ऊर्जा रूपांतरण

अग्नि ऊर्जा परिवर्तन का एक उदाहरण है

ऊर्जा प्रणाली भाषा का उपयोग कर ऊर्जा परिवर्तन

ऊर्जा परिवर्तन, जिसे ऊर्जा रूपांतरण के रूप में भी जाना जाता है, ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में बदलने की प्रक्रिया है। भौतिकी में, ऊर्जा एक मात्रा है जो कार्य करने या गतिमान करने की क्षमता प्रदान करती है, (जैसे किसी वस्तु को उठाना) या गर्मी प्रदान करती है। परिवर्तित होने के अतिरिक्त, ऊर्जा के संरक्षण के नियम के अनुसार, ऊर्जा किसी भिन्न स्थान या वस्तु में स्थानान्तरित की जा सकती है, लेकिन इसे बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है।

कई रूपों में ऊर्जा का उपयोग प्राकृतिक प्रक्रियाओं में किया जा सकता है, या समाज को कुछ सेवा जैसे हीटिंग, प्रशीतन, प्रकाश व्यवस्था और मशीनों को संचालित करने के लिए ऊर्जा का उपयोग किया जाता हैं। उदाहरण के लिए, एक घर को गर्म करने के लिए, भट्टी ईंधन जलाती है, जिसकी रासायनिक संभावित ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जिसे उसके तापमान को बढ़ाने के लिए घर की हवा में स्थानांतरित किया जाता है।

तापीय ऊर्जा के रूपांतरण में सीमाएं

ऊर्जा के अन्य रूपों से तापीय ऊर्जा में रूपांतरण 100% कार्यक्षमता के साथ हो सकता है। ऊर्जा के गैर-तापीय रूपों के बीच रूपांतरण काफी उच्च कार्यक्षमता के साथ हो सकता है, हालांकि घर्षण और इसी तरह की प्रक्रियाओं के कारण हमेशा कुछ ऊर्जा उष्मीय रूप से नष्ट हो जाती है। कभी-कभी कार्यक्षमता 100% के करीब होती है, जैसे कि जब किसी वस्तु के निर्वात में गिरने पर संभावित ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। यह विपरीत स्थिति पर भी लागू होता है; उदाहरण के लिए, किसी अन्य पिंड के चारों ओर दीर्घवृत्तीय कक्षा में कोई वस्तु अपनी गतिज ऊर्जा (गति) को गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा (अन्य वस्तु से दूरी) में परिवर्तित करती है क्योंकि यह अपने मूल शरीर से दूर जाती है। जब यह सबसे दूर के बिंदु पर पहुंचता है, तो यह प्रक्रिया को उल्टा कर देगा, संभावित ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में परिवर्तित कर देगा। चूंकि अंतरिक्ष एक निकट-निर्वात है, इस प्रक्रिया में लगभग 100% कार्यक्षमता है।

ऊष्मीय ऊर्जा बेहद अनूठी है क्योंकि इसे ज्यादातर मामलों में ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है। तापीय/ऊष्मीय ऊर्जा (तापमान) के घनत्व में केवल एक अंतर कार्य करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, और इस रूपांतरण की कार्यक्षमता 100% से बहुत कम होगी। ऐसा इसलिए है क्योंकि तापीय ऊर्जा, ऊर्जा के एक विशेष रूप से अव्यवस्थित रूप का प्रतिनिधित्व करती है; यह सिस्टम बनाने वाले सूक्ष्म कणों के संग्रह के कई उपलब्ध अवस्था के बीच यादृच्छिक रूप से फैला हुआ है (प्रत्येक कण के लिए स्थिति और संवेग के इन संयोजनों को एक चरण स्थान बनाने के लिए कहा जाता है)। इस विकार या यादृच्छिकता का माप एन्ट्रापी है, और इसकी परिभाषित विशेषता यह है कि एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी कभी घटती नहीं है। कोई एक उच्च-एन्ट्रापी प्रणाली (एक गर्म पदार्थ की तरह, तापीय ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा के साथ) नहीं ले सकता है और इसे कम एन्ट्रापी अवस्था में परिवर्तित कर सकता है (जैसे कम तापमान वाला पदार्थ, इसी तरह कम ऊर्जा के साथ), उस एंट्रोपी को कहीं और ले जाए बिना जैसे आसपास की हवा की तरह। दूसरे शब्दों में, ऊर्जा को कहीं और फैलाए बिना ऊर्जा को केंद्रित करने का कोई तरीका नहीं है।

किसी दिए गए तापमान पर संतुलन में तापीय ऊर्जा पहले से ही सभी संभावित अवस्था के बीच अधिकतम निवेश संतुलित ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती है क्योंकि यह पूरी तरह से "उपयोगी" रूप में परिवर्तनीय नहीं है, यानी वह जो तापमान को प्रभावित करने से ज्यादा कुछ कर सकता है। ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम कहता है कि एक बंद प्रणाली की एन्ट्रापी कभी कम नहीं हो सकती। इसी कारण से, यदि ब्रह्मांड की एन्ट्रॉपी को तापीय ऊर्जा के गायब होने से जुड़े एंट्रॉपी में कमी की भरपाई करने के लिए और इसकी एन्ट्रापी सामग्री जैस तरीकों से बढ़ाया जाता है तो एक प्रणाली में तापीय ऊर्जा को 100% तक पहुंचने वाली कार्यक्षमता के साथ अन्य प्रकार की ऊर्जा में भी परिवर्तित किया जा सकता है। अन्यथा, उस तापीय ऊर्जा का केवल एक हिस्सा अन्य प्रकार की ऊर्जा (और इस प्रकार उपयोगी कार्य) में परिवर्तित हो सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि शेष गर्मी को कम तापमान पर तापीय जलाशय में स्थानांतरित करने के लिए आरक्षित किया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया के लिए एन्ट्रापी में वृद्धि शेष ऊष्मा के अन्य प्रकार की ऊर्जा में परिवर्तन से जुड़ी एन्ट्रापी में कमी से अधिक है।

ऊर्जा परिवर्तन को और अधिक कुशल बनाने के लिए, तापीय रूपांतरण से बचना वांछनीय है। उदाहरण के लिए, परमाणु रिएक्टरों की कार्यक्षमता, जहां नाभिक की गतिज ऊर्जा को पहले तापीय ऊर्जा और फिर विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, लगभग 35% होती है। गतिज ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में प्रत्यक्ष रूपांतरण द्वारा, मध्यवर्ती तापीय ऊर्जा परिवर्तन को समाप्त करके प्रभावित किया जाता है, ऊर्जा परिवर्तन प्रक्रिया की कार्यक्षमता में नाटकीय रूप से सुधार किया जा सकता है।

ऊर्जा परिवर्तन का इतिहास

समय के साथ ब्रह्मांड में ऊर्जा परिवर्तन समान्यतः विभिन्न प्रकार की ऊर्जा की विशेषता होती है, जो कि महा विस्फोट के बाद से उपलब्ध है, बाद में एक ट्रिगरिंग तंत्र द्वारा जारी की जा रही है (अर्थात, अधिक सक्रिय प्रकार की ऊर्जा जैसे गतिज या उज्ज्वल ऊर्जा में परिवर्तित)

गुरुत्वाकर्षण क्षमता से ऊर्जा की रिहाई

ऊर्जा का प्रत्यक्ष परिवर्तन तब होता है जब बिग बैंग में उत्पादित हाइड्रोजन ग्रहों जैसी संरचनाओं में एकत्रित होती है, इस प्रक्रिया के दौरान गुरुत्वाकर्षण क्षमता का हिस्सा सीधे गर्मी में परिवर्तित हो जाता है। उदाहरण के लिए, बृहस्पति, शनि और नेपच्यून में, ग्रहों के बड़े गैस वायुमंडल के निरंतर पतन से ऐसी गर्मी अधिकांश ग्रहों की मौसम प्रणालियों को चलाती रहती है। वायुमंडलीय बैंड, हवाओं और शक्तिशाली तूफानों से युक्त ये प्रणालियां केवल आंशिक रूप से सूर्य के प्रकाश द्वारा संचालित होती हैं। हालाँकि, अरुण ग्रह पर, यह प्रक्रिया बहुत कम होती है।

पृथ्वी पर, ग्रह के आंतरिक भाग से ऊष्मा उत्पादन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा, कुल का एक तिहाई से आधा होने का अनुमान है, यह ग्रहों की सामग्री के छोटे आकार में धीरे-धीरे ढहने के कारण होता है, जिससे गर्मी पैदा होती हैं।

रेडियोधर्मी क्षमता से ऊर्जा की रिहाई

बिग बैंग से ऊर्जा को बदलने वाली ऐसी अन्य प्रक्रियाओं के परिचित उदाहरणों में परमाणु क्षय समिलित है, जो मूल रूप से यूरेनियम और थोरियम जैसे भारी समस्थानिकों में संग्रहीत ऊर्जा को मुक्त करता है। यह ऊर्जा इन तत्वों के न्यूक्लियोसिंथेसिस के समय संग्रहित थी। यह प्रक्रिया सौर प्रणाली और पृथ्वी जैसे स्टार सिस्टम में समिलित होने से पहले इन भारी तत्वों को बनाने के लिए टाइप II सुपरनोवा के पतन से जारी गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा का उपयोग करती है। अधिकांश प्रकार के रेडियोधर्मी क्षय के दौरान यूरेनियम में बंद ऊर्जा अनायास जारी हो जाती है, और परमाणु विखंडन बमों में अचानक जारी की जा सकती है। दोनों ही स्थितियों में, परमाणु नाभिक को एक साथ बांधने वाली ऊर्जा का एक हिस्सा गर्मी के रूप में जारी किया जाता है।

हाइड्रोजन संलयन क्षमता से ऊर्जा का विमोचन

ब्रह्मांड की शुरुआत से शुरू होने वाले परिवर्तनों की एक समान श्रृंखला में, सूर्य में हाइड्रोजन का परमाणु संलयन संभावित ऊर्जा का एक और भंडार जारी करता है जो बिग बैंग के समय बनाया गया था। उस समय, एक सिद्धांत के अनुसारअंतरिक्ष का विस्तार हुआ और ब्रह्मांड इतनी तेजी से ठंडा हुआ कि हाइड्रोजन पूरी तरह से भारी तत्वों में परिवर्तित नहीं हो सका। इसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन संभावित ऊर्जा के एक भंडार का प्रतिनिधित्व करता है जिसे परमाणु संलयन द्वारा जारी किया जा सकता है। इस तरह की संलयन प्रक्रिया गर्मी और हाइड्रोजन बादलों के गुरुत्वाकर्षण के पतन से उत्पन्न दबाव से शुरू होती है, जब वे तारों का निर्माण करते हैं, और कुछ संलयन ऊर्जा तब स्टारलाईट में परिवर्तित हो जाती है। सौर प्रणाली को ध्यान में रखते हुए, तारों का प्रकाश, सूर्य से अत्यधिक मात्रा में, पृथ्वी से टकराने के बाद फिर से गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा के रूप में संग्रहीत किया जा सकता है। यह हिमस्खलन के स्थिति में होता है, या जब पानी महासागरों से वाष्पित हो जाता है और समुद्र तल से उच्च वर्षा के रूप में जमा हो जाता है (जहां, जलविद्युत बांध पर छोड़े जाने के बाद, इसका उपयोग बिजली उत्पादन के लिए टरबाइन/जेनरेटर चलाने के लिए किया जा सकता है)।

सूर्य का प्रकाश पृथ्वी पर कई मौसम संबंधी घटनाओं को भी संचालित करता है। एक उदाहरण तूफान है, जो तब होता है जब गर्म महासागर के बड़े अस्थिर क्षेत्र, महीनों तक गर्म होते हैं, अपनी कुछ तापीय ऊर्जा अचानक कुछ दिनों के हिंसक वायु आंदोलन को शक्ति देने के लिए छोड़ देते हैं। प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से रासायनिक संभावित ऊर्जा के रूप में पौधों द्वारा सूर्य के प्रकाश को भी ग्रहण किया जाता है, जब कार्बन डाइऑक्साइड और पानी कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और ऑक्सीजन के दहनशील संयोजन में परिवर्तित हो जाते हैं। गर्मी और प्रकाश के रूप में इस ऊर्जा की रिहाई जंगल की आग में अचानक एक चिंगारी से शुरू हो सकती है; या यह जानवरों या मानव चयापचय के लिए अधिक धीमी गति से उपलब्ध हो सकता है जब इन अणुओं को निगला जाता है, और एंजाइम क्रिया द्वारा अपचय को ट्रिगर किया जाता है।

इन सभी परिवर्तन श्रृंखलाओं के माध्यम से, बिग बैंग के समय संग्रहीत संभावित ऊर्जा को बाद में मध्यवर्ती घटनाओं द्वारा जारी किया जाता है, कभी-कभी अधिक सक्रिय ऊर्जा के रूप में रिलीज के बीच लंबी अवधि के लिए कई अलग-अलग तरीकों से संग्रहीत किया जाता है। इन सभी घटनाओं में गर्मी सहित एक प्रकार की ऊर्जा का दूसरे में रूपांतरण समिलित है।

उदाहरण

मशीनों में ऊर्जा रूपांतरण के सेट के उदाहरण

कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्र में ये ऊर्जा परिवर्तन समिलित हैं:

1. कोयले में रासायनिक ऊर्जा दहन की निकास गैसों में तापीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है
2. निकास गैसों की ऊष्मीय ऊर्जा ताप विनिमय के माध्यम से भाप की ऊष्मीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है
3. टरबाइन में भाप की गतिज ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है
4. टर्बाइन की यांत्रिक ऊर्जा को जनरेटर द्वारा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जो कि अंतिम आउटपुट है

ऐसी प्रणाली में, पहले और चौथे चरण अत्यधिक कुशल होते हैं, लेकिन दूसरे और तीसरे चरण कम कुशल होते हैं। सबसे कुशल गैस से चलने वाले विद्युत ऊर्जा स्टेशन 50% रूपांतरण कार्यक्षमता प्राप्त कर सकते हैं। तेल- और कोयले से चलने वाले स्टेशन कम कुशल हैं।

एक पारंपरिक ऑटोमोबाइल में, निम्नलिखित ऊर्जा परिवर्तन होते हैं:

1. ईंधन में रासायनिक ऊर्जा दहन के माध्यम से विस्तारित गैस की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है
2. गैस के विस्तार की गतिज ऊर्जा रैखिक पिस्टन गति में परिवर्तित हो जाती है
3. रैखिक पिस्टन गतिविधि रोटरी क्रैंकशाफ्ट गतिविधि में परिवर्तित हुआ
4. रोटरी क्रैंकशाफ्ट गतिविधि ट्रांसमिशन असेंबली में पारित हुआ
5. रोटरी आंदोलन पारेषण असेंबली से बाहर हो गया
6. रोटरी गतिविधि एक डिफरेंशियल से होकर गुजरा
7. रोटरी मूवमेंट पहियों को चलाने के लिए डिफरेंशियल से निकल गया
8. ड्राइव पहियों की रोटरी गति वाहन की रैखिक गति में परिवर्तित हो जाती है

अन्य ऊर्जा रूपांतरण

लैमाटालावेंटोसा विंड फार्म

कई अलग-अलग मशीनें और ट्रांसड्यूसर हैं जो एक ऊर्जा रूप को दूसरे में परिवर्तित करते हैं। उदाहरणों की एक छोटी सूची इस प्रकार है:

• ताप विद्युत (ताप → विद्युत ऊर्जा)
• भूतापीय शक्ति (ताप → विद्युत ऊर्जा )
• ऊष्मा इंजन, जैसे कारों में प्रयुक्त आंतरिक दहन इंजन, या भाप इंजन (हीट → यांत्रिक ऊर्जा)
• महासागर तापीय ऊर्जा रूपांतरण (ऊष्मा → विद्युत ऊर्जा)
• जलविद्युत बांध (गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा)
• विद्युत जनरेटर (गतिज ऊर्जा या यांत्रिक कार्य → विद्युत ऊर्जा)
• ईंधन कोशिका (रासायनिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा)
• बैटरी (बिजली) (रासायनिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा)
• अग्नि (रासायनिक ऊर्जा → ऊष्मा और प्रकाश)
• विद्युत दीपक (विद्युत ऊर्जा → ऊष्मा और प्रकाश)
• माइक्रोफ़ोन (ध्वनि → विद्युत ऊर्जा)
• तरंग शक्ति (यांत्रिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा)
• [[ पवन ऊर्जा ]] (पवन ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा या यांत्रिक ऊर्जा)
• पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर (तनाव → विद्युत ऊर्जा)
• घर्षण (गतिज ऊर्जा → ऊष्मा)
• बिजली से चलने वाला हीटर (विद्युत ऊर्जा → ऊष्मा)
• प्रकाश संश्लेषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण → रासायनिक ऊर्जा)
• एटीपी हाइड्रोलिसिस (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट में रासायनिक ऊर्जा→ यांत्रिक ऊर्जा )

यह भी देखें

• अराजकता सिद्धांत
• संरक्षण कानून (भौतिकी)
• ऊर्जा का संरक्षण
• संरक्षण का मास
• भूजल ऊर्जा संतुलन
• ऊष्मप्रवैगिकी के नियम
• नोथेर की प्रमेय
• अनिश्चित सिद्धांत
• ऊर्जा की गुणवत्ता
• थर्मोइकॉनॉमिक्स
• ऊर्जा लेखा

आगे की पढाई

• "Energy—Volume 3: Nuclear energy and energy policies". Applied Energy. 5 (4): 321. October 1979. doi:10.1016/0306-2619(79)90027-8.
• Energy Transfer and Transformation | Core knowledge science