Занимательно об энергетике
Шрифт:
Все эти процессы, изложенные очень упрощенно, идут весьма энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает сильное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, а это и есть пламя.
Обмен электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в неполноценную (в смысле эффективности дальнейших преобразований) тепловую энергию. Все это очень похоже на явление «короткого замыкания», когда электрическая энергия преобразуется
Горение — обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток — тоже движение электронов, только упорядоченное! И вот возникает еретическая мысль: а нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получать электрический ток? Добиться управления движением электронов. Не дозволять электрически заряженным ионам в хаосе столкновений растрачивать свою электрическую энергию, не дать ей превращаться в тепло. Итак, возможно ли «холодное» горение? Организованное и упорядоченное? Оказывается, да
Вспомним опыт Грова. Он сжигал водород (топливо вовсе не обязано быть только углеродом, как и окислитель — кислородом) в кислороде: Этот процесс известен нам еще со школьной скамьи. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом. При поджигании огнем или искрой эта смесь взрывается.
Пока это обычное горение водорода. Продуктом является вода. Химик запишет эту реакцию так:
2Н2 + О2 = 2Н2О + тепло.(1)
Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла. (Химическая энергия превращается в тепловую, и ее можно при желании преобразовать в ток, правда, с существенными потерями.)
Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировалось электричество — электроны (их будем обозначать символом е-)? Можно ли, скажем, обеспечить протекание такого процесса:
2Н2 +4ОН-->4Н2О+4е-. (2)
Да, отвечает наука. Для этого надо свести вместе три фазы: газ водород, источник ионов ОН- — электролит (раствор щелочи в воде) и кусок металла, который и примет образующиеся в реакции (2) электроны. (Процесс (2) и ему подобные, идущие в месте стыка трех фаз, на так называемой «трехфазной границе», изучает особая наука — электрохимия.)
Так получать электроны громоздко, неуклюже? Возможно. Однако, чтобы получить желаемое — электрический ток, схему приходится усложнить еще больше. Ведь чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела металл (в электрохимии его называют «электродом») — электролит — газ необходимо непрерывно подводить ионы и отводить электроны. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь.
Будем ко второму электроду (специально подобранному) подавать кислород или воздух, чтобы там шла реакция
4е- + О2 + 2Н2О->4ОН-.(3)
Очевидно, что в сумме реакции (2) и (3) — это можно легко проверить! — дают реакцию (1). И вроде бы мы вернулись к простому горению.
Включенная во внешнюю цепь «газового элемента Грова» лампа горит! Горение в ней поддерживают электроны, выделяющиеся на одном электроде («водородном», реакция (2): сюда подается водород) и поглощаемые на другом («кислородном», реакция (3).
Но электрохимическое горение замечательно не только тем, что может идти даже при комнатных температурах («холодное» горение). Главное его достоинство, столь важное для технических приложений, в другом: это горение очень эффективно, идет практически без потерь.
Экономная энергетика живого
Замечательный советский электрохимик академик А. Фрумкин, создавший Институт электрохимии Академии наук СССР в Москве, где проблема топливного элемента одна из ведущих, как-то беседовал с журналистами. Обсуждая недостатки традиционной тепловой энергетики, он нарисовал яркий образ:
— Представьте себе мучимого жаждой человека. Он добрался наконец до воды, зачерпнул полный стакан, но... к губам ему удается донести лишь треть!.. А ведь именно в таком положении находится человечество: из наполненного до краев кубка энергии ему удается полезно использовать лишь малую часть. Две трети добытой из-под земли тяжким трудом людей химической энергии топлива пропадает зря...
Не то «холодное» горение, оно выгодно отличается от обычного: лишено ограничений, установленных Карно, здесь КПД может даже превысить 100 процентов!
Секрет прост: энергия черпается из окружающей среды и добавляется к химической энергии сжигаемого топлива. Но это экзотика. Правило же таково, что при «холодном» горении удается почти всю химическую энергию непосредственно превратить в очень удобную для использования энергию электричества. И доказал то впервые немецкий ученый Нернст.
В 1893 году Нернст вывел теоретическую формулу (она носит его имя), определяющую величину электродвижущей силы электрохимического элемента. Внешне она кажется простой, так же, как и формула Карно. Однако простота эта обманчива.
Мы не будем ни приводить, ни обсуждать формулу Нернста. Нам важно другое: те выводы, которые ученый из нее сделал. В том же 1893 году Нернст рассчитал величину электродвижущей силы гальванического элемента и то количество электрической энергии, которое получается при электрохимическом соединении угля с кислородом. Результат был ошеломляющим. Нернст показал, что если бы удалось превратить химическую энергию угля в электричество электрохимическим путем (читай, в топливных элементах!), то максимальный теоретический КПД такого процесса составил бы 99,75 процента!