Жизнь и мечта
Шрифт:
При этом назовут такие процессы, как термоэлектрический способ получения электроэнергии (термопары металлические и термопары полупроводниковые); магнитно-гидродинамический способ преобразования тепловой энергии раскаленных до высокой температуры газов; термоионный и термоэлектронный способы преобразования тепловой энергии в электрическую и т. д.
Действительно, над всеми этими способами сейчас работают, а термопарами мы широко пользуемся в измерительной технике. Но все эти способы, по существу, не являются ответом на поставленный вопрос, они не дают и не могут дать прямого, стопроцентного преобразования
253
Во-первых, все они требуют для своего осуществления высоких температур; во-вторых, они ограничены приведенным соотношением, устанавливающим коэффициент преобразования много ниже единицы. При этих условиях колебательного контура тепло — электричество, электричество — тепло получить нельзя.
Самым идеальным в этом случае было бы отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую проблему современности.
ТАК ЛИ УЖ ДЕРЗКА ЭТА МЕЧТА-ПРОБЛЕМА!
Можно ли отыскать такие примеры? Да, можно. Уже сейчас известно, например, явление люминесценции на границе дырочной и электронной проводимости в полупроводниках с поглощением энергии окружающей среды. Известно явление прямого преобразования тепловой энергии, окружающей среды в энергию движущихся электронов на спае двух разнородных металлов (явление Пельтье и Зеебека). Известно поглощение или выделение тепловой энергии в работающих аккумуляторах и гальванических элементах, на чем я хочу остановиться особо.
От гальванических элементов мы получаем, как известно, электрическую энергию. Но откуда эту энергию черпает сам гальванический элемент?
Всякий на этот вопрос ответит: из химической реакции, которая протекает внутри гальванического элемента во время разряда. Верно ли это? Во всех ли случаях происходит именно так? Оказывается, нет.
Химические реакции, как известно, бывают экзотермические и эндотермические, т. е. с поглощением или с выделением тепла. Если гальванический элемент во время разряда нагревается, то это означает, что энергии его химической реакции достаточно не только для производства электрической работы, но и для выделения тепла во внешнюю среду. Если же гальванический элемент во время разряда охлаждается, то это значит, что энергии его химической реакции недостаточно для производства электрической работы и недостающую часть энергии он поглощает из окружающей среды.
254
В подтверждение этого можно сослаться на конкретные системы гальванических элементов. В элементе Даниэля, например, основанном на реакции «цинк + сернокислая медь + медь + сернокислый цинк», общее количество освободившейся энергии составляет 55 189 калорий на моль[10]. Однако точными измерениями установлено, что в электрическую энергию в нем превращается не вся эта энергия, а только часть ее, а именно — 50435 калорий на грамм-эквивалент превращения.
Спрашивается, куда же девалась остальная часть выделившейся энергии в количестве 4754 кал? Она израсходована на повышение температуры гальванического элемента, т. е. в конечном счете выделилась в окружающее пространство. Опыт вполне подтверждает это. Элемент во время разряда действительно нагревается.
Но есть
Практический опыт наглядно это подтверждает.
Но если все это так и гальванические элементы с эндотермической реакцией действительно способны хотя бы частично забирать от окружающей среды тепло для выработки электрической энергии, то, может быть, можно найти такие системы их, в которых эта доля тепловой энергии, идущей на выработку электрической энергии, значительно больше? Элемент системы Бугарского это вполне подтверждает. В этом элементе химическая реакция идет по схеме «хлористая ртуть + едкий калий + окись ртути + хлористый калий + вода». Общее количество энергии, связанное с этой реакцией, составляет 3280 калорий на моль. Однако значение ее отрицательно, так как реакция полностью эндотермическая.
255
Теоретически было установлено, что приращение э. д. с. для такого элемента составляет +0,000807 вольта на градус. А опытным путем для того же элемента было найдено значение 0,000837 вольта на градус. Таким образом, теоретические и опытные данные почти совпадают.
Элемент Бугарского замечателен тем, что он поглощает из окружающей среды теплоту не только для производства электрической работы, но и для самой химической реакции в нем.
Единственная ли это химическая реакция, дающая возможность непосредственно преобразовывать теплоту окружающей среды в электрическую энергию?
По-видимому, нет.
Данная реакция не вызвала большого интереса у специалистов по гальваническим элементам, возможно, по двум причинам: во-первых, участвующие в этой реакции химические вещества вредны для здоровья; во-вторых, развиваемое таким элементом напряжение очень низко — всего лишь 0,1636 В, по сравнению с другими известными гальваническими элементами он не конкурентоспособен. Однако сейчас нас должна интересовать не эта сторона, а принципиальное значение данной химической реакции как средства преобразования тепловой энергии окружающего пространства в электрическую работу.
Можно полагать, что дальнейшие поиски в этом направлении смогут привести к открытию реакций, практически более удобных в обращении. Можно найти, вероятно, и такие реакции, которые пойдут с одним электролитом, при однородных электродах, но с различной их температурой. Предварительно проведенные опыты эту мысль также подтверждают.
Предстоит, конечно, еще длинный путь поисков практически пригодных способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, но приведенные факты с явлением Гиббса — Гельмгольца в гальванических элементах и в аккумуляторах составляют веху на этом пути. Для некоторых аккумуляторов доля электрической энергии, полученной за счет поглощения тепла от окружающей среды при разряде, составляет около 6%.