Transformarea energiei - Energy transformation

Focul este un exemplu de transformare a energiei
Transformarea energiei folosind limbajul sistemelor energetice

Transformarea energiei , cunoscută și sub numele de conversie a energiei , este procesul de schimbare a energiei de la o formă la alta. În fizică , energia este o cantitate care asigură capacitatea de a efectua lucrări (de exemplu ridicarea unui obiect) sau asigură căldură . În plus față de a fi convertită, conform legii conservării energiei , energia este transferabilă într-o altă locație sau obiect, dar nu poate fi creată sau distrusă.

Energia din multe dintre formele sale poate fi utilizată în procesele naturale sau pentru a oferi un anumit serviciu societății, cum ar fi încălzirea, refrigerarea , iluminatul sau efectuarea de lucrări mecanice pentru operarea mașinilor. De exemplu, pentru a încălzi o casă, cuptorul arde combustibil, a cărui energie potențială chimică este transformată în energie termică , care este apoi transferată în aerul casei pentru a-și crește temperatura.

Limitări în conversia energiei termice

Conversiile la energie termică din alte forme de energie pot avea loc cu o eficiență de 100%. Conversia între formele de energie non-termice poate avea loc cu o eficiență destul de mare, deși există întotdeauna o anumită energie disipată termic din cauza fricțiunii și a proceselor similare. Uneori, eficiența este aproape de 100%, cum ar fi atunci când energia potențială este convertită în energie cinetică pe măsură ce un obiect cade în vid. Acest lucru se aplică și cazului opus; de exemplu, un obiect aflat pe o orbită eliptică în jurul unui alt corp își convertește energia cinetică (viteza) în energie potențială gravitațională (distanță de celălalt obiect) pe măsură ce se îndepărtează de corpul său părinte. Când ajunge în cel mai îndepărtat punct, va inversa procesul, accelerând și transformând energia potențială în cinetică. Deoarece spațiul este aproape vid, acest proces are o eficiență de aproape 100%.

Energia termică este unică deoarece nu poate fi convertită la alte forme de energie. Doar o diferență în densitatea energiei termice / termice (temperatura) poate fi utilizată pentru efectuarea lucrărilor, iar eficiența acestei conversii va fi (mult) mai mică de 100%. Acest lucru se datorează faptului că energia termică reprezintă o formă de energie deosebit de dezordonată; este răspândit aleatoriu printre multe stări disponibile ale unei colecții de particule microscopice care constituie sistemul (aceste combinații de poziție și impuls pentru fiecare dintre particule se spune că formează un spațiu de fază ). Măsura acestei tulburări sau întâmplări este entropia , iar caracteristica sa definitorie este că entropia unui sistem izolat nu scade niciodată. Nu se poate lua un sistem cu entropie ridicată (cum ar fi o substanță fierbinte, cu o anumită cantitate de energie termică) și să-l transforme într-o stare de entropie scăzută (ca o substanță cu temperatură scăzută, cu energie corespunzător mai mică), fără ca entropia să meargă altundeva (ca aerul din jur). Cu alte cuvinte, nu există nici o modalitate de a concentra energia fără a răspândi energia în altă parte.

Energia termică în echilibru la o anumită temperatură reprezintă deja energia maximă de seară între toate stările posibile, deoarece nu este în întregime convertibilă într-o formă „utilă”, adică una care poate face mai mult decât să afecteze doar temperatura. A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia unui sistem închis nu poate scădea niciodată. Din acest motiv, energia termică dintr-un sistem poate fi convertită la alte tipuri de energie cu eficiențe care se apropie de 100% numai dacă entropia universului este crescută prin alte mijloace, pentru a compensa scăderea entropiei asociată cu dispariția energiei termice și conținutul său de entropie. În caz contrar, doar o parte din acea energie termică poate fi convertită la alte tipuri de energie (și, prin urmare, la lucrări utile). Acest lucru se datorează faptului că restul căldurii trebuie rezervat pentru a fi transferat într-un rezervor termic la o temperatură mai scăzută. Creșterea entropiei pentru acest proces este mai mare decât scăderea entropiei asociată cu transformarea restului căldurii în alte tipuri de energie.

Pentru a face transformarea energiei mai eficientă, este de dorit să se evite conversia termică. De exemplu, eficiența reactoarelor nucleare, unde energia cinetică a nucleelor ​​este transformată mai întâi în energie termică și apoi în energie electrică, se situează la aproximativ 35%. Prin conversia directă a energiei cinetice în energie electrică, efectuată prin eliminarea transformării intermediare a energiei termice, eficiența procesului de transformare a energiei poate fi îmbunătățită dramatic.

Istoria transformării energiei

Transformările energetice în univers de-a lungul timpului sunt caracterizate de obicei prin diferite tipuri de energie, care au fost disponibile de la Big Bang , ulterior fiind „eliberate” (adică transformate în tipuri mai active de energie, cum ar fi energia cinetică sau radiantă) de către un mecanism de declanșare.

Eliberarea de energie din potențialul gravitațional

O transformare directă a energiei are loc atunci când hidrogenul produs în Big Bang se colectează în structuri cum ar fi planete, într-un proces în care o parte a potențialului gravitațional urmează să fie convertită direct în căldură. În Jupiter , Saturn și Neptun , de exemplu, o astfel de căldură din prăbușirea continuă a atmosferelor mari de gaz ale planetelor continuă să conducă majoritatea sistemelor meteorologice ale planetelor. Aceste sisteme, formate din benzi atmosferice, vânturi și furtuni puternice, sunt alimentate doar parțial de lumina soarelui. Cu toate acestea, pe Uranus , puțin din acest proces are loc.

Pe Pământ , o parte semnificativă din producția de căldură din interiorul planetei, estimată la o treime până la jumătate din total, este cauzată de prăbușirea lentă a materialelor planetare la o dimensiune mai mică, generând căldură.

Eliberarea de energie din potențialul radioactiv

Exemple cunoscute ale altor astfel de procese care transformă energia din Big Bang includ dezintegrarea nucleară, care eliberează energie care a fost inițial „stocată” în izotopi grei , precum uraniu și toriu . Această energie a fost stocată în momentul nucleosintezei acestor elemente. Acest proces utilizează energia potențială gravitațională eliberată din prăbușirea supernovelor de tip II pentru a crea aceste elemente grele înainte ca acestea să fie încorporate în sisteme stelare, cum ar fi Sistemul Solar și Pământul. Energia blocată în uraniu este eliberată spontan în timpul majorității tipurilor de dezintegrare radioactivă și poate fi eliberată brusc în bombele de fisiune nucleară . În ambele cazuri, o porțiune a energiei care leagă nucleii atomici împreună este eliberată sub formă de căldură.

Eliberarea de energie din potențialul de fuziune a hidrogenului

Într-un lanț similar de transformări care începe în zorii universului, fuziunea nucleară a hidrogenului în Soare eliberează un alt depozit de energie potențială care a fost creat în momentul Big Bang-ului. În acel moment, conform unei teorii, spațiul s-a extins și universul s-a răcit prea repede pentru ca hidrogenul să se contopească complet în elemente mai grele. Acest lucru a dus la faptul că hidrogenul reprezintă un depozit de energie potențială care poate fi eliberat prin fuziune nucleară . Un astfel de proces de fuziune este declanșat de căldura și presiunea generate de prăbușirea gravitațională a norilor de hidrogen atunci când produc stele, iar o parte din energia de fuziune este apoi transformată în lumina stelelor. Având în vedere sistemul solar, lumina stelelor, copleșitor de la Soare, poate fi din nou stocată ca energie potențială gravitațională după ce aceasta lovește Pământul. Acest lucru se întâmplă în cazul avalanșelor sau când apa se evaporă din oceane și este depozitată ca precipitații ridicate deasupra nivelului mării (unde, după ce a fost eliberată la un baraj hidroelectric , poate fi utilizată pentru a conduce turbine / generatoare pentru a produce electricitate).

Lumina soarelui determină, de asemenea, multe fenomene meteorologice pe Pământ. Un exemplu este un uragan , care apare atunci când zonele mari instabile ale oceanului cald, încălzite peste luni, renunță brusc la o parte din energia lor termică pentru a alimenta câteva zile de mișcare violentă a aerului. Lumina soarelui este, de asemenea, captată de plante ca o energie potențială chimică prin fotosinteză , când dioxidul de carbon și apa sunt transformate într-o combinație combustibilă de carbohidrați, lipide și oxigen. Eliberarea acestei energii ca căldură și lumină poate fi declanșată brusc de o scânteie, într-un incendiu de pădure; sau poate fi disponibil mai lent pentru metabolismul animalelor sau umanelor atunci când aceste molecule sunt ingerate, iar catabolismul este declanșat de acțiunea enzimatică.

Prin toate aceste lanțuri de transformare, energia potențială stocată în momentul Big Bang-ului este eliberată ulterior de evenimente intermediare, uneori fiind stocată în mai multe moduri diferite pentru perioade lungi între eliberări, ca energie mai activă. Toate aceste evenimente implică conversia unui tip de energie în altele, inclusiv căldura.

Exemple

Exemple de seturi de conversii de energie în mașini

O centrală electrică cu cărbune implică aceste transformări de energie:

  1. Energia chimică din cărbune este transformată în energie termică în gazele de eșapament ale combustiei
  2. Energia termică a gazelor evacuate transformată în energie termică a aburului prin schimb de căldură
  3. Energia termică a aburului convertită în energie mecanică în turbină
  4. Energia mecanică a turbinei convertită în energie electrică de către generator, care este producția finală

Într-un astfel de sistem, primul și al patrulea pas sunt foarte eficienți, dar al doilea și al treilea pas sunt mai puțin eficienți. Cele mai eficiente centrale electrice pe gaz pot atinge 50% eficiență de conversie. Stațiile pe bază de petrol și cărbune sunt mai puțin eficiente.

Într-un automobil convențional , au loc următoarele transformări energetice:

  1. Energia chimică din combustibil este transformată în energie cinetică a gazului în expansiune prin combustie
  2. Energia cinetică a gazului în expansiune convertită în mișcarea liniară a pistonului
  3. Mișcarea liniară a pistonului transformată în mișcarea rotativă a arborelui cotit
  4. Mișcarea rotativă a arborelui cotit a trecut în ansamblul transmisiei
  5. Mișcarea rotativă a ieșit din ansamblul transmisiei
  6. Mișcarea rotativă a trecut printr-un diferențial
  7. Mișcarea rotativă a ieșit din diferențial pentru a conduce roțile
  8. Mișcarea rotativă a roților motrice transformată în mișcare liniară a vehiculului

Alte conversii energetice

Parcul Eolian Lamatalaventosa

Există multe mașini și traductoare diferite care transformă o formă de energie în alta. Urmează o scurtă listă de exemple:

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare