El proceso de utilización de la energía es en realidad el proceso de transferencia o conversión de energía. La energía se puede convertir en diversas formas de energía que las personas necesitan bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, el carbón libera calor después de quemarse, que puede usarse para hervir agua, cocinar y calentar, también puede usarse para generar vapor para promover la conversión de máquinas de vapor en energía mecánica, o promover la conversión de generadores de turbina en energía eléctrica; energía. La energía eléctrica se puede convertir en energía mecánica, energía luminosa o energía interna a través de motores, lámparas u otros aparatos eléctricos.
En general, la energía no se puede convertir completamente en la energía que las personas necesitan. La llamada eficiencia de conversión de energía es la relación entre la energía que una persona necesita obtener (es decir, energía útil) y la energía total consumida al principio. La fórmula de cálculo es: eficiencia de conversión de energía = energía útil de salida/energía de entrada total.
——En la sociedad actual, la energía escasea. Cómo mejorar la utilización de la energía es un tema candente que debemos resolver con urgencia. Los cálculos de la eficiencia de conversión de energía son comunes en los exámenes. A continuación se muestran algunos ejemplos: (***10 preguntas)
1. Hervidor eléctrico para calentar agua: Un hervidor eléctrico de 100 W funciona normalmente durante 28 minutos y puede calentar 4 kg de agua de 20 ℃ a 100 ℃. ¿Qué tan eficiente es?
Cuando se utiliza un hervidor eléctrico para hervir agua, la temperatura del agua aumenta y necesita absorber calor. La energía interna incrementada por el agua es la energía que necesitamos, que es energía útil. La energía eléctrica consumida por el hervidor eléctrico es el aporte energético total, por lo que la eficiencia de hervir agua en este hervidor eléctrico es la siguiente:
η = Q absorción/w = cmδt/Pt = 4,2×103×4×(100-20)/(100×28×60)= 80.
2. Caldera de agua hirviendo: Si una caldera calienta 100Kg de agua de 32℃ a 100℃, necesita quemar 3,36Kg de carbón antracita, con un poder calorífico de 3,4×107J/Kg. ¿Qué tan eficiente es?
Cuando se utiliza una caldera para hervir agua, el aumento de energía interna del agua es energía útil, y la energía liberada por la combustión completa del combustible (es decir, la energía química del combustible) es la energía total. aporte energético, por lo que la eficiencia de este tipo de caldera para hervir agua es:
η = Q succión/Q descarga = cmδt/QM carbón = 4,2×103×100×(100-32)/(3,4 ×107×3,36)= 25.
3. Calentador de agua solar: Si hay un calentador de agua con un área total de recolección de calor de 1,35 m2 durante 10 horas, se pueden calentar 100 kg de agua de 20 ℃ a 80 ℃, y el solar. La energía recibida por m2 de la superficie del suelo por hora es 3,6 × 106J, ¿qué eficiencia tiene?
Cuando el calentador de agua solar está funcionando, la energía interna aumentada por el agua es energía útil y la energía solar irradiada al tubo colector es la energía total de entrada. La eficiencia de este tipo de calentador de agua solar para hervir agua es la siguiente:
η = Q absorción/Q sol = cmδt/Q sol = 4,2×103×100×(80-20)/(3,6 ×106×1,35×10 )=50.
4. Motor térmico:
(1).El motor diésel S195 está marcado con "0,27Kg/Kwh", es decir, cada 0,27Kg de diésel consumido puede producir 1Kwh de utilidad. energía (poder calorífico diesel q = 3,3 × 107J/Kg). ¿Qué tan eficiente es?
Un motor térmico es una máquina que convierte la energía interna en energía mecánica. La energía mecánica obtenida es energía útil, y el calor liberado por la combustión completa del combustible es la energía total de entrada. La eficiencia de este motor diésel es la siguiente:
η = W/Q amp = 1kWh/QM = 3,6×106/(3,3×107×0,27)= 40,4.
(2) La potencia de salida del motor del automóvil nuevo es de 69 kW y el consumo de combustible por hora es de 20 kg (poder calorífico de la gasolina q = 4,6 × 107 J/kg).
¿Qué tan eficiente es?
En este proceso, la producción de energía útil se calcula mediante W =P out t. La eficiencia de este motor de automóvil es:
η= W/Q = P/T/QM. = 69×103×3600/(4,6×107×20)= 27.
5. Motor: La resistencia interna de la bobina del motor marcada "6v3w" es 3ω. ¿Qué tan eficiente es el funcionamiento normal sin considerar la fricción?
Cuando el motor funciona, la energía eléctrica se convierte en energía mecánica y energía interna. Si se excluye la fricción, esta energía interna es el calor eléctrico generado cuando se energiza la propia bobina del motor, por lo que la energía mecánica obtenida es igual a la energía eléctrica consumida menos el calor eléctrico generado.
Cuando el motor funciona normalmente, la corriente I = P/U = 3w/6v = 0.5A, la eficiencia del motor es:
η = W máquina / W total = ( W total - Q )/W total=(Pt-I2RT)/Pt =(P-I2R)/P =(3-0,52×3)/3 = 75.
6. Célula solar: en un automóvil solar, la potencia de radiación total de la luz solar que brilla sobre el panel solar del automóvil es 8×103W. En un día despejado, el panel que mira al sol produce 160 V, que suministra 10 A al motor del automóvil. ¿Qué tan eficiente es?
Las células solares son dispositivos que utilizan la energía solar para obtener energía eléctrica. La energía eléctrica generada es energía útil, mientras que la energía solar consumida es la energía total aportada. La eficiencia de esta célula solar es:
η = W 电 / Q τ = UIt / P τ = UI / P τ = 160×10/(8×103) = 20.
7. Lámpara incandescente: Una lámpara incandescente de 40W funciona normalmente durante 1 segundo y produce aproximadamente 8J de energía luminosa. ¿Qué tan eficiente es?
Cuando las lámparas incandescentes funcionan normalmente, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa y energía interna. La energía luminosa obtenida es energía útil, y la electricidad consumida es la energía total de entrada. La eficiencia luminosa de esta lámpara incandescente es:
η = W luz/W electricidad = W luz/Pt = 8 / (40 × 1) = 20,
8. Generación: Una central eléctrica puede generar 92 Kwh de electricidad quemando 1 tonelada de carbón antracita. ¿Qué tan eficiente es su generación de energía?
La generación de energía térmica convierte la energía química del combustible en energía eléctrica. La energía eléctrica obtenida es energía útil, y la energía química del combustible consumida es la energía total de entrada. Su eficiencia de generación de energía es:
η = W potencia/Q amplificador = 92kWh/QM = 92×3,6×106/(3,4×107×103)= 10.
9. Transmisión de alto voltaje: Se cuenta con un equipo de transmisión de alto voltaje de 110Kv, 22Mw con una resistencia total de 50ω. ¿Qué tan eficiente es su transmisión?
En la transmisión de energía de alto voltaje, la energía eléctrica en el extremo de salida (al usuario) es energía útil y la energía eléctrica en el extremo de entrada es la energía de entrada total. la energía eléctrica consumida por la propia línea de transmisión (es decir, calefacción eléctrica).
Durante el proceso de transmisión de alto voltaje, la corriente I = p/u = 22w×106/(110v×103)= 200 a, y su eficiencia de transmisión es:
η = W con/ W total =(Pt-I2r línea T)/Pt =(P-I2r línea)/P =(22×106-2002×50)/(22×106)= 90,9.
10. Vehículo eléctrico: vehículo eléctrico de 160V 10A, circulando a velocidad constante en una carretera plana, resistencia del suelo 288N, conduciendo 15Km durante 0h, ¿cuál es la eficiencia?
Cuando un vehículo eléctrico está en marcha, convierte la energía eléctrica en energía mecánica. La energía mecánica obtenida supera la fricción y realiza trabajo para que el vehículo avance, por tanto, el trabajo que realiza para superar la fricción es energía útil. , y la energía eléctrica consumida es la energía total aportada. La eficiencia de este coche eléctrico es:
η= W You/W Total = f ./UIT = 288×15×103/(160×10×3600)= 75.
——Los anteriores son solo tipos comunes de cálculos de eficiencia de conversión de energía. Hay muchas preguntas sobre la eficiencia de conversión de energía en la vida real. El calor de combustión de un combustible se puede expresar como HHV (poder calorífico superior) o LHV (poder calorífico bajo). El calor de combustión con alto poder calorífico es el calor de combustión cuando el vapor de agua del producto quemado se ha condensado en líquido, por lo que se añade el calor latente de condensación del agua. El calor de combustión de bajo poder calorífico se refiere al calor de combustión cuando el vapor de agua del producto permanece en estado gaseoso después de la combustión, sin considerar el calor latente de condensación del agua.
La elección del poder calorífico del combustible afectará al cálculo de su eficiencia de conversión energética. En Europa, la energía que puede producir un combustible se expresa por su menor poder calorífico. Si no se considera el calor latente del agua, la "eficiencia térmica" de la caldera de condensación se puede calcular así, y su valor puede exceder 100, porque su principio de funcionamiento utiliza parte del calor latente del agua de condensación, pero esta parte es no se considera al calcular la energía de entrada, que no viola la primera ley de la termodinámica. Fuera de Europa, la energía que puede producir un combustible se expresa por su mayor poder calorífico. Considerando el calor latente de la condensación del agua, la eficiencia de conversión de energía no puede exceder 100.
Método de conversión de energía Eficiencia energética motor de combustión interna y motor de combustión externa 10 ~ 50 motor de turbina de gas hasta 40 motor de turbina de gas más motor de turbina de vapor (ciclo combinado) hasta 60 motor de agua hasta 90 motor de viento hasta a 59 (el límite superior teórico) de células solares pueden llegar a 6 ~ 40.
(La eficiencia general es aproximadamente 15, el límite superior teórico es 85 ~ 90, dependiendo de la tecnología utilizada). Armas de fuego ~ 30 (bala de 0,300 pulgadas) [0,3 pulgadas ≈ 7,62 mm] La pila de combustible puede electrolizar el 85% del agua 50 ~ 70 (el límite superior teórico es 80 ~ 94).
Motores con potencia entre 10W y 200W: 50 ~ 90;
Motores con potencia superior a 200W: 99 y superior. El sistema de bajo nivel para un refrigerador doméstico es de aproximadamente 20, el sistema de alto nivel es de aproximadamente 40 a 50 para bombillas, de 5 a 10 para diodos emisores de luz, hasta 35 para lámparas fluorescentes, 28 para lámparas de sodio, 40,5 para metal. lámparas de halogenuros y 24 para fuentes de alimentación conmutadas. La aplicación práctica puede alcanzar el 95% de los calentadores de agua eléctricos, el 90-95% de los calentadores eléctricos y el 95% de los calentadores eléctricos. Como la energía eléctrica y la energía mecánica.
Respuesta: El método principal es la conversión de medios. Por ejemplo, a través del agua, el agua primero se convierte en vapor de alta temperatura y alta presión, luego se utiliza para impulsar una turbina de vapor o una máquina de vapor en energía mecánica, y finalmente la turbina de vapor impulsa un generador y es convertida en energía eléctrica. También se pueden utilizar varios motores térmicos (motores de gasolina, motores diésel, turbinas de gas) para convertir la energía térmica en energía mecánica a través del gas. Si la energía mecánica se utiliza además para impulsar un generador, naturalmente se puede convertir en energía eléctrica.
También existe la generación de energía termoeléctrica, que se convierte directamente en energía eléctrica a través de termopares similares. No se requiere ningún medio, pero la eficiencia es baja y no se puede aplicar a gran escala.
"Fácil de usar" recomienda en primer lugar la energía eléctrica, que puede convertirse fácilmente en energía mecánica a través de motores y en energía térmica y luminosa a través de dispositivos de calefacción eléctricos.
Las "formas convenientes de energía almacenada" deberían ser principalmente energía química en forma de baterías. El consumo de energía es un tema muy candente, por lo que la conversión de energía es aún más importante. Los dispositivos electrónicos se han convertido en una parte indispensable de nuestra vida diaria y reducir el consumo de energía de estos dispositivos será de gran importancia. La nueva tecnología IC (circuito integrado) no sólo ahorra energía, sino que también mantiene la funcionalidad y el rendimiento necesarios a bajo coste.
Supongamos que existe un generador, impulsado por electricidad, para generar energía eléctrica. Ahora conéctelo, encienda el generador y almacene toda la electricidad que genere. Después de que el generador ha estado funcionando durante un período de tiempo, el medidor de electricidad muestra * * * un consumo de 10 kWh, pero la electricidad almacenada es solo de 9 kWh, entonces la eficiencia de conversión de energía del motorgenerador es 9/10, o 90. Por supuesto, en el mundo real es imposible hacer funcionar un generador con electricidad. Aquí, para facilitar la explicación, es sólo un ejemplo. Beijing, 25 de julio de 2008: Un equipo de investigación compuesto por la Universidad de Osaka en Japón y la Universidad Estatal de Ohio en Estados Unidos ha duplicado con éxito la tasa de conversión de energía de los materiales termoeléctricos.
El 25 de julio de 2008, la versión electrónica del American Journal of Science publicó un artículo relacionado.
Según Kyodo News (25 de julio de 2008), los materiales termoeléctricos son semiconductores que pueden convertir la energía térmica en energía eléctrica. Tienen la tasa de conversión de energía más alta en entornos de trabajo de alta temperatura, como los motores de automóviles. Debido a que el motor emite mucho calor, cubrirlo con este material puede convertir la energía térmica en energía eléctrica y utilizarla de manera efectiva.
Kenji Kurosaka, profesor asistente en la Universidad de Osaka, dijo: "Esta tecnología solía ser muy ineficiente y ni siquiera podía alcanzar niveles prácticos... Ahora que esta tecnología madura, se puede aplicar a áreas como como automóviles respetuosos con el medio ambiente. “El equipo de investigación desarrolló con éxito un nuevo material añadiendo talio a una sustancia llamada plomo telurio. En el pasado se añadía sodio, pero después de utilizar talio, la estructura electrónica cambió y la tasa de conversión de energía se duplicó. Lo que habrá que abordar en el futuro es el alto coste del talio y garantizar la seguridad del plomo. Según Kurosaki, los investigadores también están considerando el uso de nuevos materiales termoeléctricos como fuente de energía para las sondas espaciales. En un ecosistema, la energía está presente en todos los niveles tróficos de la cadena alimentaria. En el proceso de flujo y transformación continuos, la cantidad de energía o asimilación absorbida por los organismos en un determinado nivel trófico representa el porcentaje de biomasa transformada o energía por los organismos en el nivel trófico anterior. 1942 fue propuesto por Lindemann. Él cree que si la tasa de conversión de energía de un nivel trófico a otro es 10, entonces la eficiencia de producción disminuirá paso a paso a lo largo de los niveles tróficos, es decir, cada nivel trófico reducirá la energía en un 90. Si esta relación cuantitativa está desequilibrada, significa que se altera el equilibrio cuantitativo entre los organismos del ecosistema. En otras palabras, no se puede ignorar el impacto ecológico de la eficiencia en la conversión de energía.
En los sistemas naturales, las principales formas de energía son: energía térmica, energía eléctrica, energía interna, energía luminosa, energía sonora, energía química, energía mecánica, energía electromagnética, energía atómica, energía biológica y otras concentradas. Se trata de convertir "un tipo de energía" en "otro tipo de energía" mediante algún equipo mecánico. Eficiencia de transferencia de energía: se refiere a la reducción gradual de energía a medida que fluye a lo largo de la cadena alimentaria. En unidades de nivel trófico, la eficiencia de transferencia de energía entre dos niveles tróficos adyacentes es de 10 a 20.
Se puede representar mediante una pirámide de energía, y la fórmula de cálculo es: eficiencia de transferencia de energía = cantidad de asimilación del nivel trófico anterior / cantidad de asimilación del siguiente nivel trófico × 100.
Cálculo de la eficiencia de transferencia de energía:
Eficiencia de transferencia de energía = cantidad de asimilación del siguiente nivel trófico / cantidad de asimilación de este nivel;
Para un ecosistema simple, la eficiencia de transferencia de energía generalmente está entre 10 y 20;
Para ecosistemas complejos, la eficiencia de transferencia de energía es generalmente inferior a 10 (como la sucesión primaria y la sucesión secundaria).
Eficiencia de utilización de energía: generalmente la relación entre la energía que fluye hacia el cuerpo y la energía del productor, o la relación entre la energía en el nivel trófico más alto y la energía del productor. O considere la participación de los descomponedores para lograr una utilización de energía en múltiples niveles. En un ecosistema, cuanto más corta es la cadena alimentaria, más eficiente energéticamente es. Al mismo tiempo, cuantas más especies haya en el ecosistema, más compleja será la estructura de los nutrientes y mayor será la tasa de utilización de energía.
Análisis de los objetos de investigación: La eficiencia de la transferencia de energía se basa en los niveles tróficos, mientras que la eficiencia de la utilización de la energía se basa en el nivel trófico más alto de los seres humanos.
El concepto de bioasimilación;
Se refiere a la energía química total que obtiene un determinado nivel trófico del medio externo. Se puede expresar como: el consumo de respiración de este nivel trófico, la energía que fluye de este nivel trófico al siguiente nivel trófico, la energía que fluye de este nivel trófico al descomponedor y la cantidad no utilizada de este nivel trófico.
1. Para los productores (generalmente plantas verdes), se refiere a la energía solar fijada en la fotosíntesis, es decir, la producción primaria total (PG).
2. Para los consumidores (generalmente animales), la asimilación se refiere a la energía absorbida por el tracto digestivo (los alimentos ingeridos pueden no ser absorbidos, por lo que no consumen energía), y las heces no cuentan. En la cantidad de asimilación se incluye la energía consumida por la respiración.
3. Para los descomponedores (normalmente saprófitos), se refiere a la energía absorbida fuera de las células.
Cálculo básico de la cantidad de asimilación biológica;
Cantidad de asimilación = ingesta energética del nivel trófico anterior - energía en las heces.
Cantidad de asimilación = crecimiento propio, desarrollo, reproducción, respiración y digestión.
Cantidad de asimilación = energía perdida en forma de calor a través de la respiración, energía que fluye al siguiente nivel trófico, energía que fluye hacia los descomponedores, energía no utilizada. No sólo es una cuestión de cantidad, sino también de calidad. Es precisamente por el nivel de calidad de la energía que se obtiene la direccionalidad del proceso y la segunda ley de la termodinámica. La energía eléctrica y la energía mecánica se pueden convertir completamente en trabajo mecánico, que es una energía de mayor calidad; la energía térmica solo se puede convertir parcialmente en trabajo mecánico y la calidad de la energía es menor. A medida que se conduce la energía, la cantidad de energía puede permanecer sin cambios, pero la calidad de la energía sólo puede disminuir. En condiciones extremas, la masa permanece constante. Este es el llamado principio de depreciación de la energía, que es una declaración más general y general de las leyes de la termodinámica.
La calidad de la energía puede ser alta o baja, lo que se puede comprobar por su valor utilizable: la energía almacenada en carbón, petróleo, gas natural y otras fuentes de energía es de alta calidad porque la energía que contienen es De gran utilidad, puede convertirse en energía mecánica, energía eléctrica, etc. para uso humano. Cuando se disipa energía de alta calidad, se degrada a formas menos útiles, como la energía interna. Por lo tanto, aunque la disipación de energía no reducirá la cantidad total de energía, la energía se reducirá, por lo que se debe ahorrar energía.
La eficiencia de conversión de energía existe entre conversiones de energía y está relacionada con la calidad de la energía. Por ejemplo, la energía eléctrica tiene una calidad energética muy alta y puede alcanzar una alta eficiencia de conversión cuando se convierte en cualquier forma de energía. Y si se utilizan superconductores para transmitir energía eléctrica, se puede lograr incluso una conversión de energía del 100%.
Otras, como la energía térmica, no pueden alcanzar una eficiencia de conversión de 100 cuando se convierten en energía mecánica o energía eléctrica, porque la segunda ley de la termodinámica limita su eficiencia de conversión (el calor no se puede convertir en trabajo a 100) . Las centrales térmicas generan electricidad y la eficiencia de conversión termoeléctrica es sólo de aproximadamente 45. En promedio, esto equivale a una pérdida de casi dos tercios de la energía. Por tanto, la calidad energética de la energía térmica es naturalmente inferior a la de la energía eléctrica.
Sin otros cambios, la eficiencia de conversión de energía no superará el 100. Pero en algunos casos especiales, las pilas de combustible pueden superar las 100.