Conversion d'énergie - électrique, thermique, mécanique, lumière
Le concept d'énergie est utilisé dans toutes les sciences. Il est également connu que les corps énergétiques peuvent faire du travail. Loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne disparaît pas et ne peut être créée à partir de rien, mais apparaît sous ses différentes formes (par exemple, sous forme d'énergie thermique, mécanique, lumineuse, électrique, etc.).
Une forme d'énergie peut passer dans une autre et en même temps des rapports quantitatifs précis de différents types d'énergie sont observés. D'une manière générale, la transition d'une forme d'énergie à une autre n'est jamais complète, car il existe toujours d'autres types d'énergie (pour la plupart indésirables). Par exemple, dans le moteur électrique toute l'énergie électrique n'est pas convertie en énergie mécanique, mais une partie de celle-ci est convertie en énergie thermique (échauffement des fils par les courants, échauffement sous l'action des forces de frottement).
Le fait d'une transition incomplète d'un type d'énergie à un autre caractérise le coefficient d'efficacité (rendement).Ce coefficient est défini comme le rapport de l'énergie utile à sa quantité totale ou comme le rapport de la puissance utile à la somme.
Énergie électrique il présente l'avantage de pouvoir être transmis relativement facilement et avec peu de pertes sur de longues distances et possède en outre une gamme d'applications extrêmement large. La distribution d'énergie électrique est relativement facile à gérer et peut être stockée et stockée en quantités connues.
Au cours d'une journée de travail, une personne utilise en moyenne 1000 kJ ou 0,3 kW d'énergie. Une personne a besoin d'environ 8000 kJ sous forme de nourriture et 8000 kJ pour chauffer les maisons, les locaux industriels, la cuisine, etc. kcal, soit 60 kWh
Énergie électrique et mécanique
L'énergie électrique est convertie en énergie mécanique dans les moteurs électriques et dans une moindre mesure dans les électroaimants… Dans les deux cas, les effets associés avec un champ électromagnétique… Les pertes d'énergie, c'est-à-dire la partie de l'énergie qui n'est pas transformée sous la forme souhaitée, consistent principalement en des coûts énergétiques pour chauffer les fils à partir des pertes de courant et de frottement.
Les gros moteurs électriques ont un rendement supérieur à 90 %, tandis que les petits moteurs électriques ont un rendement légèrement inférieur à ce niveau. Si, par exemple, le moteur électrique a une puissance de 15 kW et un rendement égal à 90 %, alors sa puissance mécanique (utile) est de 13,5 kW. Si la puissance mécanique du moteur électrique doit être égale à 15 kW, alors la puissance électrique consommée à la même valeur de rendement est de 16,67 kWh.
Le processus de conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique est réversible, c'est-à-dire que l'énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique (voir — Processus de conversion d'énergie dans les machines électriques). A cet effet, ils sont principalement utilisés générateursqui sont de conception similaire aux moteurs électriques et peuvent être entraînés par des turbines à vapeur ou des turbines hydrauliques. Ces générateurs ont également des pertes d'énergie.
Énergie électrique et thermique
Si le fil coule électricité, alors les électrons dans leur mouvement entrent en collision avec les atomes du matériau du conducteur et leur causent un mouvement thermique plus intense. Dans ce cas, les électrons perdent une partie de leur énergie. L'énergie thermique qui en résulte, d'une part, conduit par exemple à une augmentation de la température des pièces et des fils des enroulements dans les machines électriques, et d'autre part à une augmentation de la température de l'environnement. Une distinction doit être faite entre l'énergie thermique utile et les pertes de chaleur.
Dans les appareils de chauffage électriques (chaudières électriques, fers à repasser, poêles chauffants, etc.), il convient de veiller à ce que l'énergie électrique soit convertie le plus complètement possible en énergie thermique. Ce n'est pas le cas, par exemple, dans le cas des lignes électriques ou des moteurs électriques, où l'énergie thermique générée est un effet secondaire indésirable et doit donc souvent être prise pour l'éliminer.
En raison de l'augmentation ultérieure de la température corporelle, l'énergie thermique est transférée à l'environnement. Le processus de transfert d'énergie thermique se déroule sous la forme conduction thermique, convection et rayonnement thermique… Dans la plupart des cas, il est très difficile de donner une estimation quantitative précise de la quantité totale d'énergie thermique dégagée.
Si un corps doit être chauffé, la valeur de sa température finale doit être nettement supérieure à la température de chauffage requise. Ceci est nécessaire pour transmettre le moins d'énergie thermique possible à l'environnement.
Si, au contraire, le chauffage de la température corporelle n'est pas souhaitable, la valeur de la température finale du système doit être faible. A cet effet, des conditions sont créées pour faciliter l'évacuation de l'énergie thermique du corps (grande surface de contact du corps avec l'environnement, ventilation forcée).
L'énergie thermique produite dans les fils électriques limite la quantité de courant autorisée dans ces fils. La température maximale admissible du conducteur est déterminée par la résistance thermique de son isolation. Pourquoi, pour assurer le transfert de certains force électrique, vous devez choisir la valeur de courant la plus faible possible et, par conséquent, la valeur de haute tension. Dans ces conditions, le coût du matériau du fil sera réduit. Ainsi, il est économiquement possible de transmettre de l'énergie électrique de forte puissance à des tensions élevées.
Conversion de l'énergie thermique en énergie électrique
L'énergie thermique est convertie directement en énergie électrique dans ce que l'on appelle convertisseurs thermoélectriques… Le thermocouple d'un convertisseur thermoélectrique est constitué de deux conducteurs métalliques constitués de matériaux différents (par exemple du cuivre et du constantan) et soudés ensemble à une extrémité.
A une certaine différence de température entre le point de connexion et les deux autres extrémités des deux fils, CEM, qui en première approximation est directement proportionnelle à cette différence de température. Cette thermo-EMF, égale à quelques millivolts, peut être enregistrée à l'aide de voltmètres très sensibles. Si le voltmètre est calibré en degrés Celsius, alors avec le convertisseur thermoélectrique, le dispositif résultant peut être utilisé pour la mesure directe de la température.
La puissance de conversion étant faible, de tels convertisseurs ne sont pratiquement pas utilisés comme sources d'énergie électrique. Selon les matériaux utilisés pour fabriquer le thermocouple, celui-ci fonctionne dans différentes plages de température. A titre de comparaison, certaines caractéristiques de différents thermocouples peuvent être indiquées : un thermocouple cuivre-constantan est applicable jusqu'à 600°C, la FEM est d'environ 4 mV à 100°C ; un thermocouple à constante de fer est applicable jusqu'à 800 °C, la FEM est d'environ 5 mV à 100 °C.
Un exemple d'utilisation pratique de la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique — Générateurs thermoélectriques
Énergie électrique et lumière
En physique, la lumière est un rayonnement électromagnétique, qui correspond à une certaine partie du spectre des ondes électromagnétiques et que l'œil humain peut percevoir. Le spectre des ondes électromagnétiques comprend également les ondes radio, la chaleur et les rayons X. Regarder - Quantités d'éclairage de base et leurs ratios
Il est possible d'obtenir un rayonnement lumineux en utilisant de l'énergie électrique par rayonnement thermique et par décharge gazeuse.Le rayonnement thermique (température) se produit à la suite du chauffage de corps solides ou liquides qui, en raison du chauffage, émettent des ondes électromagnétiques de différentes longueurs d'onde. La distribution de l'intensité du rayonnement thermique dépend de la température.
Lorsque la température augmente, l'intensité maximale du rayonnement se déplace vers des oscillations électromagnétiques avec une longueur d'onde plus courte. A une température d'environ 6500 K, l'intensité de rayonnement maximale se produit à une longueur d'onde de 0,55 μm, c'est-à-dire à la longueur d'onde qui correspond à la sensibilité maximale de l'œil humain. A des fins d'éclairage, aucun corps solide ne peut être chauffé à une telle température, bien entendu.
Le tungstène résiste aux températures de chauffage les plus élevées. Dans les bouteilles en verre sous vide, il peut être chauffé à une température de 2100 ° C et, à des températures plus élevées, il commence à s'évaporer. Le processus d'évaporation peut être ralenti par l'ajout de certains gaz (azote, krypton), ce qui permet d'augmenter la température de chauffe jusqu'à 3000°C.
Afin de réduire les pertes dans les lampes à incandescence dues à la convection qui en résulte, le filament est réalisé sous la forme d'une spirale simple ou double. Malgré ces mesures, cependant l'efficacité lumineuse des lampes à incandescence est de 20 lm / W, ce qui est encore assez loin de l'optimum théoriquement réalisable. Les sources de rayonnement thermique ont une efficacité très faible, car avec elles, la majeure partie de l'énergie électrique est convertie en énergie thermique et non en lumière.
Dans les sources lumineuses à décharge, les électrons entrent en collision avec des atomes ou des molécules de gaz et les amènent ainsi à émettre des ondes électromagnétiques d'une certaine longueur d'onde. L'ensemble du volume de gaz est impliqué dans le processus d'émission d'ondes électromagnétiques et, en général, les lignes du spectre d'un tel rayonnement ne se situent pas toujours dans la gamme de la lumière visible. Actuellement, les sources lumineuses à LED sont les plus utilisées dans l'éclairage. Regarder - Le choix des sources lumineuses pour les locaux industriels.
Transition de l'énergie lumineuse en énergie électrique
L'énergie lumineuse peut être convertie en énergie électrique et cette transition est possible de deux manières différentes d'un point de vue physique. Cette conversion d'énergie peut résulter de l'effet photoélectrique (effet photoélectrique). Pour réaliser l'effet photoélectrique, des phototransistors, des photodiodes et des photorésistances sont utilisés.
A l'interface entre certains semi-conducteurs (germanium, silicium...) et des métaux, il se forme une zone limite dans laquelle les atomes des deux matériaux en contact échangent des électrons. Lorsque la lumière tombe sur la zone limite, l'équilibre électrique qui s'y trouve est perturbé, à la suite de quoi un champ électromagnétique se produit, sous l'action duquel un courant électrique apparaît dans un circuit fermé externe. La FEM et donc la valeur du courant dépendent du flux lumineux incident et de la longueur d'onde du rayonnement.
Certains matériaux semi-conducteurs sont utilisés comme photorésistances.En raison de l'impact de la lumière sur la photorésistance, le nombre de porteurs libres de charges électriques dans celle-ci augmente, ce qui provoque une modification de sa résistance électrique.Si vous incluez une photorésistance dans un circuit électrique, le courant dans ce circuit dépendra sur les énergies de la lumière tombant sur la photorésistance.
Voir également - Le processus de conversion de l'énergie solaire en électricité
Énergie chimique et électrique
Les solutions aqueuses d'acides, de bases et de sels (électrolytes) conduisent plus ou moins de courant électrique, ce qui est dû à le phénomène de dissociation électrique des substances… Une partie des molécules de soluté (la taille de cette partie détermine le degré de dissociation) est présente dans la solution sous forme d'ions.
S'il y a deux électrodes dans la solution auxquelles une différence de potentiel est appliquée, les ions commenceront à se déplacer, les ions chargés positivement (cations) se déplaçant vers la cathode et les ions chargés négativement (anions) vers l'anode.
Arrivés à l'électrode correspondante, les ions acquièrent leurs électrons manquants ou, au contraire, abandonnent les électrons supplémentaires et, de ce fait, deviennent électriquement neutres. La masse de matière déposée sur les électrodes est directement proportionnelle à la charge transférée (loi de Faraday).
Dans la zone limite entre l'électrode et l'électrolyte, l'élasticité de dissolution des métaux et la pression osmotique s'opposent. (La pression osmotique provoque le dépôt d'ions métalliques des électrolytes sur les électrodes. Ce processus chimique est à lui seul responsable de la différence de potentiel).
Conversion de l'énergie électrique en énergie chimique
Afin de réaliser le dépôt d'une substance sur les électrodes à la suite du mouvement des ions, il est nécessaire de dépenser de l'énergie électrique. Ce processus est appelé électrolyse. Cette conversion de l'énergie électrique en énergie chimique est utilisée en électrométallurgie pour obtenir des métaux (cuivre, aluminium, zinc...) sous une forme chimiquement pure.
En galvanoplastie, les métaux activement oxydants sont recouverts de métaux passifs (dorure, chromage, nickelage, etc.). Dans l'électroformage, les empreintes tridimensionnelles (clichés) sont faites de divers corps, et si un tel corps est fait d'un matériau non conducteur, il doit être recouvert d'une couche électriquement conductrice avant que l'impression ne soit faite.
Conversion de l'énergie chimique en énergie électrique
Si deux électrodes constituées de métaux différents sont abaissées dans l'électrolyte, une différence de potentiel apparaît entre elles, en raison de la différence d'élasticité de dissolution de ces métaux. Si vous connectez un récepteur d'énergie électrique, par exemple une résistance, entre les électrodes à l'extérieur de l'électrolyte, un courant circulera dans le circuit électrique résultant. Voici comment ils fonctionnent cellules galvaniques (éléments primaires).
La première cellule galvanique cuivre-zinc a été inventée par Volta. Dans ces éléments, l'énergie chimique est convertie en énergie électrique. Le fonctionnement des cellules galvaniques peut être entravé par le phénomène de polarisation, qui se produit à la suite du dépôt d'une substance sur les électrodes.
Toutes les cellules galvaniques présentent l'inconvénient que l'énergie chimique y est convertie de manière irréversible en énergie électrique, c'est-à-dire que les cellules galvaniques ne peuvent pas être rechargées. Ils sont dépourvus de cet inconvénient accumulateurs.