エネルギー変換

Roderick Dorsey

エネルギー変換 、自然によって提供された形からによって使用できる形へのエネルギーの変換人間。

内戦後の復興期は次のような時期でした。

何世紀にもわたって、この目的のためにさまざまなデバイスやシステムが開発されてきました。これらのエネルギー変換器のいくつかは非常に単純です。たとえば、初期の風車は、風の運動エネルギーを、揚水や穀物の粉砕のための機械的エネルギーに変換していました。他のエネルギー変換システム、特に化石燃料や核燃料から生エネルギーを取り出して電力を生成するシステムは、明らかにもっと複雑です。この種のシステムは、エネルギーがさまざまな中間形態を介して一連の変換全体を経る複数のステップまたはプロセスを必要とします。

今日広く使用されているエネルギー変換器の多くは、熱エネルギー電気エネルギーに。ザ・効率ただし、このようなシステムの1つは、熱力学の法則やその他の科学的原理によって規定されているように、基本的な制限の対象となります。近年、特定の直接エネルギー変換デバイス、特に太陽電池や燃料電池にかなりの注意が向けられており、これらは変換の中間ステップをバイパスします。熱発電におけるエネルギー。

この記事では、エネルギー変換技術の開発をたどり、従来のシステムだけでなく、代替かなりの可能性を秘めた実験的なコンバーター。それ描写するそれらの特徴的な機能、操作の基本原理、主要なタイプ、および主要なアプリケーション。熱力学の法則と、それらがシステムの設計とパフォーマンスに与える影響については、見る熱力学。

一般的な考慮事項

エネルギーは通常、最も簡単に、仕事をするための同等物または能力として定義されます。単語自体はギリシャ語に由来します エネルギー：en 、で; エルゴン 、仕事。エネルギーは、コイルばねや移動物体のように物体に関連付けることも、光やその他の電磁放射のように物質から独立させることもできます。トラバース真空。システム内のエネルギーは、部分的にしか使用できない場合があります。エネルギーの次元は仕事の次元であり、古典力学では、形式的には質量の積として定義されます（ m ）と長さの比率の2乗（ l ）時間に（ t ）： ml ^二/ t ^二。これは、質量または質量が移動する距離が大きいほど、または質量の移動にかかる時間が短いほど、実行される作業が大きくなるか、消費されるエネルギーが大きくなることを意味します。

エネルギーの概念の開発

エネルギーという用語は、力学の科学の発展のかなり遅い時期まで、仕事をする能力の尺度として適用されませんでした。確かに、古典力学の開発は、エネルギーの概念に頼ることなく実行される可能性があります。しかし、エネルギーの考え方は、少なくとも17世紀のガリレオにまでさかのぼります。彼は、滑車システムでおもりを持ち上げると、加えられた力にその力を加えなければならない距離を掛けたもの（定義上、仕事と呼ばれる製品）は、どちらの要因も変化しても一定のままであることを認識しました。活力、つまり生命力の概念は、質量と速度の2乗の積に正比例する量であり、17世紀に導入されました。 19世紀には、エネルギーという用語が活力の概念に適用されました。

アイザックニュートンの最初の運動の法則は、力が質量の加速に関連していると認識しています。それはほとんど避けられないことです統合その場合、質量に作用する力の影響が重要になります。もちろん、2種類あります積分定義できる質量に作用する力の効果の。 1つは、力の作用線に沿って作用する力の積分、または力の空間積分です。もう1つは、質量に対する作用の時間にわたる力の積分、または時間積分です。

空間積分の評価は、力の作用から生じる質量の運動エネルギーの変化を表すために現在取られている量につながり、活力の半分にすぎません。一方、一時的な統合力の作用に起因する質量の運動量の変化の評価につながります。しばらくの間、どの統合が適切な力の測定につながるかについての議論があり、ドイツの哲学者科学者ゴットフリート・ウィルヘルム・ライプニッツは唯一の真の測定として空間積分を主張しましたが、以前はフランスの哲学者で数学者のルネ・デカルトが時間的測定を擁護していました積分。最終的に、18世紀に、フランスの物理学者ジャン・ダランベールは、質量に作用する力の影響を測定するための両方のアプローチの正当性を示し、論争は命名法のみ。

要約すると、力は質量の加速に関連付けられています。運動エネルギー、またはから生じるエネルギーモーションは、質量に作用する力の空間積分の結果です。運動量は、質量に作用する力の時間積分の結果です。エネルギーは仕事をする能力の尺度です。電力は、エネルギーが（力が作用するときに質量に、または発電機から消費者への送電線を介して）伝達される時間率として定義されることが追加される場合があります。

エネルギー保存の法則（以下を参照）は、19世紀の前半に多くの科学者によって独自に認識されました。ザ・電気の保存の仮定の下での閉鎖系における運動エネルギー、ポテンシャルエネルギー、および弾性エネルギーとして摩擦有効で便利なツールであることが証明されています。さらに、詳しく調べると、古典力学の制限として機能する摩擦は、平面上をスライドするブロックの接触面であろうと、流体の大部分であろうと、熱の発生に現れることがわかります。パドルが回転している、またはその他の摩擦の表現。熱は、1840年代にドイツのヘルマン・フォン・ヘルムホルツとイギリスのジェームズ・プレスコット・ジュールによってエネルギーの一形態として特定されました。ジュールはまた、この時点で機械的エネルギーと熱エネルギーの関係を実験的に証明しました。自然界のさまざまなプロセスのより詳細な説明が必要になったため、アプローチは、プロセスのエネルギー変化の定量的測定を可能にするプロセスの合理的な理論またはモデルを探し、それとそれに付随するエネルギーバランスをシステムに含めることでした。エネルギー保存の全体的な必要性を条件として、関心があります。このアプローチは、エンジンでの燃焼によって放出された燃料と酸化剤の分子内の化学エネルギーを処理して熱エネルギーを生成し、その後、機械エネルギーに変換して機械を稼働させます。また、核融合や核分裂の過程で核質量をエネルギーに変換するためにも働いてきました。