能量轉換——電、熱、機械、光

所有科學都使用能量的概念。眾所周知，能量體可以做功。 能量守恆定律 指出能量不會消失，也不會憑空產生，而是以各種形式出現（例如，以熱能、機械能、光能、電能等形式）。

一種能量形式可以傳遞到另一種形式，同時觀察到不同類型能量的精確定量比。一般來說，從一種能量形式到另一種能量形式的轉變永遠不會完成，因為總會有其他（大部分是不需要的）能量類型。例如， 在電動機中 並非所有電能都轉化為機械能，而是部分電能轉化為熱能（電流加熱電線，摩擦力作用產生的熱量）。

一種能量向另一種能量的不完全轉換這一事實表徵了效率係數（效率）。該係數定義為有用能量與其總量之比或有用功率與其總量之比。

電能 它的優點是傳輸相對容易，遠距離損耗小，應用範圍極其廣泛。電能的分配相對容易管理，並且可以以已知量存儲和存儲。

在一個工作日中，一個人平均使用 1000 kJ 或 0.3 kW 的能量。一個人需要大約 8000 kJ 的食物形式和 8000 kJ 的家庭供暖、工業廠房、烹飪等。千卡，或 60 千瓦時

電能和機械能

電能在電動機中轉化為機械能，並在較小程度上轉化為機械能 在電磁鐵中……在這兩種情況下，相關的影響 有電磁場…能量損失，即未轉化為所需形式的那部分能量，主要包括電流和摩擦損失引起的電熱絲的能源成本。

大型電動機的效率在90%以上，小型電動機的效率略低於這個水平。例如，如果電動機的功率為 15 kW，效率為 90%，則其機械（有用）功率為 13.5 kW。如果電動機的機械功率應等於 15 kW，則在相同效率值下消耗的電功率為 16.67 kWh。

將電能轉化為機械能的過程是可逆的，即機械能可以轉化為電能（見—— 電機中的能量轉換過程).為此，它們主要用於 發電機它們在設計上類似於電動機，可以由蒸汽輪機或水輪機驅動。這些發電機也有能量損失。

電能和熱能

如果電線流動 電，然後運動中的電子與導體材料的原子碰撞，並使它們發生更強烈的熱運動。在這種情況下，電子會失去一些能量。所產生的熱能一方面導致例如電機繞組的部件和電線的溫度升高，另一方面導致環境溫度升高。必須區分有用的熱能和熱損失。

在電熱設備（電鍋爐、熨斗、取暖爐等）中，宜努力確保電能盡可能完全地轉化為熱能。情況並非如此，例如，在電力線或電動機的情況下，產生的熱能是不需要的副作用，因此通常必須採取措施將其消除。

由於隨後體溫升高，熱能被轉移到環境中。熱能傳遞過程以下列形式發生 熱傳導、對流和熱輻射…在大多數情況下，很難對釋放的熱能總量進行準確的定量估計。

如果要加熱物體，則其最終溫度值必須明顯高於所需的加熱溫度。這是必要的，以便將盡可能少的熱能傳輸到環境中。

相反，如果不希望加熱體溫，則係統的最終溫度值應該很小。為此，創造條件以促進從身體中去除熱能（身體與環境的大表面接觸，強制通風）。

電線中產生的熱能限制了這些電線中允許的電流量。導體的最高允許溫度由其絕緣體的熱阻決定。為什麼，要保證傳遞一些特定的 電力, 您應該選擇盡可能低的電流值和相應的高電壓值。在這些條件下，線材的成本會降低。因此，在高電壓下傳輸高功率電能在經濟上是可能的。

將熱能轉化為電能

所謂的熱能直接轉化為電能 熱電轉換器…熱電轉換器的熱電偶由兩個由不同材料（例如銅和康銅）製成的金屬導體組成，並在一端焊接在一起。

在連接點與兩根導線的另外兩端之間存在一定的溫差時， 電磁場，這在第一次近似中與該溫差成正比。這種熱電動勢等於幾毫伏，可以使用高度靈敏的電壓表記錄下來。如果電壓表以攝氏度為單位校準，則與熱電轉換器一起，所得設備可用於直接溫度測量。

轉換功率低，因此此類轉換器實際上不用作電能來源。根據製造熱電偶所用的材料，它可以在不同的溫度範圍內工作。為了比較，可以指出不同熱電偶的一些特性：銅-康銅熱電偶適用溫度高達 600°C，EMF 在 100°C 時約為 4 mV；鐵常數熱電偶適用於高達 800 °C，EMF 在 100 °C 時約為 5 mV。

將熱能轉化為電能的實際應用示例—— 熱電發電機

電能和光能

在物理學中，光是 電磁輻射，它對應於電磁波頻譜的某一部分，是人眼可以感知的。電磁波的頻譜還包括無線電波、熱能和 X 射線。看 - 基本照明量及其比例

作為熱輻射和氣體放電的結果，可以使用電能獲得光輻射。熱（溫度）輻射是固體或液體加熱的結果，由於加熱，它們會發出不同波長的電磁波。熱輻射強度的分佈取決於溫度。

隨著溫度升高，最大輻射強度轉變為波長更短的電磁振盪。在大約 6500 K 的溫度下，最大輻射強度出現在波長為 0.55 μm 處，即在對應於人眼最大靈敏度的波長處。當然，出於照明目的，任何固體都不能加熱到這樣的溫度。

鎢能承受最高的加熱溫度。在真空玻璃瓶中，它可以被加熱到2100°C的溫度，在更高的溫度下它開始蒸發。可以通過加入一些氣體（氮氣、氪氣）來減緩蒸發過程，這使得將加熱溫度提高到3000°C成為可能。

為了減少白熾燈中由於產生的對流而產生的損耗，燈絲製成單螺旋或雙螺旋形式。儘管採取了這些措施，但 白熾燈的光效為20lm/W，這距離理論上可實現的最優值還很遠。熱輻射源的效率非常低，因為大部分電能都轉化為熱能而不是光能。

在氣體放電光源中，電子與氣體原子或分子碰撞，從而使它們發射特定波長的電磁波。整個氣體體積都參與了電磁波的發射過程，一般來說，這種輻射的光譜線並不總是位於可見光範圍內。目前，LED光源在照明中的應用最為廣泛。看 - 工業場所光源的選擇. 

光能轉化為電能

光能可以轉化為電能，從物理角度來看，這種轉變有兩種不同的方式。這種能量轉換可以是光電效應（photoelectric effect）的結果。為了實現光電效應，使用了光電晶體管、光電二極管和光敏電阻。

在一些之間的接口 半導體 （鍺、矽等）和金屬，形成邊界區，兩種接觸材料的原子在該邊界區交換電子。當光線落在邊界區域時，其中的電平衡被擾亂，結果出現 EMF，在其作用下在外部閉合電路中產生電流。 EMF 和電流值取決於入射光通量和輻射波長。

一些半導體材料用作光敏電阻。由於光對光敏電阻的影響，其中電荷的自由載流子數量增加，從而導致其電阻發生變化。如果在電路中包含光敏電阻，則該電路中的電流將取決於關於落在光敏電阻上的光的能量。

也可以看看 - 太陽能轉化為電能的過程

化學能和電能

酸、鹼、鹽（電解質）的水溶液或多或少會傳導電流，這是由於 物質的電離解現象……一些溶質分子（這部分的大小決定了解離的程度）以離子的形式存在於溶液中。

如果溶液中有兩個電極施加了電位差，則離子將開始移動，帶正電的離子（陽離子）向陰極移動，帶負電的離子（陰離子）向陽極移動。

到達相應的電極後，離子獲得缺失的電子，或者相反，放棄額外的電子，結果變成電中性。沉積在電極上的材料質量與轉移的電荷成正比（法拉第定律）。

在電極和電解質的邊界區，金屬的溶解彈性和滲透壓相互對立。 （滲透壓導致金屬離子從電解質沉積到電極上。僅此化學過程就造成了電位差）。

電能轉化為化學能

為了通過離子運動實現物質在電極上的沉積，需要消耗電能。這個過程稱為電解。這種將電能轉化為化學能的過程用於電冶金，以獲得化學純形式的金屬（銅、鋁、鋅等）。

在電鍍中，活性氧化金屬被鈍化金屬覆蓋（鍍金、鍍鉻、鍍鎳等）。在電鑄中，三維壓印（陳詞濫調）是由各種物體製成的，如果這種物體是由非導電材料製成的，則在製作壓模之前必須用導電層覆蓋它。

化學能轉化為電能

如果將兩個由不同金屬製成的電極放入電解液中，則由於這些金屬溶解彈性的差異，它們之間會產生電位差。如果在電解質外部的電極之間連接一個電能接收器，例如電阻器，則電流將流入所產生的電路中。他們是這樣工作的 原電池 （主要元素）。

第一個銅鋅原電池是由沃爾特發明的。在這些元素中，化學能轉化為電能。原電池的運行可能會受到極化現象的阻礙，極化現像是由於物質沉積在電極上而發生的。

所有原電池都具有化學能在其中不可逆地轉化為電能的缺點，即原電池不能再充電。他們沒有這個缺點 蓄能器.