Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Как протекают процессы в природе?

Можно привести множество примеров того, что в естественных условиях процессы и изменения протекают по вполне определенным направлениям: вода в реке течет вниз по долине, а в водопаде падает сверху вниз и, пока находится в воздухе, не растекается горизонтально, тем более не течет вверх; газы расширяются, понижая при этом свое давление; тепло переходит от более нагретых тел к менее нагретым; сильные кислоты взаимодействуя со щелочами, образуют соли и воду, которые самопроизвольно никогда не могут превратиться в кислоту и щелочь; углерод или водород, сгорая в воздухе, образуют соответственно СОг или ШО, которые при комнатной температуре самопроизвольно не разлагаются обратно на кислород и углерод (или водород); электрический ток течет от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом; сахар самопроизвольно растворяется в воде, однако обратно из раствора не выпадает (если мы не будем испарять жидкость) и т.д.

Что же означает этот факт? Не существует ли всеобщий закон природы, позволяющий предсказать, какие изменения будут происходить в данной материальной системе при заданных условиях? Нельзя ли на основании этого закона делать надежные научные прогнозы? Можно ли вообще на основании законов природы предсказывать исход процессов?

Фактор, определяющий направление процесса

Если мы сопоставим разнообразные процессы, самопроизвольно проходящие в природе, то обнаружим у них некоторые общие черты. Так, с давних времен реки и водопады приводят в движение мельничные колеса; ветер вращает крылья ветряных мельниц; электрический ток приводит в движение электромоторы и т.д.

Любой, самопроизвольно происходящий природный процесс можно с помощью соответствующих устройств использовать для получения работы. Спонтанно (самопроизвольно) протекающие процессы не обязательно производят работу - они только таят в себе эту возможность, которая при определенных условиях может быть реализована. Вода, реки, ветер или молния, возникающая вследствие разности электрических потенциалов, в общем не производят никакой полезной работы (их энергия рассеивается в форме тепла), но если вести процесс надлежащим образом, используя турбину, ветряной двигатель или электрический мотор, то полезную работу получить можно. При этом величина производимой работы зависит не только от самого процесса (например от количества воды, протекающей в единицу времени через водопад, или от его высоты), но и от параметров устройств, используемых для превращение энергии в работу. Так, на одной и той же реке старое, вращающееся с большим трением мельничное колесо производит меньше работы, чем современная, даже небольшая гидростанция.

Мы уже видели, что только самопроизвольно протекающий процесс при использовании соответствующих устройств обеспечивает возможность получения работы. Справедливо и обратное утверждение: в определенных условиях самопроизвольно может протекать только такой процесс, который при помощи соответствующего устройства способен давать работу.

На основании этого утверждения можно, например, предсказать, что произойдет, если открыть кран резервуара, расположенного на некоторой высоте. Потечет ли вода вверх, или вниз, или, может быть, растечется горизонтально? Для этого только нужно установить, в каком случае текущая вода сможет произвести работу. Разумеется, что она сможет произвести работу лишь в том случае, когда вода потечет вниз, следовательно, она должна течь вниз. Если при определенных условиях процесс нельзя использовать для получения работы, даже если вести его обратимо, то этот процесс не может идти самопроизвольно. В таком случае мы говорим, что при данных условиях существует равновесие. Если изменятся условия, то равновесие может быть нарушено.

Уравнение Гиббса-Гельмгольца

От каких факторов зависит возможность получения работы при каком-либо процессе? Исходя из каких данных, можно рассчитать максимально возможную работу процесса? Эти проблемы мы будем рассматривать прежде всего применительно к химическим превращениям. В связи с получением работы при химических процессах справедливо поставить вопрос, возможен ли полный перевод в работу внутренней энергии, освобождающейся при химических превращениях.

Вследствие рассеяния энергии при реальных, то есть необратимых процессах только часть освобождающейся внутренней энергии превращается в работу, а остальная рассеивается в виде термической энергии. До некоторой степени возможность более полного превращения освобождающейся энергии в работу зависит от технического совершенства оборудования, предназначенного для получения работы. Возможно ли полное превращение в работу освободившейся в обратимом процессе внутренней энергии?

В соответствии с первым началом термодинамики изменение внутренней энергии системы (Л U), работа (А) и тепло (Q), которым система обменивается с окружающей средой, связаны соотношением

A U = Q + А.   (5)

При уменьшении внутренней энергии A U отрицательно (AU<0), если данная материальная система производит работу, то А отрицательна, и если тепло переходит в окружающую среду, то Q отрицательно.

Однако первое начало термодинамики ничего не говорит о том, какими факторами определяются величины самих слагаемых в формуле (5). Может ли Q равняться нулю? Это означало бы, что освобожденная в химическом процессе энергия полностью перешла в работу. Из первого начала термодинамики невозможно определить, при каких условиях А<0, следовательно, в каком направлении идут процессы.

В какой-то степени ответ на этот вопрос дает второе начало, которое позволяет определить направление перехода термической энергии. Согласно второму началу, часть тепла Q, отобранного в циклическом процессе у тела с абсолютной температурой Тг, превратится в полезную работу только в том случае, если остальная его часть будет отдана телу с температурой Ti.

Следовательно, максимальная работа зависит от температуры. В уравнении (8) dAm выражает увеличение максимальной работы данного процесса при повышении температуры на dT. В простейшем случае dAm/dT - это увеличение максимальной работы при повышении температуры на один градус, другими словами, dAm/dT - температурный коэффициент максимальной работы. Уравнение (8), называемое уравнением Гиббса-Гелъмгольца, объединяет первое и второе начала термодинамики. Оно показывает, что Am, полученная при химической реакции и даже при обратимом ведении процесса не равна высвобождавшейся внутренней энергии dU, так как температурный коэффициент в общем случае не равен нулю, в исключительных случаях этот коэффициент все же может равняться нулю (dAm/dT=0), тогда Аш= Д U, и освобождающаяся в обратимом процессе внутренняя энергия полностью превращается в работу.

Свободная энергия

Температурный коэффициент максимальной работы в большинстве случаев положительный, вследствие этого внешняя работа, совершаемая в каком-либо процессе, несколько меньше освободившейся внутренней энергии. Поэтому даже в обратимом процессе часть энергии самопроизвольно в форме тепла переходит в окружающее пространство. Часть энергии, превращенная в обратимом процессе в работу, называется изменением свободной энергии, а часть, превращенная в тепло, - изменением связанной энергии. Таким образом, изменение свободной энергии (при постоянной температуре) равняется максимальной работе. В описанном примере изменение свободной энергии меньше, чем общее уменьшение энергии (A U). Температурный коэффициент максимальной работы бывает и отрицательным. В этом случае максимальная работа больше, чем уменьшение внутренней энергии: такие химические реакции, если вести их обратимо, превращают в работу не только освобождающуюся внутреннюю энергию (в основном химическую), но и некоторую часть термической энергии окружающей среды.

С учетом полученного соотношения между максимальной работой и внутренней энергией системы мы можем сделать следующее заключение. Процессы протекают самопроизвольно в том направлении, в котором изменение свободной энергии идет в сторону ее уменьшения (система производит внешнюю работу), Это одно из основополагающих определений термодинамики, оно позволяет путем расчетов заранее установить, в каком направлении в заданных условиях пойдет самопроизвольный процесс в системе, состоящей из данных,веществ. Точное предсказание направления процесса позволяет рассчитать максимально возможную при определенных условиях работу.

Температурный коэффициент максимальной работы, как правило, мал. Поэтому изменение свободной энергии (при комнатной температуре) незначительно отличается от общего изменения энергии.