При прохождении тока в проводнике с сопротивлением происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, что и приводит к нагреванию проводника.
Э.Х. Ленц (1804-1865).
Скорость рассмотренного преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью
имея в виду, что получаем:
Количество электрической энергии, переходящей в тепловую за время t,
Так как в системе СИ единицей энергии и единицей количества тепла является джоуль, то выделенное током в сопротивлении тепло
Полученная зависимость была установлена опытным путем в 1844 г. русским академиком Э. X. Ленцем и одновременно английским ученым Джоулем и называется законом Джоуля - Ленца: количество тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Преобразование электрической энергии в тепловую в электрических печах и различных нагревательных приборах имеет полезное применение. В электрических машинах и аппаратах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводительным расходом энергии т. е. потерями энергии, снижающими их к. п. д. Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокрщцение срока службы установки.
В настоящее время в нашей стране большая часть электроэнергии производится на мощных электростанциях, на которых в электрическую энергию преобразуется какой-либо другой вид энергии.
В зависимости от вида энергии, которая преобразуется в электрическую, различают три основных типа электростанций: тепловые, гидро- и атомные электростанции.
На тепловых электростанциях источником энергии служит топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС).
На тепловых паротурбинных электростанциях (рис. 3.35) в паровых котлах 1 химическая энергия топлива превращается в энергию пара 2. В турбинах 3 энергия пара преобразуется в механическую, а затем в генераторе 4, имеющем общий вал с турбиной, превращается в электрическую. От генератора энергия направляется на шины распределительного устройства станции. Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор 5, который охлаждается проточной водой 6, и конденсат 7 в виде горячей дистиллированной воды возвращается в котел. Такие станции принято называть тепловыми конденсационными станциями.
Рис. 3.35
Тепловые конденсационные электростанции большой мощности обычно располагаются недалеко от источников топлива и крупных водоемов.
Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Причем большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром. Специальные тепловые электростанции, так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), позволяют значительную часть энергии отработавшего пара использовать для отопления и технологических процессов в промышленных предприятиях, а также для бытовых нужд (отопление, горячее водоснабжение). В результате КПД ТЭЦ достигает 60-70%. В настояш;ее время в нашей стране ТЭЦ дают около 40% всей производимой электроэнергии.
На гидроэлектростанциях (ГЭС) энергия движущейся воды в гидротурбине превращается в механическую, а затем в генераторе преобразуется в электрическую (рис. 3.36. Цифрами обозначены: 1 - генератор; 2 - трансформатор; 3 - турбина; 4 - лопатки направляющего аппарата). Мощность станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напора) и от массы воды, проходящей через турбины в секунду (расхода воды). Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.
Рис. 3.36
На атомных электростанциях (АЭС) технология производства электрической энергии почти такая же, как и на ТЭС. Разница состоит в том, что на АЭС энергию для преобразования воды в пар дает ядерный реактор.
Кроме мощных электростанций, находящихся в районах сосредоточения энергетических ресурсов (полноводные реки, природные запасы энергии в виде дешевых углей, торфа и т. д.), имеется группа станций местного значения. Они располагаются в непосредственной близости к потребителям. К ним относятся ТЭЦ, станции промышленных предприятий, городские, сельскохозяйственные, ветровые, передвижные и т. д.
Использование электроэнергии
Главным потребителем электроэнергии в нашей стране является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. На фабриках и заводах, в шахтах и рудниках электродвигатели приводят в движение станки и различные механизмы. Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.).
Исключительно важное значение имеет применение электрической энергии в сельском хозяйстве. Здесь электроэнергия используется для освещения, приведения в действие различных машин, а также аппаратов, применяемых для механической дойки, стрижки овец, пастеризации молока, приготовления кормов, на птицеводческих фермах и т. д. и т. п.
Современное строительство немыслимо без использования электроэнергии, прежде всего, для приведения в действие подъемных механизмов и для электросварки.
Крупным потребителем электрической энергии является транспорт: железнодорожный и городской (метро, троллейбус, трамвай).
Без электроэнергии не будет работать телефонная и телеграфная связь, радио,телевидение.
Электрическая энергия используется в автоматике и вычислительной технике. О применении электроэнергии для освещения жилищ, предприятий, учреждений, уличного освещения, а также в быту (электроплиты, холодильники, стиральные мап1ины, пылесосы, электробритвы и другие электробытовые приборы) знает каждый.
Электрический ток представляет собой направленное движение электрических частиц. При столкновении движущихся частиц с ионами или молекулами кинетическая энергия движущихся частиц частично передается ионам или молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Таким образом, электрическая энергия
преобразуется в тепловую, которая тратится на нагрев провода и рассеивается в окружающую среду.
Скорость преобразования электрической энергии в тепловую определяется мощностью:
Р =UI
или, учитывая, что U = Ir , получаем:
P=UI=I 2 r.
Электрическая энергия, переходящая в тепловую,
W = Pt = Prt.
Q = I 2 rt.
Полученное выражение, определяющее соотношение между количеством выделенного тепла, силой тока, сопротивлением и временем, было найдено в 1844 г. опытным путем русским академиком Э. X. Ленцем и одновременно английским ученым Джоулем. Оно известно теперь под названием закона Джоуля-Ленца: количество тепла,выделенного током в проводнике,пропорционально квадрату силы тока,сопротивлению проводника и времени прохождения ток а.
Преобразование электрической энергии в тепло находит полезное применение в разнообразных нагревательных и осветительных приборах и устройствах.
В остальных приборах и устройствах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводительным расходом энергии (потерями), снижающими к. п. д. их. Кроме того, тепло, вызывая нагревание этих устройств,
ограничивает их нагрузку, а при перегрузке повышение температуры может повести к повреждению изоляции или сокращению срока работы установки.
Пример 1 -7. Определить количество тепла, выделенное в нагревательном приборе в течение 15 мин, если сопротивление прибора 22 ом, а напряжение сети 110в.
Сила тока
I = U : r = 110: 22 = 5a
Количество тепла, выделенное в приборе,
Q = I 2 r t = 5 2 22 15 60 = 49 500 дж.
Статья на тему Преобразование электрической энергии в тепловую
Добавить сайт в закладки
Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую
Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую можно осуществить, используя явления в контакте двух металлов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.
Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.
Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1а), можно убедиться в том, что при одинаковой температуре контактов 1 и 2 электрический ток в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой
U k = (A 1 – A 2) : e 0
в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные стороны по цепи:
U k 1 - U k 2 = (A 1 – A 2) + (A 2 - A 1) : e 0 = 0
Если один из контактов, например 1, нагреть (t 1 > t 2), то равновесие нарушится - в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае U k1 > U K2 . В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:
E т = U Kl - U K2 = E 0 (t 1 - t 2),
где Е 0 - величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.
Рисунок 1 . а) замкнутая цепь из двух разных металлов, б) цепь с измерителем термо-э. д. с.
Таким образом, термо-э. д. с. возникает в цепи, состоящей из разных металлов, при разной температуре мест соединения.
Термо-э. д. с. в рассматриваемой цепи поддерживается благодаря нагреванию спая 1, т. е. при постоянном расходе тепловой энергии. В свою очередь, термо-э. д. с. является причиной электрического тока.
Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначительной и мало зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы имеют очень малые э. д. с. (в спае платины и железа - 1,9 мВ при разности температур горячего и холодного спаев 100° С), а к. п. д. их не превышает 0,5%. Такие термоэлементы применяют для измерения температур (термопары).
Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э. д. с. - милливольтметр (рис. 1, 6). Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор - приемником.
Кроме контакта 1 основных металлов термопары между собой образуются контакты их с соединительными проводами (Рис. 1 - 2, 3). В этих контактах тоже имеются контактные разности потенциалов, но они не изменяют термо-э. д. с., если их температура поддерживается одинаковой.
При наличии произвольного числа контактов разных металлов сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи остается равной нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. В этом можно убедиться, составив уравнение, аналогичное вышеприведенному. Независимо от числа контактов, термо-э. д. с. пропорциональна разности температур более нагретого контакта и всех других контактов, находящихся при одинаковой температуре.
Рисунок 2. n,p- полупроводники.
В отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термо-э. д. с. (до 1 мВ на 1° С разности температур) и к. п. д. термоэлементов до 7%.
Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 2). Один из них имеет электронную, а другой дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некотором значении ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э. д. с. полупроводникового термоэлемента.
Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например, резистор, то образуется замкнутая цепь и электрический ток в ней.
Они являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Принцип действия ТЭГ основан на применении эффекта Зеебека. С помощью такого эффекта во многих энергетических системах (например, в двигателях внутреннего сгорания) можно преобразовывать бесполезно теряемую (сбросовую) тепловую энергию от двигателя в электрическую и использовать ее для питания различных устройств в автомобиле. Термоэлектрические генераторы могут найти применение также на некоторых электростанциях, где используется метод когенерации, т.е. в дополнение к произведенной электроэнергии вырабатывается тепло, которое применяется в альтернативных целях. Термоэлектричество может использоваться также в системах преобразования солнечной энергии.
Простейший полупроводниковый термоэлектрогенератор (термоэлемент) состоит из отрицательной (н-типа проводимости) и положительной (р-типа проводимости) ветвей. Материал с электронной проводимостыо имеет отрицательную ТЭДС, а с дырочной проводимостью - положительную, поэтому можно получить большее значение термо-ЭДС (а следовательно, повышенное 77).
Рис. 4.54.
Электрическая цепь работающего ТЭГ состоит из р- и и-ветвей одного или нескольких термоэлементов (рис. 4.54), коммутационных пластин горячего (при температуре Т г) и холодного (при температуре Г) спаев и активной нагрузки 7?.
При нагреве горячих спаев термоэлемента до температуры Т г и рассеивании тепла О на холодных спаях, поддерживаемых при температуре Т, а также при разомкнутой цепи 7?, между спаями стационарно устанавливается разность температур (Г г - Г х). Тепловой поток через термоэлемент, в данном случае после некоторых упрощений, можно записать как
где к - среднее значение теплопроводностей ветвей в интервале температур Г г - Г х; А и / - площадь поперечного сечения и длина р- и я-ветвей соответственно.
Разность температур па спаях термоэлемента вызывает термодиффузию носителей, в результате чего горячие спаи ветвей обедняются электронами и дырками, которые концентрируются на холодных спаях. Нарушение электрической нейтральности создает поле, направленное от холодных участков к горячим, которое препятствует дальнейшей термодиффузии носителей. Поле и создает термоэлектродвижущую силу V, возникающую на концах разомкнутой цепи термоэлемента. Возникающая ЭДС пропорциональна разности температур и разности коэффициентов ТЭДС каждой ветви:
В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку 7? в цепи потечет обусловленный эффектом Зеебека постоянный ток:
(ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно полагается, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на космическом летательном аппарате целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности (в особенности, в дальнем космосе) - ЯРТЭГ.
Для катодной защиты магистральных газо- и нефтепроводов от коррозии, при отсутствии вдоль трассы линии электропередачи используются ТЭГ, работающие на газообразном топливе. Для работы автоматики газовых буровых скважин применяются ТЭГ, использующие перепад температур окружающей среды и газа из скважины. Недостатками ТЭГ являются сравнительно низкий (3-5%) КПД преобразования энергии и значительная (10-15 кг/кВт) удельная масса. Поверхностная плотность мощности ТЭГ достигает 10 кВт/м 2 (па единицу поперечного сечения элемента), а объемная плотность мощности равна 200-400 кВт/м 3 .
Для получения в ТЭГ стандартного рабочего напряжения в 30 В при значении ТЭДС одного термоэлемента 0,1-0,3 В требуется последовательно соединить в батарею до 100 элементов. Для космических аппаратов создаются ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. Каскадное соединение ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до 13%.
Термоэлектрические генераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные. Максимальная рабочая температура низкотемпературных (самых распространенных) ТЭГ с типовыми размерами 3x3 и 4x4 см 2 достигает 470-520 К. Напряжение, ток и мощность подобных ТЭГ при температурах холодного и горячего спаев 323 и 423 К равны соответственно 2 В, 1 А и 2 Вт.
- Рис. 4.55. Вид промышленного ТЭГ (о) и его принципиальное устройство (б) где г - внутреннее сопротивление термоэлемента. Этот же токвызовет выделение и поглощение тепла Пельтье на спаях р- и/7-ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. Движение носителей будет происходить от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплотыПельтье. Другими словами, вся электрическая мощность, вырабатываемая термоэлементом, есть разница теплот Пельтьеего горячего и холодного спаев. Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается соотношением Иоффе (4.13). Принципиальные преимущества ТЭГ (рис. 4.55) перед другими источниками электропитания состоят в следующем: длительный срок службы, не требующий специальногообслуживания, и практически неограниченный срок храненияпри полной готовности к работе в любое время; устойчивость в работе, стабильное напряжение, невозможность короткого замыкания и режима холостого хода, высокая надежность, стабильность параметров;
- полная бесшумность в работе (из-за отсутствия движущихся частей)и вибростойкость. Благодаря перечисленным свойствам ТЭГ находят применение в областях, где необходимы сверхнадежные источникиэлектроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания. Они используются для питания электричеством аппаратуры в труднодоступных объектах, которые монтируются в отдаленных районах Земли, - автоматических метеостанциях, морских маяках, космическихлетательных аппаратах. В перспективе такие объекты могутмонтироваться на Луне или на других планетах. В качествеисточников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ применяются радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы
