에너지 변환

Energy transformation
불은 에너지 변환의 한 예이다.
에너지 시스템 언어를 사용한 에너지 변환

에너지 변환이라고도 알려진 에너지 변환은 에너지를 한 형태에서 [1]다른 형태로 바꾸는 과정입니다.물리학에서 에너지는 작업(물체를 들어올리는 등)을 수행하거나 열을 제공하는 양입니다.에너지 보존의 법칙에 따르면 에너지는 변환될 뿐만 아니라 다른 위치나 물체로 전달될 수 있지만 생성되거나 파괴될 수 없습니다.

많은 형태의 에너지는 자연 공정에서 사용되거나 난방, 냉동, 조명 또는 기계 작동을 위한 기계적 작업 수행과 같은 사회에 서비스를 제공할 수 있습니다.예를 들어, 가정 난방을 위해 용해로는 연료를 연소시키고, 이 연료의 화학적 위치 에너지는 열 에너지로 변환되며, 열 에너지는 가정 공기로 전달되어 온도를 높입니다.

열 에너지 변환의 한계

다른 형태의 에너지에서 열에너지로의 변환은 100% [2][self-published source?]효율로 이루어질 수 있습니다.비열적 형태의 에너지 변환은 마찰 및 유사한 프로세스로 인해 열로 방출되는 에너지가 항상 존재하지만 상당히 높은 효율로 발생할 수 있습니다.진공상태에서 물체가 낙하함에 따라 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되는 경우와 같이 효율이 100%에 가까운 경우가 있습니다.이것은 반대의 경우에도 적용된다. 예를 들어, 다른 물체 주위의 타원 궤도에 있는 물체가 모체에서 멀어지면서 운동 에너지(속도)를 중력 위치 에너지(다른 물체와의 거리)로 변환한다.그것이 가장 먼 지점에 도달하면, 그것은 과정을 역전시켜, 가속하고 위치 에너지를 운동 에너지로 변환합니다.공간은 거의 진공 상태이기 때문에, 이 공정은 거의 100%의 효율을 발휘합니다.

열 에너지는 다른 형태의 에너지로 전환될 수 없기 때문에 독특하다.작업 수행에는 열/열 에너지 밀도(온도) 차이만 사용할 수 있으며, 이 변환의 효율은 (대부분) 100% 미만입니다.이는 열에너지가 특히 무질서한 형태의 에너지를 나타내기 때문입니다. 열에너지는 시스템을 구성하는 미세한 입자 집합의 많은 사용 가능한 상태에 랜덤하게 퍼져 있습니다(각 입자의 위치와 운동량의 조합은 위상 공간을 형성한다고 합니다).이 무질서 또는 무작위성의 척도는 엔트로피이며, 그 결정적인 특징은 고립된 시스템의 엔트로피가 결코 감소하지 않는다는 것입니다.엔트로피가 다른 곳(주변 공기와 같은)으로 가지 않고는 고엔트로피 시스템(일정 양의 열에너지를 가진 뜨거운 물질과 같은)을 낮은 엔트로피 상태로 변환할 수 없습니다.즉, 에너지를 다른 곳에 분산시키지 않고서는 에너지를 집중시킬 수 없습니다.

주어진 온도에서 평형 상태에 있는 열에너지는 이미 모든[3] 가능한 상태 사이의 최대 에너지 소실을 나타낸다. 왜냐하면 열 에너지는 온도에 영향을 미치는 것 이상의 "유용한" 형태로 완전히 변환될 수 없기 때문이다.열역학 제2법칙은 닫힌 시스템의 엔트로피는 절대 감소할 수 없다고 말한다.이 때문에 열에너지 소실과 관련된 엔트로피 감소와 그 엔트로피 함량을 보상하기 위해 우주의 엔트로피가 다른 수단으로 증가했을 경우에만 효율이 100%에 가까운 다른 종류의 에너지로 변환될 수 있다.그렇지 않으면 열 에너지의 일부만 다른 종류의 에너지로 변환될 수 있습니다(따라서 유용한 작업).이는 나머지 열을 저온에서 열 저장소로 전달하기 위해 저장해야 하기 때문입니다.이 과정의 엔트로피 증가는 나머지 열을 다른 유형의 에너지로 변환하는 것과 관련된 엔트로피 감소보다 큽니다.

에너지 변환을 보다 효율적으로 하기 위해서는 열변환을 피하는 것이 바람직합니다.예를 들어, 핵의 운동 에너지가 먼저 열 에너지로 변환된 후 전기 에너지로 변환되는 원자로의 효율은 약 35%[4][5]이다.운동 에너지를 전기에너지로 직접 변환함으로써 중간 열에너지 변환을 제거함으로써 에너지 변환 프로세스의 효율을 극적으로 [6]향상시킬 수 있다.

에너지 변환의 역사

시간의 경과에 따른 우주의 에너지 변환은 대개 빅뱅 이후 사용 가능한 다양한 종류의 에너지로 특징지어지며, 나중에 트리거링 메커니즘에 의해 "운동 에너지나 복사 에너지와 같은 더 활동적인 에너지로 변환된다".

중력 전위로부터의 에너지 방출

에너지의 직접적인 변환은 빅뱅에서 생성된 수소가 중력 전위의 일부가 직접 열로 변환되는 과정에서 행성과 같은 구조로 모일 때 발생합니다.예를 들어 목성, 토성, 해왕성에서는 행성의 큰 가스 대기의 지속적인 붕괴로 인한 열이 계속해서 대부분의 행성 기상 시스템을 움직인다.대기권, 바람, 강력한 폭풍으로 구성된 이 시스템은 부분적으로만 햇빛에 의해 작동된다.그러나 천왕성에서는 이 과정이 [why?][citation needed]거의 일어나지 않는다.

지구에서는 행성 내부의 열 방출량의 상당 부분이 행성 물질의 크기가 작아지는 느린 붕괴로 인해 [citation needed]발생하며 열을 발생시킨다.

방사성 전위로부터의 에너지 방출

빅뱅으로부터 에너지를 변환하는 다른 과정의 친숙한 예로는 핵붕괴가 있는데, 핵붕괴는 우라늄과 토륨과 같은 무거운 동위원소에 원래 "저장"되어 있던 에너지를 방출한다.이 에너지는 이들 원소의 핵합성 시점에 저장되었다.이 과정은 II형 초신성의 붕괴에서 방출된 중력 전위 에너지를 태양계나 지구와 같은 항성계에 통합되기 전에 이러한 무거운 원소들을 생성하기 위해 사용합니다.우라늄에 갇힌 에너지는 대부분의 방사성 붕괴 중에 자연적으로 방출되며 핵분열 폭탄에서 갑자기 방출될 수 있다.두 경우 모두 원자핵을 결합하는 에너지의 일부는 열로 방출된다.

수소 핵융합 전위로부터의 에너지 방출

우주의 여명기에 시작된 유사한 변형의 사슬에서, 태양에서 수소의 핵융합은 빅뱅 당시에 만들어진 또 다른 저장소의 잠재 에너지를 방출합니다.그 당시에, 한 이론에[which?] 따르면, 공간이 팽창했고 수소가 더 무거운 원소로 완전히 융합되기에는 우주는 너무 빠르게 냉각되었다.이것은 수소가 핵융합에 의해 방출될 수 있는 위치 에너지의 저장을 나타내는 결과를 낳았다.이러한 핵융합 과정은 수소 구름이 별을 만들 때 발생하는 중력 붕괴로 발생하는 열과 압력에 의해 촉발되며, 그 후 핵융합 에너지의 일부는 별빛으로 변환된다.태양계를 고려할 때, 압도적으로 태양으로부터 오는 별빛은 지구에 충돌한 후에 다시 중력 위치 에너지로 저장될 수 있다.이는 눈사태의 경우 또는 물이 바다에서 증발하여 해수면 높은 곳에 강수량으로 침전될 때 발생한다(수력 발전 댐에서 방출된 후 터빈/발전기를 구동하여 전기를 생산하는 데 사용할 수 있다).

태양빛은 또한 지구의 많은 기상 현상을 유발한다.한 가지 예는 허리케인으로, 수개월에 걸쳐 가열된 따뜻한 바다의 넓은 불안정한 지역이 며칠간의 격렬한 공기 이동의 동력을 얻기 위해 열에너지의 일부를 갑자기 포기할 때 발생한다.햇빛은 또한 이산화탄소와 물이 탄수화물, 지질, 산소의 가연성 조합으로 바뀔 때 광합성을 통해 식물에 의해 화학적 잠재 에너지로 포착된다.열과 빛으로서의 이 에너지의 방출은 산불에서 갑자기 불꽃에 의해 유발될 수 있고, 또는 이러한 분자들이 섭취되고 효소 작용에 의해 이화작용이 유발될 때 동물이나 인간의 신진대사에 더 느리게 이용될 수 있습니다.

이러한 모든 변환 사슬을 통해, 빅뱅 당시 저장된 잠재적 에너지는 중간 사건에 의해 나중에 방출되고, 때로는 방출 사이에 여러 다른 방식으로 더 활동적인 에너지로 저장된다.이 모든 사건들은 열을 포함한 한 종류의 에너지를 다른 에너지로 바꾸는 것을 포함한다.

예

기계의 에너지 변환 세트의 예

석탄 화력발전소에는 다음과 같은 에너지 전환이 수반됩니다.

  1. 석탄의 화학 에너지는 연소의 배기가스에서 열에너지로 변환됩니다.
  2. 열교환을 통해 증기의 열에너지로 변환되는 배기가스 열에너지
  3. 터빈에서 기계적 에너지로 변환된 증기의 열에너지
  4. 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된 터빈의 기계적 에너지, 즉 최종 출력입니다.

이러한 시스템에서는 첫 번째와 네 번째 단계는 매우 효율적이지만 두 번째와 세 번째 단계는 덜 효율적입니다.가장 효율적인 가스 화력 발전소는 50%의 변환 [citation needed]효율을 달성할 수 있습니다.석유와 석탄 화력발전소는 효율성이 떨어진다.

기존 자동차에서는 다음과 같은 에너지 변환이 발생합니다.

  1. 연료 중의 화학 에너지는 연소를 통해 가스를 팽창시키는 운동 에너지로 변환됩니다.
  2. 선형 피스톤 운동으로 변환된 팽창 기체의 운동 에너지
  3. 선형 피스톤 이동이 회전 크랭크축 운동으로 변환됨
  4. 로터리 크랭크축 움직임이 변속기 어셈블리로 전달됨
  5. 변속기 어셈블리에서 회전 이동이 전달됨
  6. 회전 운동이 디퍼렌셜을 통과함
  7. 디퍼렌셜에서 구동 휠로 회전 이동이 전달됨
  8. 구동 휠의 회전 운동이 차량의 선형 운동으로 변환됨

기타 에너지 변환

라마탈라벤토사 풍력발전소

한 에너지 형태를 다른 에너지 형태로 변환하는 많은 다른 기계와 변환기가 있습니다.다음은 간단한 예를 제시하겠습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Energy Transfers and Transformations National Geographic Society". education.nationalgeographic.org. Retrieved 2022-05-29.
  2. ^ Pandey, Er. Akanksha (9 February 2010). "Advantages and Limitations of Ocean Thermal Energy Conversion". India Study Channel.
  3. ^ Katinas, Vladislovas; Marčiukaitis, Mantas; Perednis, Eugenijus; Dzenajavičienė, Eugenija Farida (1 March 2019). "Analysis of biodegradable waste use for energy generation in Lithuania". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 101: 559–567. doi:10.1016/j.rser.2018.11.022. S2CID 117316732.
  4. ^ Dunbar, William R.; Moody, Scott D.; Lior, Noam (March 1995). "Exergy analysis of an operating boiling-water-reactor nuclear power station". Energy Conversion and Management. 36 (3): 149–159. doi:10.1016/0196-8904(94)00054-4.
  5. ^ Wilson, P.D. (1996). The Nuclear Fuel Cycle: From Ore to Waste. New York: Oxford University Press.[페이지 필요]
  6. ^ Shinn, Eric; Hübler, Alfred; Lyon, Dave; Perdekamp, Matthias Grosse; Bezryadin, Alexey; Belkin, Andrey (January 2013). "Nuclear energy conversion with stacks of graphene nanocapacitors". Complexity. 18 (3): 24–27. Bibcode:2013Cmplx..18c..24S. doi:10.1002/cplx.21427.

추가 정보