Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Непосредственное преобразование химической энергии в работу

В большинстве случаев человек получает необходимые ему виды энергии и работу из энергии, освобождающейся при химических превращениях. Химическая энергия - это солнечная энергия, аккумулированная в форме, доступной для ее использования человеком.

Превращение химической энергии в тепло происходит непосредственно, без каких либо промежуточных процессов. Сжигание различных веществ - это самый древний и простой метод получения тепла из химической энергии.

Значительно сложнее из химической энергии получить работу или электрическую энергию. Известно, что теоретически переход одних видов энергии в другие возможен, однако практически непосредственное превращение химической энергии в работу или электрическую энергию в настоящее время осуществляется только в исключительных случаях. Как правило, освобождающаяся химическая энергия вначале полностью переводится в тепло, которое затем при помощи тепловых двигателей превращается в работу или электрическую энергию. Недостаточное знание механизмов непосредственного превращения химической энергии в работу или электрическую энергию вынуждает нас использовать тепло в качестве посредника.

Включение тепла как посредника между химической и электрической энергиями или работой невыгодно главным образом с двух точек зрения. Во-первых, каждый реальный процесс необратим, поэтому он протекает с рассеянием энергии. Чем больше ступеней, через которые проходит процесс, тем больше мы теряем энергии. Естественно, что в многоступенчатом последовательном процессе (химическая энергия -+ тепло -» работа -> электрическая энергия) рассеяние энергии значительно больше, чем в одноступенчатом превращении (химическая энергия-» электрическая энергия). Во-вторых, в соответствии со вторым началом термодинамики тепло не может быть полностью превращено в работу. Таким образом, если даже допустить возможность обратимого проведения всех процессов, то и тогда включение промежуточного процесса превращения в тепло привело бы к большим" потерям энергии. Вот почему многоступенчатый процесс превращения химической энергии в электрическую невыгоден для нас.

Недостаток наших знаний чрезвычайно дорого обходится мировой экономике. Только глубокое знание законов движения различных видов материи дает возможность надежно и экономично проводить в нужном направлении процессы, необходимые для превращения энергии. Пока нельзя исключить тепло из этого цикла, поскольку нет возможности создавать устройства, в которых химическая энергия надежно и с большим коэффициентом полезного действия превращалась бы в энергию упорядоченного движения молекул (при получении работы), либо в энергию упорядоченного движения электронов (при получении электрической энергии).

Возможности исключения тепла

А можно ли вообще исключить мспользование тепла как посредника?

Возможно ли в принципе непосредственное превращение химической энергии в работу или электрическую энергию?

Термодинамическая теория в состоянии дать однозначный ответ на этот вопрос. Согласно двум началам термодинамики, та часть внутренней энергии, которая освобождается в любом термодинамическом процессе (к их числу относятся и химические процессы), может непосредственно превращаться в работу.

В действительности же, поскольку необратимость неизбежна, получаемая работа существенно меньше. КПД реального процесса всегда ниже. Тем не менее КПД любого непосредственного превращения значительно больше, чем при наличии промежуточной стадии превращения в тепло.

Таким образом, в процессах, используемых для производства энергии, теоретически возможно превращение в работу большей части освобождавшейся энергии. КПД процесса превращения химической энергии непосредственно в работу в большинстве случаев тем выше, чем ниже температура, так как член TdAm/dT в уравнении (1) тем меньше, чем меньше Т. Но при низких температурах скорость процесса невелика.

Итак с точки зрения термодинамики превращение освобождающейся в химических процессах энергии в работу возможно. Но осуществимо ли оно практически в настоящее время? Для некоторых химических процессов в принципе можно сконструировать устройства, в которых химическая энергия непосредственно превращается в работу, однако при современном техническом уровне они оказываются настолько сложными, что практически не могут быть использованы.

Более реальной в настоящее время представляется возможность непосредственного превращения химической энергии в электрическую. Такое превращение осуществляется в гальванических элементах, некоторые из них уже широко применяются на практике (например батарейки для карманного фонаря или аккумуляторы).

Гальванические элементы

Известно, что электрическая энергия может быть почти полностью (за исключением потерь, обусловленных необратимостью) превращена в механическую работу или в другие формы энергии, поэтому можно считать, что гальванические элементы до некоторой степени обеспечивают возможность превращения химической энергии непосредственно в работу.

В гальванических элементах в тепло превращается лишь небольшая часть освобождающейся химической энергии. Основная же часть химической энергии непосредственно переходит в электрическую, что в корне отличается от процессов, протекающих в тепловых машинах, где освобождающаяся химическая энергия предварительно полностью превращается в тепло.

Если пользоваться языком кинетической теории, то эту мысль можно выразить следующим образом. В гальванических элементах химическую энергию (потенциальную и кинетическую энергию упорядоченного движения частиц, соответствующего данной структуре) не нужно вначале полностью превращать в энергию хаотического движения, чтобы потом и лишь ценою огромных потерь хотя бы частично упорядочить движение частиц и, следовательно, получить работу.

Электрическая энергия есть энергия направленного, то есть в основном упорядоченного движения электронов (или ионов), которая теоретически без потерь может быть переведена в работу, обусловленную упорядоченным движением других частиц.