असते, म्हणजेच यांत्रिक उर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर करता येते (पहा — इलेक्ट्रिकल मशीनमध्ये ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया). या उद्देशासाठी ते प्रामुख्याने वापरले जातात जनरेटरजे इलेक्ट्रिक मोटर्सच्या डिझाइनमध्ये समान आहेत आणि स्टीम टर्बाइन किंवा हायड्रॉलिक टर्बाइनद्वारे चालविले जाऊ शकतात. या जनरेटरमध्ये उर्जेची हानी देखील होते.

इलेक्ट्रिक आणि थर्मल ऊर्जा

तार वाहत असेल तर वीज, नंतर त्यांच्या हालचालीतील इलेक्ट्रॉन कंडक्टरच्या सामग्रीच्या अणूंशी आदळतात आणि त्यांना अधिक तीव्र थर्मल हालचाल करतात. या प्रकरणात, इलेक्ट्रॉन त्यांची काही ऊर्जा गमावतात. परिणामी औष्णिक उर्जा, एकीकडे, उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रिकल मशीनमधील विंडिंग्जचे भाग आणि तारांचे तापमान वाढवते आणि दुसरीकडे पर्यावरणाच्या तापमानात वाढ होते. उपयुक्त उष्णता उर्जा आणि उष्णतेचे नुकसान यामध्ये फरक करणे आवश्यक आहे.

इलेक्ट्रिक हीटिंग उपकरणांमध्ये (इलेक्ट्रिक बॉयलर, इस्त्री, हीटिंग स्टोव्ह इ.) विद्युत उर्जेचे शक्य तितके थर्मल एनर्जीमध्ये रूपांतरित केले जाईल याची खात्री करण्यासाठी प्रयत्न करणे उचित आहे. हे असे नाही, उदाहरणार्थ, पॉवर लाईन्स किंवा इलेक्ट्रिक मोटर्सच्या बाबतीत, जेथे निर्माण होणारी उष्णता उर्जा एक अवांछित दुष्परिणाम आहे आणि म्हणून ते काढून टाकण्यासाठी अनेकदा उपाय करावे लागतात.

शरीराच्या तापमानात त्यानंतरच्या वाढीचा परिणाम म्हणून, थर्मल ऊर्जा वातावरणात हस्तांतरित केली जाते. उष्णता ऊर्जा हस्तांतरणाची प्रक्रिया फॉर्ममध्ये होते उष्णता वाहक, संवहन आणि उष्णता विकिरण… बर्‍याच प्रकरणांमध्ये उत्सर्जित झालेल्या एकूण उष्मा ऊर्जेचा अचूक परिमाणवाचक अंदाज देणे फार कठीण आहे.

शरीराला गरम करायचे असल्यास, त्याच्या अंतिम तापमानाचे मूल्य आवश्यक गरम तापमानापेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त असणे आवश्यक आहे. वातावरणात शक्य तितकी कमी उष्णता ऊर्जा प्रसारित करण्यासाठी हे आवश्यक आहे.

त्याउलट, शरीराचे तापमान गरम करणे अवांछित असल्यास, सिस्टमच्या अंतिम तापमानाचे मूल्य लहान असावे. या उद्देशासाठी, अशी परिस्थिती तयार केली जाते जी शरीरातून उष्णता उर्जा काढून टाकण्यास सुलभ करते (वातावरणासह शरीराच्या संपर्काची मोठी पृष्ठभाग, सक्तीचे वायुवीजन).

विद्युत तारांमध्ये उद्भवणारी औष्णिक उर्जा त्या तारांमध्ये परवानगी असलेल्या विद्युत् प्रवाहाचे प्रमाण मर्यादित करते. कंडक्टरचे जास्तीत जास्त अनुज्ञेय तापमान त्याच्या इन्सुलेशनच्या थर्मल प्रतिकाराने निर्धारित केले जाते. का, काही विशिष्ट हस्तांतरण सुनिश्चित करण्यासाठी विद्युत शक्ती, तुम्ही सर्वात कमी संभाव्य वर्तमान मूल्य आणि त्यानुसार उच्च व्होल्टेज मूल्य निवडले पाहिजे. या परिस्थितीत, वायर सामग्रीची किंमत कमी होईल. अशा प्रकारे, उच्च व्होल्टेजवर उच्च पॉवर विद्युत ऊर्जा प्रसारित करणे आर्थिकदृष्ट्या शक्य आहे.

थर्मल ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर

औष्णिक ऊर्जा तथाकथित मध्ये थेट विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित होते थर्मोइलेक्ट्रिक कन्व्हर्टर्स… थर्मोइलेक्ट्रिक कन्व्हर्टरच्या थर्मोकूपलमध्ये दोन धातूंचे कंडक्टर असतात जे वेगवेगळ्या पदार्थांनी बनलेले असतात (उदा. तांबे आणि कॉन्स्टंटन) आणि एका टोकाला एकत्र जोडलेले असतात.

कनेक्शन बिंदू आणि दोन तारांच्या इतर दोन टोकांमधील विशिष्ट तापमानाच्या फरकाने, EMF, जे पहिल्या अंदाजात या तापमानाच्या फरकाशी थेट प्रमाणात आहे. हे थर्मो-ईएमएफ, काही मिलिव्होल्ट्सच्या बरोबरीचे, अत्यंत संवेदनशील व्होल्टमीटर वापरून रेकॉर्ड केले जाऊ शकते. जर व्होल्टमीटर अंश सेल्सिअसमध्ये कॅलिब्रेट केले असेल, तर थर्मोइलेक्ट्रिक कन्व्हर्टरसह परिणामी डिव्हाइस थेट तापमान मोजण्यासाठी वापरले जाऊ शकते.

रूपांतरण शक्ती कमी आहे, म्हणून अशा कन्व्हर्टर्सचा व्यावहारिकरित्या विद्युत उर्जेचा स्रोत म्हणून वापर केला जात नाही. थर्मोकूपल तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या सामग्रीवर अवलंबून, ते वेगवेगळ्या तापमान श्रेणींमध्ये कार्य करते. तुलनेसाठी, वेगवेगळ्या थर्मोकपल्सची काही वैशिष्ट्ये दर्शविली जाऊ शकतात: तांबे-कॉन्स्टंटन थर्मोकूपल 600 डिग्री सेल्सिअस पर्यंत लागू आहे, 100 डिग्री सेल्सियसवर EMF अंदाजे 4 mV आहे; एक लोखंडी स्थिर थर्माकोपल 800 °C पर्यंत लागू आहे, EMF 100 °C वर अंदाजे 5 mV आहे.

औष्णिक ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर करण्याच्या व्यावहारिक वापराचे उदाहरण - थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर

विद्युत आणि प्रकाश ऊर्जा

भौतिकशास्त्राच्या दृष्टीने, प्रकाश आहे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक विकिरण, जे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींच्या स्पेक्ट्रमच्या विशिष्ट भागाशी संबंधित आहे आणि जे मानवी डोळ्यांना जाणवू शकते. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींच्या स्पेक्ट्रममध्ये रेडिओ लहरी, उष्णता आणि क्ष-किरणांचाही समावेश होतो. दिसत - प्रकाशाची मूलभूत मात्रा आणि त्यांचे गुणोत्तर

थर्मल रेडिएशनच्या परिणामी आणि गॅस डिस्चार्जद्वारे विद्युत उर्जेचा वापर करून प्रकाश विकिरण प्राप्त करणे शक्य आहे.थर्मल (तापमान) किरणोत्सर्ग घन किंवा द्रव शरीराच्या गरम होण्याच्या परिणामी उद्भवते, जे गरम झाल्यामुळे वेगवेगळ्या तरंगलांबीच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लाटा उत्सर्जित करतात. थर्मल रेडिएशनच्या तीव्रतेचे वितरण तापमानावर अवलंबून असते.

जसजसे तापमान वाढते तसतसे किरणोत्सर्गाची कमाल तीव्रता कमी तरंगलांबीसह इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक दोलनांकडे सरकते. सुमारे 6500 के तापमानात, कमाल किरणोत्सर्गाची तीव्रता 0.55 μm च्या तरंगलांबीवर येते, म्हणजे. मानवी डोळ्याच्या कमाल संवेदनशीलतेशी संबंधित तरंगलांबी. प्रकाशाच्या उद्देशाने, अर्थातच, अशा तापमानात कोणतेही घन शरीर गरम केले जाऊ शकत नाही.

टंगस्टन सर्वात जास्त गरम तापमानाचा सामना करतो. व्हॅक्यूम काचेच्या बाटल्यांमध्ये, ते 2100 डिग्री सेल्सिअस तापमानात गरम केले जाऊ शकते आणि उच्च तापमानात ते बाष्पीभवन सुरू होते. काही वायू (नायट्रोजन, क्रिप्टॉन) जोडून बाष्पीभवन प्रक्रिया मंद केली जाऊ शकते, ज्यामुळे गरम तापमान 3000 डिग्री सेल्सियस पर्यंत वाढवणे शक्य होते.

परिणामी संवहनाच्या परिणामी इनॅन्डेन्सेंट दिवे मध्ये होणारे नुकसान कमी करण्यासाठी, फिलामेंट सिंगल किंवा डबल सर्पिलच्या स्वरूपात बनवले जाते. हे उपाय असूनही, तथापि इनॅन्डेन्सेंट दिव्यांची चमकदार कार्यक्षमता 20 एलएम / डब्ल्यू आहे, जे अद्याप सैद्धांतिकदृष्ट्या साध्य करण्यायोग्य इष्टतम पासून बरेच दूर आहे. थर्मल रेडिएशन स्त्रोतांची कार्यक्षमता खूपच कमी आहे, कारण त्यांच्यासह बहुतेक विद्युत उर्जा प्रकाशात नाही तर उष्णता उर्जेमध्ये रूपांतरित होते.

गॅस-डिस्चार्ज प्रकाश स्रोतांमध्ये, इलेक्ट्रॉन गॅसच्या अणू किंवा रेणूंशी आदळतात आणि त्याद्वारे ते एका विशिष्ट तरंगलांबीच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लाटा उत्सर्जित करतात. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरी उत्सर्जित करण्याच्या प्रक्रियेत वायूचा संपूर्ण खंड गुंतलेला असतो आणि सर्वसाधारणपणे, अशा रेडिएशनच्या स्पेक्ट्रमच्या रेषा नेहमी दृश्यमान प्रकाशाच्या श्रेणीमध्ये नसतात. सध्या, LED प्रकाश स्रोत सर्वात मोठ्या प्रमाणावर प्रकाशात वापरले जातात. दिसत - औद्योगिक परिसरांसाठी प्रकाश स्रोतांची निवड. 

प्रकाश उर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये संक्रमण

प्रकाश ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर करता येते आणि हे संक्रमण भौतिक दृष्टिकोनातून दोन वेगवेगळ्या प्रकारे शक्य आहे. हे ऊर्जा रूपांतरण फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव (फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव) चे परिणाम असू शकते. फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाची जाणीव करण्यासाठी, फोटोट्रान्सिस्टर्स, फोटोडायोड्स आणि फोटोरेसिस्टर वापरले जातात.

काही दरम्यान इंटरफेस येथे सेमीकंडक्टर (जर्मेनियम, सिलिकॉन इ.) आणि धातू, एक सीमा क्षेत्र तयार होते ज्यामध्ये दोन संपर्क सामग्रीचे अणू इलेक्ट्रॉन्सची देवाणघेवाण करतात. जेव्हा प्रकाश सीमा क्षेत्रावर पडतो, तेव्हा त्यातील विद्युत समतोल बिघडतो, परिणामी EMF उद्भवते, ज्याच्या कृती अंतर्गत बाह्य बंद सर्किटमध्ये विद्युत प्रवाह उद्भवतो. EMF आणि म्हणून विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य घटना प्रकाश प्रवाह आणि किरणोत्सर्गाच्या तरंगलांबीवर अवलंबून असते.

काही अर्धसंवाहक साहित्य फोटोरेसिस्टर म्हणून वापरले जातात.फोटोरेसिस्टरवर प्रकाशाच्या प्रभावामुळे, त्यामधील विद्युत शुल्काच्या मुक्त वाहकांची संख्या वाढते, ज्यामुळे त्याच्या विद्युत प्रतिरोधकतेमध्ये बदल होतो. जर तुम्ही इलेक्ट्रिकल सर्किटमध्ये फोटोरेझिस्टर समाविष्ट केले तर, या सर्किटमधील विद्युत् प्रवाह अवलंबून असेल फोटोरेसिस्टरवर पडणाऱ्या प्रकाशाच्या ऊर्जेवर.

हे देखील पहा - सौर ऊर्जेचे विजेमध्ये रूपांतर करण्याची प्रक्रिया

रासायनिक आणि विद्युत ऊर्जा

ऍसिडस्, बेस आणि क्षारांचे जलीय द्रावण (इलेक्ट्रोलाइट्स) कमी किंवा जास्त विद्युत प्रवाह चालवतात, ज्यामुळे पदार्थांच्या विद्युत पृथक्करणाची घटना… काही विद्राव्य रेणू (या भागाचा आकार पृथक्करणाची डिग्री ठरवतो) आयनांच्या स्वरूपात द्रावणात असतात.

जर द्रावणात दोन इलेक्ट्रोड असतील ज्यावर संभाव्य फरक लागू केला असेल, तर आयन हलू लागतील, सकारात्मक चार्ज केलेले आयन (केशन्स) कॅथोडकडे आणि नकारात्मक चार्ज केलेले आयन (आयन) एनोडच्या दिशेने जातात.

संबंधित इलेक्ट्रोडवर आल्यावर, आयन त्यांचे गहाळ इलेक्ट्रॉन मिळवतात किंवा उलट, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन सोडून देतात आणि परिणामी, विद्युतदृष्ट्या तटस्थ होतात. इलेक्ट्रोड्सवर जमा केलेल्या सामग्रीचे वस्तुमान हस्तांतरित केलेल्या शुल्काच्या थेट प्रमाणात असते (फॅराडेचा नियम).

इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइटमधील सीमा झोनमध्ये, धातूंचे विघटन लवचिकता आणि ऑस्मोटिक दाब एकमेकांना विरोध करतात. (ऑस्मोटिक प्रेशरमुळे इलेक्ट्रोलाइट्समधून धातूचे आयन इलेक्ट्रोडवर जमा होतात. संभाव्य फरकासाठी ही रासायनिक प्रक्रिया केवळ जबाबदार असते).

विद्युत ऊर्जेचे रासायनिक ऊर्जेत रूपांतर

आयनांच्या हालचालीच्या परिणामी इलेक्ट्रोड्सवर पदार्थ जमा होण्यासाठी, विद्युत उर्जा खर्च करणे आवश्यक आहे. या प्रक्रियेला इलेक्ट्रोलिसिस म्हणतात. विद्युत ऊर्जेचे रासायनिक ऊर्जेमध्ये रूपांतर इलेक्ट्रोमेटलर्जीमध्ये रासायनिकदृष्ट्या शुद्ध स्वरूपात धातू (तांबे, अॅल्युमिनियम, जस्त इ.) मिळविण्यासाठी वापरले जाते.

इलेक्ट्रोप्लेटिंगमध्ये, सक्रियपणे ऑक्सिडायझिंग धातू निष्क्रिय धातूंनी झाकल्या जातात (गिल्डिंग, क्रोम प्लेटिंग, निकेल प्लेटिंग इ.). इलेक्ट्रोफॉर्मिंगमध्ये, त्रिमितीय इंप्रेशन (क्लिचेस) विविध शरीरांपासून बनलेले असतात आणि जर असे शरीर प्रवाहकीय नसलेल्या पदार्थाचे बनलेले असेल, तर छाप होण्यापूर्वी ते विद्युतीय प्रवाहकीय थराने झाकलेले असणे आवश्यक आहे.

रासायनिक ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर

जर वेगवेगळ्या धातूंनी बनवलेले दोन इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइटमध्ये कमी केले तर या धातूंच्या विरघळण्याच्या लवचिकतेतील फरकामुळे त्यांच्यामध्ये संभाव्य फरक निर्माण होतो. जर तुम्ही विद्युत उर्जेचा रिसीव्हर कनेक्ट केल्यास, उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रोलाइटच्या बाहेरील इलेक्ट्रोड्स दरम्यान एक रेझिस्टर, तर परिणामी इलेक्ट्रिकल सर्किटमध्ये एक करंट प्रवाहित होईल. ते कसे कार्य करतात ते येथे आहे गॅल्व्हॅनिक पेशी (प्राथमिक घटक).

प्रथम तांबे-जस्त गॅल्व्हॅनिक सेलचा शोध व्होल्टाने लावला होता. या घटकांमध्ये रासायनिक ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर होते. ध्रुवीकरणाच्या घटनेमुळे गॅल्व्हॅनिक पेशींच्या ऑपरेशनमध्ये अडथळा येऊ शकतो, जे इलेक्ट्रोड्सवर पदार्थ जमा झाल्यामुळे उद्भवते.

सर्व गॅल्व्हॅनिक पेशींचा तोटा आहे की रासायनिक ऊर्जा अपरिवर्तनीयपणे त्यांच्यातील विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित होते, म्हणजेच गॅल्व्हॅनिक पेशी रिचार्ज होऊ शकत नाहीत. ते या दोषापासून वंचित आहेत संचयक.