توانائی کی تبدیلی - برقی، تھرمل، مکینیکل، روشنی
توانائی کا تصور تمام علوم میں استعمال ہوتا ہے۔ یہ بھی جانا جاتا ہے کہ توانائی کے ادارے کام کر سکتے ہیں۔ توانائی کے تحفظ کا قانون یہ بتاتا ہے کہ توانائی غائب نہیں ہوتی ہے اور کسی چیز سے پیدا نہیں ہوسکتی ہے، لیکن اپنی مختلف شکلوں میں ظاہر ہوتی ہے (مثال کے طور پر، تھرمل، مکینیکل، روشنی، برقی توانائی وغیرہ کی شکل میں)۔
توانائی کی ایک شکل دوسری میں جا سکتی ہے اور ایک ہی وقت میں توانائی کی مختلف اقسام کے قطعی مقداری تناسب کا مشاہدہ کیا جاتا ہے۔ عام طور پر، توانائی کی ایک شکل سے دوسری شکل میں منتقلی کبھی مکمل نہیں ہوتی، کیونکہ ہمیشہ توانائی کی دوسری (زیادہ تر ناپسندیدہ) اقسام ہوتی ہیں۔ مثال کے طور پر، برقی موٹر میں تمام برقی توانائی مکینیکل انرجی میں تبدیل نہیں ہوتی، لیکن اس کا کچھ حصہ تھرمل انرجی میں بدل جاتا ہے (کرنٹ کے ذریعے تاروں کا گرم ہونا، رگڑ قوتوں کے عمل کے نتیجے میں گرم ہونا)۔
ایک قسم کی توانائی کی دوسری قسم کی نامکمل منتقلی کی حقیقت قابلیت کے گتانک (کارکردگی) کی خصوصیت رکھتی ہے۔اس گتانک کو مفید توانائی کے اس کی کل رقم کے تناسب یا کل سے مفید طاقت کے تناسب کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔
برقی توانائی اس کا یہ فائدہ ہے کہ اسے نسبتاً آسانی سے اور طویل فاصلے پر کم نقصان کے ساتھ منتقل کیا جا سکتا ہے اور اس کے علاوہ ایپلی کیشنز کی ایک بہت وسیع رینج ہے۔ برقی توانائی کی تقسیم کا انتظام کرنا نسبتاً آسان ہے اور اسے معلوم مقدار میں ذخیرہ اور ذخیرہ کیا جا سکتا ہے۔
کام کے دن کے دوران، ایک شخص اوسطاً 1000 kJ یا 0.3 kW توانائی استعمال کرتا ہے۔ ایک شخص کو کھانے کی شکل میں تقریباً 8000 kJ اور گھروں، صنعتی احاطے، کھانا پکانے وغیرہ کے لیے 8000 kJ کی ضرورت ہوتی ہے۔ kcal، یا 60 kWh
برقی اور مکینیکل توانائی
برقی توانائی کو برقی موٹروں میں اور کچھ حد تک مکینیکل توانائی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ برقی مقناطیس میں… دونوں صورتوں میں منسلک اثرات برقی مقناطیسی میدان کے ساتھ… توانائی کے نقصانات، یعنی توانائی کا وہ حصہ جو مطلوبہ شکل میں تبدیل نہیں ہوتا، بنیادی طور پر کرنٹ اور رگڑ کے نقصانات سے تاروں کو گرم کرنے کے لیے توانائی کے اخراجات پر مشتمل ہوتا ہے۔
بڑی برقی موٹروں کی کارکردگی 90٪ سے زیادہ ہوتی ہے، جب کہ چھوٹی الیکٹرک موٹروں کی کارکردگی اس سطح سے قدرے نیچے ہوتی ہے۔ اگر، مثال کے طور پر، الیکٹرک موٹر کی طاقت 15 کلو واٹ ہے اور اس کی کارکردگی 90٪ کے برابر ہے، تو اس کی مکینیکل (مفید) طاقت 13.5 کلو واٹ ہے۔ اگر الیکٹرک موٹر کی مکینیکل پاور 15 کلو واٹ کے برابر ہونی چاہیے، تو اسی کارکردگی کی قیمت پر استعمال ہونے والی برقی طاقت 16.67 کلو واٹ ہے۔
برقی توانائی کو مکینیکل انرجی میں تبدیل کرنے کا عمل الٹنے والا ہے، یعنی مکینیکل انرجی کو برقی توانائی میں تبدیل کیا جا سکتا ہے (دیکھیں- برقی مشینوں میں توانائی کی تبدیلی کا عمل)۔ اس مقصد کے لیے وہ بنیادی طور پر استعمال ہوتے ہیں۔ جنریٹرزجو کہ ڈیزائن میں الیکٹرک موٹرز سے ملتے جلتے ہیں اور سٹیم ٹربائنز یا ہائیڈرولک ٹربائنز سے چلائی جا سکتی ہیں۔ ان جنریٹرز میں توانائی کے نقصانات بھی ہوتے ہیں۔
بجلی اور تھرمل توانائی
اگر تار بہہ رہا ہے۔ بجلی، پھر ان کی حرکت میں الیکٹران کنڈکٹر کے مواد کے ایٹموں سے ٹکراتے ہیں اور انہیں زیادہ شدید تھرمل حرکت کا باعث بنتے ہیں۔ اس صورت میں، الیکٹران اپنی کچھ توانائی کھو دیتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں پیدا ہونے والی حرارتی توانائی، ایک طرف، مثال کے طور پر، برقی مشینوں کے پرزوں اور تاروں کے درجہ حرارت میں اضافے کی طرف لے جاتی ہے، اور دوسری طرف ماحول کے درجہ حرارت میں اضافے کا باعث بنتی ہے۔ مفید حرارتی توانائی اور حرارت کے نقصانات کے درمیان فرق کیا جانا چاہیے۔
الیکٹرک ہیٹنگ ڈیوائسز (الیکٹرک بوائلر، آئرن، ہیٹنگ اسٹو وغیرہ) میں اس بات کو یقینی بنانے کی کوشش کی جاتی ہے کہ برقی توانائی کو مکمل طور پر تھرمل انرجی میں تبدیل کیا جائے۔ ایسا نہیں ہے، مثال کے طور پر، پاور لائنوں یا الیکٹرک موٹروں کے معاملے میں، جہاں حرارت سے پیدا ہونے والی توانائی ایک ناپسندیدہ ضمنی اثر ہے اور اس لیے اسے دور کرنے کے لیے اکثر اقدامات کرنا پڑتے ہیں۔
جسم کے درجہ حرارت میں بعد میں اضافے کے نتیجے میں، حرارتی توانائی ماحول میں منتقل ہوتی ہے۔ حرارت کی توانائی کی منتقلی کا عمل شکل میں ہوتا ہے۔ حرارت کی ترسیل، نقل و حمل اور حرارت کی تابکاری… زیادہ تر معاملات میں جاری ہونے والی حرارت کی توانائی کی کل مقدار کا درست مقداری تخمینہ دینا بہت مشکل ہے۔
اگر کسی جسم کو گرم کرنا ہے تو اس کے آخری درجہ حرارت کی قدر مطلوبہ حرارتی درجہ حرارت سے کافی زیادہ ہونی چاہیے۔ ماحول میں ممکنہ حد تک کم گرمی کی توانائی منتقل کرنے کے لیے یہ ضروری ہے۔
اگر، اس کے برعکس، جسم کے درجہ حرارت کو گرم کرنا ناپسندیدہ ہے، تو نظام کے آخری درجہ حرارت کی قدر کم ہونی چاہیے۔ اس مقصد کے لیے، ایسے حالات پیدا کیے جاتے ہیں جو جسم سے حرارت کی توانائی کے اخراج میں سہولت فراہم کرتے ہیں (ماحول کے ساتھ جسم کے رابطے کی بڑی سطح، جبری وینٹیلیشن)۔
بجلی کے تاروں میں موجود تھرمل توانائی ان تاروں میں کرنٹ کی مقدار کو محدود کرتی ہے۔ کنڈکٹر کا زیادہ سے زیادہ قابل اجازت درجہ حرارت اس کی موصلیت کی تھرمل مزاحمت سے طے ہوتا ہے۔ کیوں، کچھ مخصوص کی منتقلی کو یقینی بنانے کے لئے برقی قوت، آپ کو کم سے کم ممکنہ موجودہ قیمت اور اس کے مطابق ہائی وولٹیج کی قیمت کا انتخاب کرنا چاہئے۔ ان حالات کے تحت، تار کے مواد کی قیمت کم ہو جائے گی. اس طرح، اقتصادی طور پر ہائی وولٹیج پر ہائی پاور برقی توانائی کی ترسیل ممکن ہے۔
تھرمل توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کرنا
تھرمل توانائی کو نام نہاد میں براہ راست برقی توانائی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ تھرمو الیکٹرک کنورٹرز… تھرمو الیکٹرک کنورٹر کا تھرموکوپل دو دھاتی کنڈکٹرز پر مشتمل ہوتا ہے جو مختلف مادوں سے بنے ہوتے ہیں (مثلاً کاپر اور کنسٹنٹان) اور ایک سرے پر سولڈرڈ ہوتے ہیں۔
کنکشن پوائنٹ اور دو تاروں کے دوسرے دو سروں کے درمیان درجہ حرارت کے ایک خاص فرق پر، ای ایم ایف، جو پہلے تخمینہ میں درجہ حرارت کے اس فرق کے براہ راست متناسب ہے۔ یہ تھرمو-EMF، چند ملی وولٹ کے برابر، انتہائی حساس وولٹ میٹر کا استعمال کرتے ہوئے ریکارڈ کیا جا سکتا ہے۔ اگر وولٹ میٹر کو ڈگری سیلسیس میں کیلیبریٹ کیا جاتا ہے، تو تھرمو الیکٹرک کنورٹر کے ساتھ مل کر نتیجے میں آنے والے آلے کو براہ راست درجہ حرارت کی پیمائش کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔
تبادلوں کی طاقت کم ہے، لہذا ایسے کنورٹرز کو عملی طور پر برقی توانائی کے ذرائع کے طور پر استعمال نہیں کیا جاتا ہے۔ تھرموکوپل بنانے کے لیے استعمال ہونے والے مواد پر منحصر ہے، یہ مختلف درجہ حرارت کی حدود میں کام کرتا ہے۔ موازنہ کے لیے، مختلف تھرموکوپلز کی کچھ خصوصیات کی نشاندہی کی جا سکتی ہے: ایک تانبے کا کانسٹینٹان تھرموکوپل 600 ° C تک لاگو ہوتا ہے، EMF 100 ° C پر تقریباً 4 mV ہوتا ہے۔ ایک آئرن کنسٹنٹ تھرموکوپل 800 °C تک لاگو ہوتا ہے، EMF 100 °C پر تقریباً 5 mV ہوتا ہے۔
تھرمل انرجی کو برقی توانائی میں تبدیل کرنے کے عملی استعمال کی ایک مثال۔ تھرمو الیکٹرک جنریٹر
بجلی اور ہلکی توانائی
طبیعیات کے لحاظ سے، روشنی ہے برقناطیسی تابکاری، جو برقی مقناطیسی لہروں کے سپیکٹرم کے ایک خاص حصے سے مطابقت رکھتا ہے اور جسے انسانی آنکھ محسوس کر سکتی ہے۔ برقی مقناطیسی لہروں کے طیف میں ریڈیو لہریں، حرارت اور ایکس رے بھی شامل ہیں۔ دیکھو- روشنی کی بنیادی مقدار اور ان کے تناسب
تھرمل تابکاری کے نتیجے میں اور گیس کے اخراج کے ذریعے برقی توانائی کا استعمال کرتے ہوئے روشنی کی تابکاری حاصل کرنا ممکن ہے۔تھرمل (درجہ حرارت) تابکاری ٹھوس یا مائع جسموں کو گرم کرنے کے نتیجے میں ہوتی ہے، جو گرم ہونے کی وجہ سے مختلف طول موج کی برقی مقناطیسی لہریں خارج کرتی ہیں۔ تھرمل تابکاری کی شدت کی تقسیم درجہ حرارت پر منحصر ہے۔
جیسے جیسے درجہ حرارت بڑھتا ہے، زیادہ سے زیادہ تابکاری کی شدت کم طول موج کے ساتھ برقی مقناطیسی دوغلوں کی طرف منتقل ہو جاتی ہے۔ تقریباً 6500 K کے درجہ حرارت پر، زیادہ سے زیادہ تابکاری کی شدت 0.55 μm کی طول موج پر ہوتی ہے، یعنی طول موج پر جو انسانی آنکھ کی زیادہ سے زیادہ حساسیت کے مساوی ہے۔ روشنی کے مقاصد کے لیے، یقیناً کسی ٹھوس جسم کو اتنے درجہ حرارت پر گرم نہیں کیا جا سکتا۔
ٹنگسٹن سب سے زیادہ حرارتی درجہ حرارت کو برداشت کرتا ہے۔ ویکیوم شیشے کی بوتلوں میں، اسے 2100 ° C کے درجہ حرارت پر گرم کیا جا سکتا ہے، اور زیادہ درجہ حرارت پر یہ بخارات بننا شروع ہو جاتی ہے۔ بخارات کے عمل کو کچھ گیسیں (نائٹروجن، کرپٹن) شامل کرکے سست کیا جا سکتا ہے، جس سے حرارتی درجہ حرارت کو 3000 ° C تک بڑھانا ممکن ہو جاتا ہے۔
تاپدیپت لیمپوں میں ہونے والے نقصانات کو کم کرنے کے لیے کنویکشن کے نتیجے میں، تنت کو سنگل یا ڈبل سرپل کی شکل میں بنایا جاتا ہے۔ تاہم ان اقدامات کے باوجود تاپدیپت لیمپ کی چمکیلی کارکردگی 20 lm/W ہے۔جو کہ ابھی تک نظریاتی طور پر قابل حصول حد سے کافی دور ہے۔ حرارتی تابکاری کے ذرائع کی کارکردگی بہت کم ہے، کیونکہ ان کے ساتھ زیادہ تر برقی توانائی روشنی میں نہیں بلکہ حرارتی توانائی میں تبدیل ہوتی ہے۔
گیس سے خارج ہونے والے روشنی کے ذرائع میں، الیکٹران گیس کے ایٹموں یا مالیکیولز سے ٹکراتے ہیں اور اس طرح وہ ایک خاص طول موج کی برقی مقناطیسی لہروں کو خارج کرنے کا سبب بنتے ہیں۔ گیس کا پورا حجم برقی مقناطیسی لہروں کے اخراج کے عمل میں شامل ہوتا ہے اور عام طور پر، ایسی تابکاری کے طیف کی لکیریں ہمیشہ نظر آنے والی روشنی کی حد میں نہیں ہوتیں۔ فی الحال، ایل ای ڈی روشنی کے ذرائع روشنی میں سب سے زیادہ استعمال ہوتے ہیں۔ دیکھو- صنعتی احاطے کے لیے روشنی کے ذرائع کا انتخاب.
روشنی کی توانائی کی برقی توانائی میں منتقلی۔
روشنی کی توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کیا جا سکتا ہے اور یہ منتقلی طبعی نقطہ نظر سے دو مختلف طریقوں سے ممکن ہے۔ یہ توانائی کی تبدیلی فوٹو الیکٹرک اثر (فوٹو الیکٹرک اثر) کا نتیجہ ہو سکتی ہے۔ فوٹو الیکٹرک اثر کو محسوس کرنے کے لیے، فوٹوٹرانسسٹر، فوٹوڈیوڈس اور فوٹو ریزسٹر استعمال کیے جاتے ہیں۔
کچھ کے درمیان انٹرفیس پر سیمی کنڈکٹرز (جرمینیم، سلکان، وغیرہ) اور دھاتیں، ایک باؤنڈری زون بنتا ہے جس میں دو رابطہ کرنے والے مواد کے ایٹم الیکٹران کا تبادلہ کرتے ہیں۔ جب روشنی باؤنڈری زون پر پڑتی ہے تو اس میں برقی توازن بگڑ جاتا ہے، جس کے نتیجے میں ایک EMF ہوتا ہے، جس کے عمل کے تحت بیرونی بند سرکٹ میں برقی رو پیدا ہوتا ہے۔ EMF اور اس وجہ سے کرنٹ کی قدر واقعہ روشنی کے بہاؤ اور تابکاری کی طول موج پر منحصر ہے۔
کچھ سیمی کنڈکٹر مواد فوٹو ریزسٹر کے طور پر استعمال ہوتے ہیں۔فوٹو ریزسٹر پر روشنی کے اثر کے نتیجے میں، اس میں برقی چارجز کے مفت کیریئرز کی تعداد بڑھ جاتی ہے، جو اس کی برقی مزاحمت میں تبدیلی کا باعث بنتی ہے۔ اگر آپ برقی سرکٹ میں فوٹو ریزسٹر کو شامل کرتے ہیں، تو اس سرکٹ میں کرنٹ انحصار کرے گا۔ فوٹو ریزسٹر پر گرنے والی روشنی کی توانائیوں پر۔
بھی دیکھو - شمسی توانائی کو بجلی میں تبدیل کرنے کا عمل
کیمیائی اور برقی توانائی
تیزابوں، اڈوں اور نمکیات (الیکٹرولائٹس) کے آبی محلول کم و بیش برقی کرنٹ چلاتے ہیں، جس کی وجہ مادوں کے برقی انحطاط کا رجحان… محلول میں سے کچھ مالیکیول (اس حصے کا سائز انحطاط کی ڈگری کا تعین کرتا ہے) آئنوں کی شکل میں محلول میں موجود ہوتے ہیں۔
اگر محلول میں دو الیکٹروڈ ہیں جن پر ممکنہ فرق کا اطلاق ہوتا ہے، تو آئنز حرکت کرنا شروع کر دیں گے، مثبت چارج شدہ آئنز (کیشنز) کیتھوڈ کی طرف اور منفی چارج شدہ آئنوں (ایونز) انوڈ کی طرف بڑھیں گے۔
متعلقہ الیکٹروڈ پر پہنچ کر، آئنز اپنے غائب الیکٹران حاصل کر لیتے ہیں یا اس کے برعکس اضافی الیکٹران کو ترک کر دیتے ہیں اور نتیجے کے طور پر برقی طور پر غیر جانبدار ہو جاتے ہیں۔ الیکٹروڈز پر جمع ہونے والے مادّے کا حجم براہ راست ٹرانسفر چارج کے متناسب ہے (فراڈے کا قانون)۔
الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان باؤنڈری زون میں، دھاتوں کی تحلیل لچک اور آسموٹک دباؤ ایک دوسرے کے مخالف ہیں۔ (آسموٹک دباؤ الیکٹرولائٹس سے دھاتی آئنوں کے الیکٹروڈ پر جمع ہونے کا سبب بنتا ہے۔ یہ کیمیائی عمل ہی ممکنہ فرق کے لیے ذمہ دار ہے)۔
برقی توانائی کو کیمیائی توانائی میں تبدیل کرنا
آئنوں کی نقل و حرکت کے نتیجے میں الیکٹروڈز پر کسی مادے کے جمع ہونے کو حاصل کرنے کے لیے، برقی توانائی کو خرچ کرنا ضروری ہے۔ اس عمل کو الیکٹرولیسس کہتے ہیں۔ برقی توانائی کی کیمیائی توانائی میں یہ تبدیلی الیکٹرومیٹالرجی میں دھاتوں (تانبا، ایلومینیم، زنک، وغیرہ) کو کیمیائی طور پر خالص شکل میں حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
الیکٹروپلٹنگ میں، فعال طور پر آکسائڈائزنگ دھاتیں غیر فعال دھاتوں (گلڈنگ، کروم چڑھانا، نکل چڑھانا، وغیرہ) کے ساتھ احاطہ کرتا ہے. الیکٹروفارمنگ میں، تین جہتی نقوش (clichés) مختلف جسموں سے بنتے ہیں، اور اگر ایسا جسم کسی غیر ترسیلی مواد سے بنا ہے، تو تاثر بننے سے پہلے اسے برقی طور پر کنڈکٹیو تہہ سے ڈھانپنا چاہیے۔
کیمیائی توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کرنا
اگر مختلف دھاتوں سے بنے دو الیکٹروڈز کو الیکٹرولائٹ میں کم کیا جائے تو ان دھاتوں کی تحلیل کی لچک میں فرق کی وجہ سے ان کے درمیان ممکنہ فرق پیدا ہوتا ہے۔ اگر آپ برقی توانائی کے رسیور کو جوڑتے ہیں، مثال کے طور پر، ایک ریزسٹر، الیکٹرولائٹ کے باہر الیکٹروڈ کے درمیان، تو نتیجے میں برقی سرکٹ میں کرنٹ بہے گا۔ یہاں یہ ہے کہ وہ کیسے کام کرتے ہیں۔ galvanic خلیات (بنیادی عناصر)
پہلا کاپر زنک گالوانک سیل وولٹا نے ایجاد کیا تھا۔ ان عناصر میں کیمیائی توانائی برقی توانائی میں بدل جاتی ہے۔ galvanic خلیات کے آپریشن میں پولرائزیشن کے رجحان کی وجہ سے رکاوٹ بن سکتی ہے، جو الیکٹروڈز پر کسی مادے کے جمع ہونے کے نتیجے میں ہوتا ہے۔
تمام galvanic خلیات کا یہ نقصان ہے کہ ان میں کیمیائی توانائی ناقابل واپسی طور پر برقی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے، یعنی کہ galvanic خلیات کو دوبارہ چارج نہیں کیا جا سکتا۔ وہ اس خرابی سے خالی ہیں۔ جمع کرنے والے.