ऊर्जा रूपांतरण - विद्युत, तापीय, यांत्रिक, प्रकाश

ऊर्जा की अवधारणा का उपयोग सभी विज्ञानों में किया जाता है। यह भी ज्ञात है कि ऊर्जा निकाय कार्य कर सकते हैं। ऊर्जा संरक्षण का नियम बताता है कि ऊर्जा गायब नहीं होती है और कुछ भी नहीं बनाई जा सकती है, लेकिन इसके विभिन्न रूपों में प्रकट होती है (उदाहरण के लिए, तापीय, यांत्रिक, प्रकाश, विद्युत ऊर्जा, आदि के रूप में)।

ऊर्जा का एक रूप दूसरे में पारित हो सकता है और साथ ही विभिन्न प्रकार की ऊर्जा के सटीक मात्रात्मक अनुपात देखे जाते हैं। सामान्यतया, ऊर्जा के एक रूप से दूसरे रूप में संक्रमण कभी पूर्ण नहीं होता है, क्योंकि हमेशा अन्य (अधिकतर अवांछित) प्रकार की ऊर्जा होती है। उदाहरण के लिए, विद्युत मोटर में सभी विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित नहीं किया जाता है, लेकिन इसका एक हिस्सा तापीय ऊर्जा (धाराओं द्वारा तारों का ताप, घर्षण बलों की क्रिया के परिणामस्वरूप ताप) में परिवर्तित हो जाता है।

एक प्रकार की ऊर्जा के दूसरे में अधूरे संक्रमण का तथ्य दक्षता (दक्षता) के गुणांक की विशेषता है।इस गुणांक को इसकी कुल मात्रा में उपयोगी ऊर्जा के अनुपात या कुल उपयोगी शक्ति के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।

विद्युतीय ऊर्जा इसका लाभ यह है कि इसे अपेक्षाकृत आसानी से और लंबी दूरी पर कम नुकसान के साथ प्रेषित किया जा सकता है और इसके अलावा अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। विद्युत ऊर्जा के वितरण को प्रबंधित करना अपेक्षाकृत आसान है और इसे ज्ञात मात्रा में संग्रहीत और संग्रहीत किया जा सकता है।

एक कार्य दिवस के दौरान, एक व्यक्ति औसतन 1000 kJ या 0.3 kW ऊर्जा का उपयोग करता है। एक व्यक्ति को भोजन के रूप में लगभग 8000 kJ और घरों, औद्योगिक परिसरों, खाना पकाने आदि को गर्म करने के लिए 8000 kJ की आवश्यकता होती है। किलो कैलोरी, या 60 kWh

विद्युत और यांत्रिक ऊर्जा

विद्युत मोटरों में विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में और कुछ हद तक परिवर्तित किया जाता है विद्युत चुम्बकों में… दोनों मामलों में संबंधित प्रभाव एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के साथ... ऊर्जा हानि, अर्थात् ऊर्जा का वह हिस्सा जो वांछित रूप में परिवर्तित नहीं होता है, में मुख्य रूप से वर्तमान और घर्षण नुकसान से तारों को गर्म करने के लिए ऊर्जा लागत शामिल होती है।

बड़ी विद्युत मोटरों की दक्षता 90% से अधिक होती है, जबकि छोटी विद्युत मोटरों की दक्षता इस स्तर से थोड़ी कम होती है। यदि, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक मोटर में 15 kW की शक्ति और 90% के बराबर दक्षता है, तो इसकी यांत्रिक (उपयोगी) शक्ति 13.5 kW है। यदि विद्युत मोटर की यांत्रिक शक्ति 15 kW के बराबर होनी चाहिए, तो समान दक्षता मान पर खपत विद्युत शक्ति 16.67 kWh है।

विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलने की प्रक्रिया उत्क्रमणीय होती है, अर्थात यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है (देखें - विद्युत मशीनों में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया). इस प्रयोजन के लिए वे मुख्य रूप से उपयोग किए जाते हैं जेनरेटरजो विद्युत मोटरों के डिजाइन के समान हैं और भाप टर्बाइनों या हाइड्रोलिक टर्बाइनों द्वारा संचालित किए जा सकते हैं। इन जनरेटर से ऊर्जा की हानि भी होती है।

विद्युत और तापीय ऊर्जा

अगर तार बह रहा है बिजली, तब उनके संचलन में इलेक्ट्रॉन कंडक्टर की सामग्री के परमाणुओं से टकराते हैं और उन्हें अधिक तीव्र तापीय गति का कारण बनाते हैं। इस स्थिति में, इलेक्ट्रॉन अपनी कुछ ऊर्जा खो देते हैं। परिणामी तापीय ऊर्जा, एक ओर, उदाहरण के लिए, विद्युत मशीनों में वाइंडिंग के भागों और तारों के तापमान में वृद्धि के लिए, और दूसरी ओर पर्यावरण के तापमान में वृद्धि के लिए। उपयोगी ऊष्मा ऊर्जा और ऊष्मा के नुकसान के बीच अंतर किया जाना चाहिए।

इलेक्ट्रिक हीटिंग डिवाइस (इलेक्ट्रिक बॉयलर, आयरन, हीटिंग स्टोव इत्यादि) में यह सुनिश्चित करने का प्रयास करने की सलाह दी जाती है कि विद्युत ऊर्जा पूरी तरह से थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित हो जाए। यह मामला नहीं है, उदाहरण के लिए, बिजली लाइनों या इलेक्ट्रिक मोटरों के मामले में, जहां उत्पन्न गर्मी ऊर्जा एक अवांछित दुष्प्रभाव है और इसलिए इसे हटाने के लिए अक्सर इसे लेना पड़ता है।

शरीर के तापमान में बाद में वृद्धि के परिणामस्वरूप, तापीय ऊर्जा पर्यावरण में स्थानांतरित हो जाती है। ऊष्मा ऊर्जा हस्तांतरण की प्रक्रिया रूप में होती है गर्मी चालन, संवहन और गर्मी विकिरण... ज्यादातर मामलों में जारी की गई ऊष्मा ऊर्जा की कुल मात्रा का सटीक मात्रात्मक अनुमान देना बहुत मुश्किल है।

यदि किसी पिंड को गर्म करना है, तो उसके अंतिम तापमान का मान आवश्यक ताप तापमान से काफी अधिक होना चाहिए। पर्यावरण को यथासंभव कम ऊष्मा ऊर्जा संचारित करने के लिए यह आवश्यक है।

यदि, इसके विपरीत, शरीर के तापमान का ताप अवांछनीय है, तो सिस्टम के अंतिम तापमान का मान छोटा होना चाहिए। इस प्रयोजन के लिए, ऐसी स्थितियाँ बनाई जाती हैं जो शरीर से ऊष्मा ऊर्जा को हटाने की सुविधा प्रदान करती हैं (पर्यावरण के साथ शरीर के संपर्क की बड़ी सतह, मजबूर वेंटिलेशन)।

विद्युत तारों में होने वाली ऊष्मीय ऊर्जा उन तारों में अनुमत धारा की मात्रा को सीमित करती है। कंडक्टर का अधिकतम अनुमेय तापमान उसके इन्सुलेशन के थर्मल प्रतिरोध से निर्धारित होता है। क्यों, कुछ विशिष्ट के हस्तांतरण को सुनिश्चित करने के लिए विद्युत बल, आपको न्यूनतम संभव वर्तमान मान और तदनुसार उच्च वोल्टेज मान चुनना चाहिए। इन शर्तों के तहत तार सामग्री की लागत कम हो जाएगी। इस प्रकार, उच्च वोल्टेज पर उच्च शक्ति विद्युत ऊर्जा संचारित करना आर्थिक रूप से संभव है।

तापीय ऊर्जा का विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण

तापीय ऊर्जा तथाकथित में सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है थर्मोइलेक्ट्रिक कन्वर्टर्स... थर्मोइलेक्ट्रिक कन्वर्टर के थर्मोकपल में दो धातु के कंडक्टर होते हैं जो विभिन्न सामग्रियों (जैसे तांबा और कॉन्स्टेंटन) से बने होते हैं और एक सिरे पर एक साथ सोल्डर किए जाते हैं।

कनेक्शन बिंदु और दो तारों के अन्य दो सिरों के बीच एक निश्चित तापमान अंतर पर, ईएमएफ, जो पहले सन्निकटन में इस तापमान अंतर के सीधे आनुपातिक है। यह थर्मो-ईएमएफ, कुछ मिलीवोल्ट के बराबर, अत्यधिक संवेदनशील वोल्टमीटर का उपयोग करके रिकॉर्ड किया जा सकता है। यदि वाल्टमीटर को डिग्री सेल्सियस में कैलिब्रेट किया जाता है, तो थर्मोइलेक्ट्रिक कनवर्टर के साथ परिणामी डिवाइस का उपयोग सीधे तापमान माप के लिए किया जा सकता है।

रूपांतरण शक्ति कम है, इसलिए ऐसे कन्वर्टर्स व्यावहारिक रूप से विद्युत ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग नहीं किए जाते हैं। थर्माकोपल बनाने के लिए प्रयुक्त सामग्री के आधार पर, यह विभिन्न तापमान श्रेणियों में संचालित होता है। तुलना के लिए, विभिन्न थर्मोकपल की कुछ विशेषताओं को इंगित किया जा सकता है: एक कॉपर-कॉन्स्टेंटन थर्मोकपल 600 ° C तक लागू होता है, EMF 100 ° C पर लगभग 4 mV होता है; एक लौह-निरंतर थर्मोकपल 800 °C तक लागू होता है, EMF 100 °C पर लगभग 5 mV है।

विद्युत ऊर्जा में तापीय ऊर्जा के रूपांतरण के व्यावहारिक उपयोग का एक उदाहरण — थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर

विद्युत और प्रकाश ऊर्जा

भौतिकी की दृष्टि से प्रकाश है विद्युत चुम्बकीय विकिरण, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों के स्पेक्ट्रम के एक निश्चित भाग से मेल खाती है और जिसे मानव आँख देख सकती है। विद्युत चुम्बकीय तरंगों के स्पेक्ट्रम में रेडियो तरंगें, ऊष्मा और एक्स-रे भी शामिल हैं। देखना - प्रकाश की मूल मात्रा और उनका अनुपात

थर्मल विकिरण और गैस निर्वहन के परिणामस्वरूप विद्युत ऊर्जा का उपयोग करके प्रकाश विकिरण प्राप्त करना संभव है।थर्मल (तापमान) विकिरण ठोस या तरल पिंडों के गर्म होने के परिणामस्वरूप होता है, जो गर्म होने के कारण विभिन्न तरंग दैर्ध्य की विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करते हैं। थर्मल विकिरण की तीव्रता का वितरण तापमान पर निर्भर करता है।

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अधिकतम विकिरण तीव्रता कम तरंग दैर्ध्य के साथ विद्युत चुम्बकीय दोलनों में बदल जाती है। लगभग 6500 K के तापमान पर, अधिकतम विकिरण तीव्रता 0.55 μm के तरंग दैर्ध्य पर होती है, अर्थात। तरंग दैर्ध्य पर जो मानव आँख की अधिकतम संवेदनशीलता से मेल खाती है। प्रकाश के प्रयोजनों के लिए, निश्चित रूप से किसी भी ठोस वस्तु को ऐसे तापमान तक गर्म नहीं किया जा सकता है।

टंगस्टन उच्चतम ताप तापमान का सामना करता है। वैक्यूम कांच की बोतलों में, इसे 2100 ° C के तापमान तक गर्म किया जा सकता है, और उच्च तापमान पर यह वाष्पित होने लगता है। कुछ गैसों (नाइट्रोजन, क्रिप्टन) को जोड़कर वाष्पीकरण प्रक्रिया को धीमा किया जा सकता है, जिससे ताप तापमान को 3000 ° C तक बढ़ाना संभव हो जाता है।

परिणामी संवहन के परिणामस्वरूप गरमागरम लैंप में नुकसान को कम करने के लिए, फिलामेंट को एकल या दोहरे सर्पिल के रूप में बनाया जाता है। हालांकि इन उपायों के बावजूद गरमागरम लैंप की चमकदार दक्षता 20 एलएम / डब्ल्यू है, जो अभी भी सैद्धांतिक रूप से प्राप्त इष्टतम से काफी दूर है। थर्मल विकिरण स्रोतों की दक्षता बहुत कम होती है, क्योंकि उनके साथ अधिकांश विद्युत ऊर्जा ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है न कि प्रकाश में।

गैस-डिस्चार्ज प्रकाश स्रोतों में, इलेक्ट्रॉन गैस के परमाणुओं या अणुओं से टकराते हैं और इस कारण वे एक निश्चित तरंग दैर्ध्य की विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करते हैं। गैस की पूरी मात्रा विद्युत चुम्बकीय तरंगों के उत्सर्जन की प्रक्रिया में शामिल होती है और सामान्य तौर पर, ऐसे विकिरण के स्पेक्ट्रम की रेखाएँ हमेशा दृश्यमान प्रकाश की सीमा में नहीं होती हैं। वर्तमान में, प्रकाश व्यवस्था में एलईडी प्रकाश स्रोतों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। देखना - औद्योगिक परिसर के लिए प्रकाश स्रोतों का विकल्प. 

प्रकाश ऊर्जा का विद्युत ऊर्जा में संक्रमण

प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है और यह संक्रमण भौतिक दृष्टिकोण से दो अलग-अलग तरीकों से संभव है। यह ऊर्जा रूपांतरण फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव (फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव) का परिणाम हो सकता है। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का एहसास करने के लिए, फोटोट्रांसिस्टर्स, फोटोडायोड्स और फोटोरेसिस्टर्स का उपयोग किया जाता है।

कुछ के बीच इंटरफ़ेस पर अर्धचालक (जर्मेनियम, सिलिकॉन, आदि) और धातु, एक सीमा क्षेत्र बनता है जिसमें दो संपर्क सामग्री के परमाणु इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान करते हैं। जब प्रकाश सीमा क्षेत्र पर पड़ता है, तो उसमें विद्युत संतुलन गड़बड़ा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक ईएमएफ होता है, जिसके प्रभाव में एक बाहरी बंद सर्किट में एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। ईएमएफ और इसलिए वर्तमान का मूल्य घटना प्रकाश प्रवाह और विकिरण की तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है।

कुछ अर्धचालक पदार्थों का उपयोग फोटोरेसिस्टर्स के रूप में किया जाता है।फोटोरेसिस्टर पर प्रकाश के प्रभाव के परिणामस्वरूप, इसमें विद्युत आवेशों के मुक्त वाहकों की संख्या बढ़ जाती है, जो इसके विद्युत प्रतिरोध में परिवर्तन का कारण बनता है। यदि आप एक विद्युत सर्किट में एक फोटोरेसिस्टर शामिल करते हैं, तो इस सर्किट में करंट निर्भर करेगा फोटोरेसिस्टर पर पड़ने वाले प्रकाश की ऊर्जाओं पर।

यह सभी देखें - सौर ऊर्जा को बिजली में बदलने की प्रक्रिया

रासायनिक और विद्युत ऊर्जा

अम्ल, क्षार और लवण (इलेक्ट्रोलाइट्स) के जलीय घोल कम या ज्यादा विद्युत प्रवाह का संचालन करते हैं, जिसका कारण है पदार्थों के विद्युत पृथक्करण की घटना… कुछ विलेय अणु (इस भाग का आकार पृथक्करण की डिग्री निर्धारित करता है) आयनों के रूप में विलयन में मौजूद होता है।

यदि समाधान में दो इलेक्ट्रोड हैं जिनमें एक संभावित अंतर लागू किया जाता है, तो आयनों को स्थानांतरित करना शुरू हो जाएगा, धनात्मक रूप से आवेशित आयन (धनायन) कैथोड की ओर और नकारात्मक रूप से आवेशित आयन (आयन) एनोड की ओर बढ़ते हैं।

संबंधित इलेक्ट्रोड पर पहुंचने पर, आयन अपने लापता इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करते हैं या, इसके विपरीत, अतिरिक्त लोगों को छोड़ देते हैं और परिणामस्वरूप, विद्युत रूप से तटस्थ हो जाते हैं। इलेक्ट्रोड पर जमा सामग्री का द्रव्यमान स्थानांतरित चार्ज (फैराडे के नियम) के सीधे आनुपातिक है।

इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच सीमा क्षेत्र में, धातुओं का विघटन लोच और आसमाटिक दबाव एक दूसरे का विरोध करते हैं। (आसमाटिक दबाव इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रोलाइट्स से धातु आयनों के जमाव का कारण बनता है। यह रासायनिक प्रक्रिया अकेले संभावित अंतर के लिए जिम्मेदार है)।

विद्युत ऊर्जा का रासायनिक ऊर्जा में रूपांतरण

आयनों की गति के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड पर पदार्थ के जमाव को प्राप्त करने के लिए, विद्युत ऊर्जा खर्च करना आवश्यक है। इस प्रक्रिया को इलेक्ट्रोलिसिस कहा जाता है। रासायनिक रूप से शुद्ध रूप में धातु (तांबा, एल्यूमीनियम, जस्ता, आदि) प्राप्त करने के लिए रासायनिक ऊर्जा में विद्युत ऊर्जा का यह रूपांतरण विद्युत धातुकर्म में उपयोग किया जाता है।

इलेक्ट्रोप्लेटिंग में, सक्रिय रूप से ऑक्सीकरण करने वाली धातुएं निष्क्रिय धातुओं (गिल्डिंग, क्रोम चढ़ाना, निकल चढ़ाना, आदि) से ढकी होती हैं। इलेक्ट्रोफॉर्मिंग में, त्रि-आयामी इंप्रेशन (क्लिच) विभिन्न निकायों से बने होते हैं, और यदि ऐसा शरीर गैर-प्रवाहकीय सामग्री से बना होता है, तो इसे छापने से पहले विद्युत प्रवाहकीय परत से ढंकना चाहिए।

रासायनिक ऊर्जा का विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण

यदि अलग-अलग धातुओं से बने दो इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट में उतारे जाते हैं, तो इन धातुओं के विघटन की लोच में अंतर के कारण उनके बीच एक संभावित अंतर उत्पन्न होता है। यदि आप विद्युत ऊर्जा के एक रिसीवर को कनेक्ट करते हैं, उदाहरण के लिए, एक प्रतिरोधक, इलेक्ट्रोलाइट के बाहर इलेक्ट्रोड के बीच, तो परिणामी विद्युत परिपथ में एक धारा प्रवाहित होगी। यहां बताया गया है कि वे कैसे काम करते हैं गैल्वेनिक कोशिकाएं (प्राथमिक तत्व)।

पहला कॉपर-जिंक गैल्वेनिक सेल का आविष्कार वोल्टा ने किया था। इन तत्वों में रासायनिक ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित होती है। गैल्वेनिक कोशिकाओं के संचालन को ध्रुवीकरण की घटना से बाधित किया जा सकता है, जो इलेक्ट्रोड पर पदार्थ के जमाव के परिणामस्वरूप होता है।

सभी गैल्वेनिक सेल्स का नुकसान यह है कि उनमें रासायनिक ऊर्जा अपरिवर्तनीय रूप से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, अर्थात गैल्वेनिक सेल को रिचार्ज नहीं किया जा सकता है। वे इस कमी से रहित हैं एक्युमुलेटरों.