Materie & Energie

Energieumwandlung | Technologie

Energieumwandlung , die Umwandlung von Energie von Formen, die von der Natur bereitgestellt werden, in Formen, die vom Menschen genutzt werden können .

Zu diesem Zweck wurde im Laufe der Jahrhunderte eine Vielzahl von Geräten und Systemen entwickelt. Einige dieser Energiewandler sind recht einfach. Die frühen Windmühlen wandelten beispielsweise die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie um, um Wasser zu pumpen und Getreide zu mahlen. Andere Energieumwandlungssysteme sind deutlich komplexer, insbesondere solche, bei denen Rohenergie aus fossilen Brennstoffen und Kernbrennstoffen erzeugt wirdelektrische Energie . Systeme dieser Art erfordern mehrere Schritte oder Prozesse, in denen Energie eine ganze Reihe von Transformationen durch verschiedene Zwischenformen durchläuft.

Viele der heute weit verbreiteten Energiewandler beinhalten die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Die Effizienz solcher Systeme unterliegt jedoch grundlegenden Einschränkungen, die durch die Gesetze der Thermodynamik und andere wissenschaftliche Prinzipien vorgegeben sind. In den letzten Jahren wurde bestimmten direkten Energieumwandlungsvorrichtungen, insbesondere Solarzellen und Brennstoffzellen, die den Zwischenschritt der Umwandlung in Wärmeenergie bei der Stromerzeugung umgehen, große Aufmerksamkeit gewidmet .

Dieser Artikel verfolgt die Entwicklung von Energieumwandlungstechnik , Hervorhebungen nicht nur konventionelle Systeme , sondern auch alternative und experimentelle Wandler mit erheblichem Potenzial. Es beschreibt ihre Besonderheiten, Grundprinzipien des Betriebs, Haupttypen und Schlüsselanwendungen. Eine Diskussion der Gesetze der Thermodynamik und ihrer Auswirkungen auf das Systemdesign und die Leistung finden Sie unter Thermodynamik .

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Allgemeine Überlegungen

Energie wird normalerweise und am einfachsten als Äquivalent oder Arbeitsfähigkeit definiert . Das Wort selbst leitet sich von der griechischen Energie ab: en , "in"; Ergon , "Arbeit". Energie kann entweder mit einem materiellen Körper verbunden sein, wie in einer Spiralfeder oder einem sich bewegenden Objekt, oder sie kann unabhängig von Materie sein, wenn Licht und andere elektromagnetische Strahlung ein Vakuum durchqueren . Die Energie in einem System steht möglicherweise nur teilweise zur Verfügung. Die Dimensionen der Energie sind die der Arbeit, die in der klassischen Mechanik formal als das Produkt aus Masse ( m ) und dem Quadrat des Verhältnisses von Länge ( l ) zu Zeit ( t ): ml definiert wird2 / t 2 . Dies bedeutet, dass je größer die Masse oder die Entfernung ist, um die sie bewegt wird, oder je kürzer die Zeit ist, um die Masse zu bewegen, desto größer ist die geleistete Arbeit oder desto größer ist der Energieverbrauch.

Entwicklung des Energiekonzepts

Der Begriff Energie wurde nicht als Maß für die Fähigkeit , bis ziemlich spät in der Entwicklung der Arbeit angewandt zu tun Wissenschaft der Mechanik. In der Tat kann die Entwicklung der klassischen Mechanik ohne Rückgriff auf das Konzept der Energie durchgeführt werden. Die Idee der Energie geht jedoch zumindest auf Galileo zurückim 17. Jahrhundert. Er erkannte, dass beim Anheben eines Gewichts mit einem Flaschenzugsystem die ausgeübte Kraft multipliziert mit der Entfernung, über die diese Kraft ausgeübt werden muss (ein Produkt, das per Definition als Arbeit bezeichnet wird), konstant bleibt, obwohl jeder der Faktoren variieren kann. Das Konzept von vis viva oder lebendiger Kraft, einer Größe, die direkt proportional zum Produkt aus Masse und Quadrat der Geschwindigkeit ist, wurde im 17. Jahrhundert eingeführt. Im 19. Jahrhundert wurde der Begriff Energie auf das Konzept der vis viva angewendet.

Isaac Newtons erstes Bewegungsgesetz erkennt Kraft als mit der Beschleunigung einer Masse verbunden an. Es ist fast unvermeidlich, dass dann die integrierte Wirkung der auf die Masse einwirkenden Kraft von Interesse wäre. Natürlich gibt es zwei Arten von Integralen der Wirkung der auf die Masse wirkenden Kraft, die definiert werden können. Eines ist das Integral der Kraft, die entlang der Wirkungslinie der Kraft wirkt, oder das räumliche Integral der Kraft; Das andere ist das Integral der Kraft über die Zeit ihrer Wirkung auf die Masse oder das zeitliche Integral.

Die Auswertung des räumlichen Integrals führt zu einer Größe, die nun die Änderung der kinetischen Energie der Masse infolge der Kraftwirkung darstellt und nur die Hälfte der vis viva beträgt. Andererseits führt die zeitliche Integration zur Bewertung der Impulsänderung der Masse, die sich aus der Wirkung der Kraft ergibt. Einige Zeit gab es Debatten darüber, welche Integration zu einem angemessenen Maß an Kraft führte. Der deutsche Philosoph und Wissenschaftler Gottfried Wilhelm Leibniz argumentierte für das räumliche Integral als einzig wahres Maß, während der französische Philosoph und Mathematiker René Descartes früherhatte das zeitliche Integral verteidigt. Schließlich zeigte der Physiker Jean d'Alembert aus Frankreich im 18. Jahrhundert die Legitimität beider Ansätze zur Messung der Wirkung einer auf eine Masse einwirkenden Kraft und dass die Kontroverse nur eine Nomenklatur war .

Zusammenfassend ist Kraft mit der Beschleunigung einer Masse verbunden; kinetische Energie oder Energie, die sich aus ergibtBewegung ist das Ergebnis der räumlichen Integration einer auf eine Masse einwirkenden Kraft; Impuls ist das Ergebnis der zeitlichen Integration der auf eine Masse einwirkenden Kraft; und Energie ist ein Maß für die Arbeitsfähigkeit. Es könnte hinzugefügt werden, dass Leistung als die Zeitrate definiert ist, mit der Energie übertragen wird (auf eine Masse, wenn eine Kraft auf sie einwirkt, oder über Übertragungsleitungen vom elektrischen Generator zum Verbraucher).

Die Energieeinsparung (siehe unten) wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts von vielen Wissenschaftlern unabhängig anerkannt. Die Erhaltung der Energie als kinetische, potentielle und elastische Energie in einem geschlossenen System unter der Annahme, dass keine Reibung vorliegt, hat sich als gültiges und nützliches Werkzeug erwiesen . Bei näherer Betrachtung drückt sich die Reibung, die als Einschränkung der klassischen Mechanik dient, in der Wärmeerzeugung aus, sei es an den Kontaktflächen eines Blocks, der in einer Ebene gleitet, oder in der Masse eines Fluids, in dem Ein Paddel dreht sich oder einer der anderen Ausdrücke von „Reibung“. Wärme wurde von Hermann von Helmholtz aus Deutschland und Deutschland als Energieform identifiziertJames Prescott Joule aus England in den 1840er Jahren. Joule bewies zu diesem Zeitpunkt auch experimentell die Beziehung zwischen mechanischer und Wärmeenergie. Als detailliertere Beschreibungen der verschiedenen Prozesse in der Natur notwendig wurden, bestand der Ansatz darin, rationale Theorien oder Modelle für die Prozesse zu suchen, die eine quantitative Messung der Energieänderung im Prozess ermöglichen, und diese und die damit verbundene Energiebilanz in das System einzubeziehen von Interesse, vorbehaltlich des allgemeinen Bedarfs an Energieeinsparung. Dieser Ansatz hat sich für die chemische Energie bewährtin den Molekülen von Kraftstoff und Oxidationsmittel, die durch ihre Verbrennung in einem Motor freigesetzt werden, um Wärmeenergie zu erzeugen, die anschließend in mechanische Energie umgewandelt wird, um eine Maschine zu betreiben; Es hat auch für die Umwandlung von Kernmasse in Energie in den Kernfusions- und Kernspaltungsprozessen gearbeitet .