Konversi energi — listrik, termal, mekanik, cahaya
Konsep energi digunakan dalam semua ilmu. Juga diketahui bahwa badan energi dapat melakukan usaha. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak hilang dan tidak dapat diciptakan dari ketiadaan, tetapi muncul dalam berbagai bentuknya (misalnya dalam bentuk energi panas, mekanik, cahaya, listrik, dll.).
Satu bentuk energi dapat berpindah ke yang lain dan pada saat yang sama rasio kuantitatif yang tepat dari berbagai jenis energi diamati. Secara umum, peralihan dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya tidak pernah selesai, karena selalu ada jenis energi lain (kebanyakan tidak diinginkan). Misalnya, di motor listrik tidak semua energi listrik diubah menjadi energi mekanik, tetapi sebagian diubah menjadi energi panas (pemanasan kabel oleh arus, pemanasan akibat aksi gaya gesekan).
Fakta transisi yang tidak lengkap dari satu jenis energi ke energi lainnya mencirikan koefisien efisiensi (efisiensi).Koefisien ini didefinisikan sebagai rasio energi yang berguna terhadap jumlah totalnya atau sebagai rasio daya yang berguna terhadap totalnya.
Energi listrik itu memiliki keuntungan bahwa itu dapat ditransmisikan dengan relatif mudah dan dengan kerugian yang rendah dalam jarak jauh dan selanjutnya memiliki jangkauan aplikasi yang sangat luas. Distribusi energi listrik relatif mudah dikelola dan dapat disimpan dan disimpan dalam jumlah yang diketahui.
Selama hari kerja, seseorang menggunakan energi rata-rata 1000 kJ atau 0,3 kW. Seseorang membutuhkan sekitar 8000 kJ dalam bentuk makanan dan 8000 kJ untuk memanaskan rumah, tempat industri, memasak, dll. kkal, atau 60 kWh
Energi listrik dan mekanik
Energi listrik diubah menjadi energi mekanik di motor listrik dan pada tingkat yang lebih rendah dalam elektromagnet… Dalam kedua kasus efek yang terkait dengan medan elektromagnetik... Kehilangan energi, yaitu bagian dari energi yang tidak diubah menjadi bentuk yang diinginkan, terutama terdiri dari biaya energi untuk kabel pemanas dari kehilangan arus dan gesekan.
Motor listrik besar memiliki efisiensi di atas 90%, sedangkan motor listrik kecil memiliki efisiensi sedikit di bawah level ini. Jika, misalnya, motor listrik memiliki daya 15 kW dan efisiensi 90%, maka daya mekanis (berguna) adalah 13,5 kW. Jika daya mekanik motor listrik harus sama dengan 15 kW, maka daya listrik yang dikonsumsi pada nilai efisiensi yang sama adalah 16,67 kWh.
Proses pengubahan energi listrik menjadi energi mekanik bersifat reversibel, yaitu energi mekanik dapat diubah menjadi energi listrik (lihat — Proses konversi energi pada mesin listrik). Untuk tujuan ini mereka terutama digunakan generatoryang desainnya mirip dengan motor listrik dan dapat digerakkan oleh turbin uap atau turbin hidrolik. Generator ini juga memiliki kerugian energi.
Energi listrik dan panas
Jika kawat mengalir listrik, kemudian elektron dalam gerakannya bertabrakan dengan atom-atom bahan konduktor dan menyebabkan gerakan termal yang lebih intens. Dalam hal ini, elektron kehilangan sebagian energinya. Energi panas yang dihasilkan, di satu sisi, menyebabkan, misalnya, peningkatan suhu bagian dan kabel belitan pada mesin listrik, dan di sisi lain, peningkatan suhu lingkungan. Perbedaan harus dibuat antara energi panas yang berguna dan kehilangan panas.
Pada perangkat pemanas listrik (boiler listrik, setrika, kompor pemanas, dll.) Dianjurkan untuk berusaha memastikan bahwa energi listrik diubah selengkap mungkin menjadi energi panas. Ini tidak terjadi, misalnya, dalam kasus saluran listrik atau motor listrik, di mana energi panas yang dihasilkan merupakan efek samping yang tidak diinginkan dan oleh karena itu seringkali harus diambil untuk menghilangkannya.
Sebagai hasil dari peningkatan suhu tubuh selanjutnya, energi panas dipindahkan ke lingkungan. Proses perpindahan energi panas berlangsung dalam bentuk konduksi panas, konveksi dan radiasi panas… Dalam kebanyakan kasus, sangat sulit untuk memberikan perkiraan kuantitatif yang akurat dari jumlah total energi panas yang dilepaskan.
Jika suatu benda akan dipanaskan, nilai suhu akhirnya harus jauh lebih tinggi daripada suhu pemanasan yang diperlukan. Ini diperlukan untuk mengirimkan energi panas sesedikit mungkin ke lingkungan.
Sebaliknya, jika pemanasan suhu tubuh tidak diinginkan, maka nilai suhu akhir sistem harus kecil. Untuk tujuan ini, diciptakan kondisi yang memfasilitasi pembuangan energi panas dari tubuh (permukaan besar kontak tubuh dengan lingkungan, ventilasi paksa).
Energi panas yang terjadi pada kabel listrik membatasi jumlah arus yang diperbolehkan pada kabel tersebut. Suhu maksimum yang diizinkan dari konduktor ditentukan oleh ketahanan termal dari insulasinya. Mengapa, untuk memastikan transfer tertentu gaya listrik, Anda harus memilih nilai arus serendah mungkin dan sesuai dengan nilai tegangan tinggi. Dalam kondisi ini, biaya bahan kawat akan berkurang. Dengan demikian, secara ekonomis dimungkinkan untuk mengirimkan energi listrik berdaya tinggi pada tegangan tinggi.
Konversi energi panas menjadi energi listrik
Energi panas diubah langsung menjadi energi listrik yang disebut konverter termoelektrik… Termokopel konverter termoelektrik terdiri dari dua konduktor logam yang terbuat dari bahan yang berbeda (misalnya tembaga dan konstanta) dan disolder bersama di salah satu ujungnya.
Pada perbedaan suhu tertentu antara titik sambungan dan dua ujung lainnya dari dua kabel, EMF, yang pada perkiraan pertama berbanding lurus dengan perbedaan suhu ini. Termo-EMF ini, sama dengan beberapa milivolt, dapat direkam menggunakan voltmeter yang sangat sensitif. Jika voltmeter dikalibrasi dalam derajat Celcius, maka bersama dengan konverter termoelektrik perangkat yang dihasilkan dapat digunakan untuk pengukuran suhu langsung.
Daya konversi rendah, sehingga konverter semacam itu praktis tidak digunakan sebagai sumber energi listrik. Bergantung pada bahan yang digunakan untuk membuat termokopel, termokopel beroperasi dalam rentang suhu yang berbeda. Sebagai perbandingan, beberapa karakteristik termokopel yang berbeda dapat ditunjukkan: termokopel tembaga-konstantan berlaku hingga 600 ° C, EMF kira-kira 4 mV pada 100 ° C; termokopel konstanta besi berlaku hingga 800 °C, EMF kira-kira 5 mV pada 100 °C.
Contoh penggunaan praktis konversi energi panas menjadi energi listrik — Generator termoelektrik
Energi listrik dan cahaya
Dalam istilah fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, yang sesuai dengan bagian tertentu dari spektrum gelombang elektromagnetik dan yang dapat dilihat oleh mata manusia. Spektrum gelombang elektromagnetik juga mencakup gelombang radio, panas, dan sinar-X. Lihat - Jumlah dasar pencahayaan dan rasionya
Dimungkinkan untuk memperoleh radiasi cahaya menggunakan energi listrik sebagai akibat dari radiasi termal dan pelepasan gas.Radiasi termal (suhu) terjadi sebagai akibat dari pemanasan benda padat atau cair, yang karena pemanasan, memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda. Distribusi intensitas radiasi termal tergantung pada suhu.
Saat suhu meningkat, intensitas radiasi maksimum bergeser ke osilasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Pada suhu sekitar 6500 K, intensitas radiasi maksimum terjadi pada panjang gelombang 0,55 μm, yaitu pada panjang gelombang yang sesuai dengan sensitivitas maksimum mata manusia. Untuk keperluan penerangan, tentu saja tidak ada benda padat yang dapat dipanaskan hingga suhu seperti itu.
Tungsten tahan terhadap suhu pemanasan tertinggi. Dalam botol kaca vakum, dapat dipanaskan hingga suhu 2100 ° C, dan pada suhu yang lebih tinggi mulai menguap. Proses penguapan dapat diperlambat dengan menambahkan beberapa gas (nitrogen, kripton), yang memungkinkan peningkatan suhu pemanasan hingga 3000 ° C.
Untuk mengurangi kerugian pada lampu pijar akibat konveksi yang dihasilkan, filamen dibuat dalam bentuk spiral tunggal atau ganda. Meskipun langkah-langkah ini, bagaimanapun efisiensi bercahaya lampu pijar adalah 20 lm / W, yang masih cukup jauh dari optimal yang dapat dicapai secara teoritis. Sumber radiasi termal memiliki efisiensi yang sangat rendah, karena dengannya sebagian besar energi listrik diubah menjadi energi panas dan bukan menjadi cahaya.
Dalam sumber cahaya pelepasan gas, elektron bertabrakan dengan atom atau molekul gas dan dengan demikian menyebabkannya memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang tertentu. Seluruh volume gas terlibat dalam proses pancaran gelombang elektromagnetik dan, secara umum, garis spektrum radiasi semacam itu tidak selalu berada dalam jangkauan cahaya tampak. Saat ini, sumber cahaya LED paling banyak digunakan dalam pencahayaan. Lihat - Pilihan sumber cahaya untuk tempat industri.
Peralihan energi cahaya menjadi energi listrik
Energi cahaya dapat diubah menjadi energi listrik dan transisi ini dimungkinkan dalam dua cara berbeda dari sudut pandang fisik. Konversi energi ini dapat merupakan akibat dari efek fotolistrik (photoelectric effect). Untuk mewujudkan efek fotolistrik, digunakan fototransistor, fotodioda, dan fotoresistor.
Di antarmuka antara beberapa semikonduktor (germanium, silikon, dll.) dan logam, zona batas terbentuk di mana atom dari dua bahan yang bersentuhan bertukar elektron. Ketika cahaya jatuh ke zona batas, keseimbangan listrik di dalamnya terganggu, akibatnya terjadi EMF, di bawah aksi arus listrik yang muncul di sirkuit tertutup eksternal. EMF dan karenanya nilai arus bergantung pada fluks cahaya yang datang dan panjang gelombang radiasi.
Beberapa bahan semikonduktor digunakan sebagai fotoresistor.Akibat benturan cahaya pada fotoresistor, jumlah pembawa bebas muatan listrik di dalamnya meningkat, yang menyebabkan perubahan hambatan listriknya.Jika Anda menyalakan fotoresistor dalam rangkaian listrik, arus dalam rangkaian ini akan bergantung pada energi cahaya yang jatuh pada photoresistor.
Lihat juga - Proses mengubah energi matahari menjadi listrik
Energi kimia dan listrik
Larutan asam, basa, dan garam (elektrolit) dalam air mengalirkan lebih banyak atau lebih sedikit arus listrik, yang disebabkan oleh fenomena disosiasi listrik zat… Beberapa molekul zat terlarut (ukuran bagian ini menentukan derajat disosiasi) terdapat dalam larutan dalam bentuk ion.
Jika ada dua elektroda dalam larutan yang menerapkan perbedaan potensial, maka ion akan mulai bergerak, dengan ion bermuatan positif (kation) bergerak menuju katoda dan ion bermuatan negatif (anion) menuju anoda.
Sesampainya di elektroda yang sesuai, ion memperoleh elektron yang hilang atau, sebaliknya, melepaskan elektron tambahan dan, sebagai hasilnya, menjadi netral secara elektrik. Massa material yang diendapkan pada elektroda berbanding lurus dengan muatan yang ditransfer (hukum Faraday).
Di zona batas antara elektroda dan elektrolit, elastisitas pembubaran logam dan tekanan osmotik saling bertentangan. (Tekanan osmotik menyebabkan pengendapan ion logam dari elektrolit ke elektroda. Proses kimia ini sendiri bertanggung jawab atas perbedaan potensial).
Konversi energi listrik menjadi energi kimia
Untuk mencapai pengendapan suatu zat pada elektroda sebagai akibat dari pergerakan ion, energi listrik perlu dikeluarkan. Proses ini disebut elektrolisis. Konversi energi listrik menjadi energi kimia ini digunakan dalam elektrometalurgi untuk mendapatkan logam (tembaga, aluminium, seng, dll.) dalam bentuk kimia murni.
Dalam pelapisan listrik, logam pengoksidasi aktif ditutupi dengan logam pasif (penyepuhan, pelapisan krom, pelapisan nikel, dll.). Dalam electroforming, impresi tiga dimensi (klise) dibuat dari berbagai benda, dan jika benda tersebut terbuat dari bahan non-konduktif, ia harus ditutup dengan lapisan konduktif listrik sebelum impresi dibuat.
Konversi energi kimia menjadi energi listrik
Jika dua elektroda yang terbuat dari logam yang berbeda diturunkan ke dalam elektrolit, maka timbul perbedaan potensial di antara keduanya, karena perbedaan elastisitas pembubaran logam-logam tersebut. Jika Anda menghubungkan penerima energi listrik, misalnya resistor, antara elektroda di luar elektrolit, arus akan mengalir di sirkuit listrik yang dihasilkan. Begini cara kerjanya sel galvanik (elemen primer).
Sel galvanik tembaga-seng pertama ditemukan oleh Volta. Pada unsur-unsur ini, energi kimia diubah menjadi energi listrik. Pengoperasian sel galvanik dapat dihambat oleh fenomena polarisasi yang terjadi akibat pengendapan suatu zat pada elektroda.
Semua sel galvanik memiliki kelemahan yaitu energi kimia di dalamnya diubah secara permanen menjadi energi listrik, yaitu sel galvanik tidak dapat diisi ulang. Mereka tidak memiliki kelemahan ini akumulator.