能量转换——电、热、机械、光

所有科学都使用能量的概念。众所周知，能量体可以做功。 能量守恒定律 指出能量不会消失，也不会凭空产生，而是以各种形式出现（例如，以热能、机械能、光能、电能等形式）。

一种能量形式可以传递到另一种形式，同时观察到不同类型能量的精确定量比。一般来说，从一种能量形式到另一种能量形式的转变永远不会完成，因为总会有其他（大部分是不需要的）能量类型。例如， 在电动机中 并非所有电能都转化为机械能，而是部分电能转化为热能（电流加热电线，摩擦力作用产生的热量）。

一种能量向另一种能量的不完全转换这一事实表征了效率系数（效率）。该系数定义为有用能量与其总量之比或有用功率与其总量之比。

电能 它的优点是传输相对容易，远距离损耗小，应用范围极其广泛。电能的分配相对容易管理，并且可以以已知量存储和存储。

在一个工作日中，一个人平均使用 1000 kJ 或 0.3 kW 的能量。一个人需要大约 8000 kJ 的食物形式和 8000 kJ 的家庭供暖、工业厂房、烹饪等。千卡，或 60 千瓦时

电能和机械能

电能在电动机中转化为机械能，并在较小程度上转化为机械能 在电磁铁中……在这两种情况下，相关的影响 有电磁场…能量损失，即未转化为所需形式的那部分能量，主要包括电流和摩擦损失导致的电热丝的能源成本。

大型电动机的效率在90%以上，小型电动机的效率略低于这个水平。例如，如果电动机的功率为 15 kW，效率为 90%，则其机械（有用）功率为 13.5 kW。如果电动机的机械功率应等于 15 kW，则在相同效率值下消耗的电功率为 16.67 kWh。

将电能转化为机械能的过程是可逆的，即机械能可以转化为电能（见—— 电机中的能量转换过程).为此，它们主要用于 发电机它们在设计上类似于电动机，可以由蒸汽轮机或水轮机驱动。这些发电机也有能量损失。

电能和热能

如果电线流动 电，然后运动中的电子与导体材料的原子碰撞，并使它们发生更强烈的热运动。在这种情况下，电子会失去一些能量。所产生的热能一方面导致例如电机绕组的部件和电线的温度升高，另一方面导致环境温度升高。必须区分有用的热能和热损失。

在电热设备（电锅炉、熨斗、取暖炉等）中，宜努力确保电能尽可能完全地转化为热能。情况并非如此，例如，在电力线或电动机的情况下，产生的热能是不需要的副作用，因此通常必须采取措施将其消除。

由于随后体温升高，热能被转移到环境中。热能传递过程以下列形式发生 热传导、对流和热辐射…在大多数情况下，很难对释放的热能总量进行准确的定量估计。

如果要加热物体，则其最终温度值必须明显高于所需的加热温度。这是必要的，以便将尽可能少的热能传输到环境中。

相反，如果不希望加热体温，则系统的最终温度值应该很小。为此，创造条件以促进从身体中去除热能（身体与环境的大表面接触，强制通风）。

电线中产生的热能限制了这些电线中允许的电流量。导体的最高允许温度由其绝缘体的热阻决定。为什么，要保证传递一些特定的 电力, 您应该选择尽可能低的电流值和相应的高电压值。在这些条件下，线材的成本会降低。因此，在高压下传输高功率电能在经济上是可能的。

将热能转化为电能

所谓的热能直接转化为电能 热电转换器…热电转换器的热电偶由两个由不同材料（例如铜和康铜）制成的金属导体组成，并在一端焊接在一起。

在连接点与两根导线的另外两端之间存在一定的温差时， 电磁场，这在第一次近似中与该温差成正比。这种热电动势等于几毫伏，可以使用高度灵敏的电压表记录下来。如果电压表以摄氏度为单位校准，则与热电转换器一起，所得设备可用于直接温度测量。

转换功率低，因此此类转换器实际上不用作电能来源。根据制造热电偶所用的材料，它可以在不同的温度范围内工作。为了比较，可以指出不同热电偶的一些特性：铜-康铜热电偶适用温度高达 600°C，EMF 在 100°C 时约为 4 mV；铁常数热电偶适用于高达 800 °C，EMF 在 100 °C 时约为 5 mV。

将热能转化为电能的实际应用示例—— 热电发电机

电能和光能

在物理学中，光是 电磁辐射，它对应于电磁波频谱的某一部分，是人眼可以感知的。电磁波的频谱还包括无线电波、热能和 X 射线。看 - 基本照明量及其比例

由于热辐射和气体放电，可以使用电能获得光辐射。热（温度）辐射是固体或液体加热的结果，由于加热，它们会发出不同波长的电磁波。热辐射强度的分布取决于温度。

随着温度升高，最大辐射强度转变为波长更短的电磁振荡。在大约 6500 K 的温度下，最大辐射强度出现在波长为 0.55 μm 处，即在对应于人眼最大灵敏度的波长处。当然，出于照明目的，任何固体都不能加热到这样的温度。

钨能承受最高的加热温度。在真空玻璃瓶中，它可以被加热到2100°C的温度，在更高的温度下它开始蒸发。可以通过加入一些气体（氮气、氪气）来减缓蒸发过程，这使得将加热温度提高到3000°C成为可能。

为了减少白炽灯中由于产生的对流而产生的损耗，灯丝制成单螺旋或双螺旋形式。尽管采取了这些措施，但 白炽灯的光效为20lm/W，这距离理论上可实现的最优值还很远。热辐射源的效率非常低，因为大部分电能都转化为热能而不是光能。

在气体放电光源中，电子与气体原子或分子碰撞，从而使它们发射特定波长的电磁波。整个气体体积都参与了电磁波的发射过程，一般来说，这种辐射的光谱线并不总是位于可见光范围内。目前，LED光源在照明中的应用最为广泛。看 - 工业场所光源的选择. 

光能转化为电能

光能可以转化为电能，从物理角度来看，这种转变有两种不同的方式。这种能量转换可以是光电效应（photoelectric effect）的结果。为了实现光电效应，使用了光电晶体管、光电二极管和光敏电阻。

在一些之间的接口 半导体 （锗、硅等）和金属，形成边界区，两种接触材料的原子在该边界区交换电子。当光线落在边界区域时，其中的电平衡被扰乱，结果出现 EMF，在其作用下在外部闭合电路中产生电流。 EMF 和电流值取决于入射光通量和辐射波长。

一些半导体材料用作光敏电阻。由于光对光敏电阻的影响，其中电荷的自由载流子数量增加，从而导致其电阻发生变化。如果在电路中包含光敏电阻，则该电路中的电流将取决于关于落在光敏电阻上的光的能量。

也可以看看 - 太阳能转化为电能的过程

化学能和电能

酸、碱、盐（电解质）的水溶液或多或少会传导电流，这是由于 物质的电离解现象……一些溶质分子（这部分的大小决定了解离的程度）以离子的形式存在于溶液中。

如果溶液中有两个电极施加了电位差，则离子将开始移动，带正电的离子（阳离子）向阴极移动，带负电的离子（阴离子）向阳极移动。

到达相应的电极后，离子获得缺失的电子，或者相反，放弃额外的电子，结果变成电中性。沉积在电极上的材料质量与转移的电荷成正比（法拉第定律）。

在电极和电解质的边界区，金属的溶解弹性和渗透压相互对立。 （渗透压导致金属离子从电解质沉积到电极上。仅此化学过程就造成了电位差）。

电能转化为化学能

为了通过离子运动实现物质在电极上的沉积，需要消耗电能。这个过程称为电解。这种将电能转化为化学能的过程用于电冶金，以获得化学纯形式的金属（铜、铝、锌等）。

在电镀中，活性氧化金属被钝化金属覆盖（镀金、镀铬、镀镍等）。在电铸中，三维压印（陈词滥调）是由各种物体制成的，如果这种物体是由非导电材料制成的，则在制作压模之前必须用导电层覆盖它。

化学能转化为电能

如果将两个由不同金属制成的电极放入电解液中，则由于这些金属溶解弹性的差异，它们之间会产生电位差。如果在电解质外部的电极之间连接一个电能接收器，例如电阻器，则电流将流入所产生的电路中。他们是这样工作的 原电池 （主要元素）。

第一个铜锌原电池是由沃尔特发明的。在这些元素中，化学能转化为电能。原电池的运行可能会受到极化现象的阻碍，极化现象是由于物质沉积在电极上而发生的。

所有原电池都具有化学能在其中不可逆地转化为电能的缺点，即原电池不能再充电。他们没有这个缺点 蓄能器.