Тема 9. Современные способы преобразования энергии

Мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от численности населения. Население Зем­ли растет особенно значительно в последнее время и к 2000 г. составит, по существующим прогнозам, примерно 6 млрд. человек. Динамика роста населения во второй половине XX в. такова, что к 2000 г. население возрас­ло более чем в 2 раза по сравнению с 1950 г. (табл. 3.1). Большая доля в приросте населения приходится на раз­вивающиеся страны. Наряду с увеличением общего по­требления энергии в мире растет также доля энергии, приходящаяся на одного человека (табл. 3.1).

Огромные потребности в энергии ставят перед чело­вечеством проблему разработки новых способов ее получения. В настоящее время уже нельзя довольствоваться существующими, ставшими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электриче­скую из-за ограниченности запасов органического топ­лива, которое расточительно используется при сжигании в топках. КПД современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемой теплоты те­ряется и оказывает пагубное «тепловое загрязнение» на близрасположенные водоемы. Кроме того, при сжигании топлива плохо используется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии. КПД по использова­нию вещества составляет у ТЭС ничтожно малую вели­чину.

Таблица 3.1

Следовательно, процесс сжигания топлива сопро­вождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разработка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам. Это, конечно, не означает, что современнее ТЭС, ГЭС и АЭС не соответ­ствуют духу времени и их строительство будет пре­кращено.

В обозримом будущем ТЭС останутся одними из ос­новных, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.

Большие надежды возлагаются на АЭС, внедрение которых происходит во многих странах мира с невиданными в истории техники темпами. Ожидается, что к 2000 г. суммарная мощность АЭС в мире составит 3500-3600 ГВт, в то время как общая энергетическая мощность достигнет 7000—7200 ГВт. Иными словами, предполагается, что не менее 50% всей располагаемой человечеством энергетической мощности будет приходится на АЭС. Приведенные цифры свидетельствуют о большом темпе развития, в особенности если учесть, что первая АЭС была построена в 1954 г.

По использованию вещества на АЭС КПД значительно выше, чем на ТЭС (см. табл. 2.1), но при условии что это вещество специально подготовлено для выполнения функций ядерного топлива. При этом на АЭС классический термодинамический цикл преобразования теплоты в механическую энергию, которая затем генераторами преобразуется в электрическую, приводит к большим потерям энергии, получаемой в реакторах. Таким образом, на современных АЭС не удается избежать основных принципиальных недостатков, свойственных ТЭС.

Заманчива перспектива науки — получить эффективные способы непосредственного преобразования ядерной энергии в электрическую. Предвидев то огромное значение, которое ядерная энергия призвана сыграть в истории человечества, Герберт Уэллс в начале XX в. писал; «...уже занималась заря мощи и свободы под небом озаренным надеждой, перед ликом науки, которая, подобно благодетельной богине, держала в сильных рукам над кромешным мраком человеческой жизни изобилие, мир, ответ на бесчисленные загадки, ключи к славнейшим деяниям, ожидая, пока люди соблаговолят их взять...».

Широко используемые во многих странах мира ГЭС сооружаемые на реках, и в дальнейшем будут развиваться как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загрязнением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к «чистым» электростанциям, использующим энергию морских приливов, теплоту земных недр, энергию солнечной радиации.

Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться существующие, ставшие классическими, и создаваться новые, более эффективные способы преобразования энергии. В отдаленной перспективе человечество будет распола­гать арсеналом качественно иных источников энергии, и то, чем оно пользуется сегодня, неизбежно отойдет в прошлое, как в настоящее время стали историческими паровые машины.

Несмотря на бурный прогресс в энергетике и высокие темпы наращивания энергетического потенциала плане­ты, производство энергии недостаточно. Все еще прихо­дится считаться с тем реальным фактом, что большая часть населения планеты голодает, страдает от нищеты и загрязнения окружающей среды.

Кроме того, потребление энергии в мире (различных странах) крайне неравномерно, а как показано выше, потребление энергии в стране определенным образом связано с культурным уровнем (см. с. 19) ее населения. Развитие цивилизации и производство материальных ценностей также непосредственно связаны с количест­вом потребляемой энергии и ее качеством.

Для улучшения условий жизни людей на планете, значительного повышения производительности труда, изменения ландшафтов в широких масштабах, а также решения ряда других жизненно важных проблем наря­ду с созданием необходимых социальных условий разви­тия важное значение имеет получение достаточно боль­ших количеств энергии.

Как справедливо пишут американские ученые Г. Сиборг и У. Корлисс, «...дешевая энергия — это значит пи­ща в достатке, обилие пресной воды, чистый воздух и все то, что принято называть признаками цивилизации».

Нехватка в современном мире продуктов сельского хозяйства ставит перед правительствами ряда стран про­блему повышения их производства. В некоторой мере увеличение продуктов питания можно получить за счет использования пригодных для земледелия пустующих земель. Однако эти возможности имеются не во всех нуждающихся в продовольствии странах и, кроме того, они ограничены. В условиях быстрого увеличения чис­ленности населения решение проблемы продуктов пита­ния возможно только путем интенсификации сельского хозяйства и в первую очередь орошения земли. Запасы пресной воды, пригодной для целей орошения, невелики. Издавна люди мечтали использовать для нужд сель­ского хозяйства морскую воду, омывающую берега. Опреснение морской воды в промышленных масштабах становится возможным в настоящее время, когда с помо­щью наиболее пригодных для этого АЭС стало доступ­ным получение в больших количествах теплоты, необхо­димой для дистилляции морской воды.

По существующим подсчетам 1/3 Земли из-за отсут­ствия влаги не заселена, в то время как 1/2 населения земного шара «теснится» на 1/10 суши. С помощью дешевых источников энергии можно было бы незаселен­ную территорию Земли превратить в процветающую, открывающую широкие горизонты для значительной час­ти населения планеты.

Огромные количества энергии потребуются человече­ству также для решения таких задач, как изменение климата на обширных пространствах путем изменения направления морских течений или сооружения водоемов с большой поверхностью испарения, преобразование ландшафта, строительство искусственных морских зали­вов и т. п.

Применяемые в современной энергетике способы получения электрической энергии сопровождаются боль­шими потерями и основаны на расточительном использо­вании органического топлива. В будущем, по мере воз­растания потребности в больших количествах дешевой энергии и более рационального использования природ­ного сырья для производства продуктов химической, фармацевтической промышленности и т. п., неизбежно на смену ставшим традиционными способам преобразо­вания энергии придут качественно новые способы, в первую очередь способы непосредственного преобразо­вания теплоты и химической энергии в электрическую.

Способы непосредственного преобразования различ­ных видов энергии в электрическую основываются на физических явлениях и эффектах, открытых в прошлом. Их практическое применение совершенствуется по мере прогресса в науке и технике, накопления богатого экспе­риментального материала и использования новейшей технологии. Однако способы непосредственного получе­ния электрической энергии пока не конкурентоспособны со способами преобразования энергии, применяемыми на современных электрических станциях. Непосредственное получение в больших количествах электроэнергии преоб­разованием теплоты, химической и ядерной энергии относится к новым, перспективным способам, которые не­сомненно станут основными и значительно увеличат доступные энергетические ресурсы планеты.

Непосредственное получение электрической энергии уже широко используется в автономных источниках энер­гии небольшой мощности, для которых показатели эко­номичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшая масса и т. д. Такие источники энергии применяются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном про­странстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п. Суммарная установленная мощность миллиардов автономных источников электроэнергии, несмотря на их скромные размеры, превосходит мощность всех стацио­нарных электростанций, вместе взятых.

Работа автономных источников, непосредственно преобразующих различные виды энергии в электриче­скую, основана либо на химических, либо на физических эффектах. В химических источниках, например, таких, как гальванические элементы, аккумуляторы, электро­химические генераторы и т. п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. Физические источники электроэнергии, такие, как термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные генераторы, работают в со­ответствии с различными физическими эффектами.

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода пре­образования энергии в широких промышленных масшта­бах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффек­тивность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значе­ние имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газо - образным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостям ми или газами, называется магнитогидродинамикой.

Еще Кельвин показал, что движение в устье река соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появ­ление ЭДС. Схема такого МГД-генератора Кельвина по­казана на рис. 3.1. В соответствии с законом электромагнитной индукции сила тока в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля! Земли и скорости течения соленой морской воды в реке.1 При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в проводниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД-1 генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами! внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и про­исходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температу­ры (~3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование теп­ловой энергии в электрическую.

Рис. 3.3. Принципиальная схе­ма МГД-генератора с пароси­ловой установкой: ' — камера сгорания; 2 — теплооб­менник; 3 — МГД-генератор; 4 — об­мотка электромагнита; 5 — паро­генератор; 6 — турбина; 7 — гене­ратор; 3 — конденсатор; 9 — насос

Принципиальная схема МГД-генератора с пароси­ловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгора­ния сжигается органическое топливо, получаемые при этомпродукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-генератора. Сильное магнит­ное поле создается мощными электромагнитами. Темпера­тура газа в канале генерато­ра должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500—2800°С. Необходи­мость ограничения мини­мальной температуры газов, покидающих МГД-генерато-ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практиче­ски исчезает магнитогидро-дннамическое взаимодейст­вие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вна­чале используется для подо­грева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его пара­метров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температу­рах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в по­лучении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъяв­ляют высокие требования, так как они должны длитель­но работать в агрессивных средах при высоких темпера­турах (2500—2800°С). Для нужд ракетной техники соз­даны материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время — в течение минут. Продолжительность работы промыш­ленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электриче­ской лампе при температуре 2500—2700°С может рабо­тать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкци­онных материалов. В настоящее время созданы материа­лы, которые могут работать длительно при температуре 2200—2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ве­дутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-гекератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно цирку­лирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить про­пусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможно­сти наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие мате­риалы.

МГД-генераторы с ядерными реакторами. Перспективны МГД-генераторы с ядерными реак­торами, используемыми для нагреваний газов и их тер­мической ионизации. Предполагаемая схема такой уста­новки показана на рис. 3.5.

Трудности создания МГД-ген ер а тор а с ядерным ре­актором состоят в том, что современные тепловыделя­ющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью магния, допускают темпе­ратуру, не намного пре­вышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима темпе­ратура, равная примерно 2000°С.

Первые опытные кон­струкции МГД-генерато-ров имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать сущест­венного снижения их стои­мости, что позволит ус­пешно использовать МГД-генераторы для покрытия пи­ков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относи­тельно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

В настоящее время в СССР сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершен­ствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычны­ми электростанциями.

Рис. 3.5. Проект МГД-генератора с ядерным реактором:

1 — ядерный реактор; 2 — сопло; 3 — МГД-генератор; 4 — место кон­денсации щелочных металлов; 5 — насос; 6 — место ввода щелочных металлов

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.

Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движу­щиеся части; 2) нет необходимости в высоких давлениях; 3) могут использоваться любые источники теплоты;

4) имеется большой ресурс работы.

В качестве источников энергии ТЭГ широко используют на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментам, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность открытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

Эффект Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повышением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего — избыток положительных. Поток этот более интенсивен в проводниках с большой концентрацией электронов. В простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы.

Одно из практических применений ТЭГов — тепловой насос в одной части выделяющий, а в другой — поглоща­ющий теплоту за счет электрической энергии. Если из­менить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т. е. части, в которых проис­ходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами. Такие тепловые насосы могут успешно приме­няться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаж­дают его на улице (рис. 3.6, а), а летом, наоборот, охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице (рис. 3.6,б). На рис. 3.6, в показаны общий вид и схема установки теплового насоса в помещении.

В настоящее время созданы полупроводники, работа­ющие при температуре более 500°С. Однако для про­мышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100°С. При таком повышении тем­пературы полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводни­ки, у которых числа носителей положительных и отрица­тельных зарядов равны. Эти заряды при создании гра­диента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накап­ливание потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тя­желых элементов. Однако в этом случае требуется ре­шить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводнико­вые материалы, так как ядерное горючее может нахо­диться в непосредственном контакте с полупроводнико­выми материалами.

Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех слу­чаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компакт­ность, надежность, портативность, удобства.

В СССР создан надежный промышленный ТЭГ на ядерном горючем — «Ромашка». Электрическая мощ­ность его равна 500 Вт.

Естественный радиоактивный распад ядер сопровож­дается выделением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружаю­щей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электриче­ской энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенератора­ми. Радиоизотопные термогенераторы надежны в рабо­те, обладают большим сроком службы, компактны и успешно используются в качестве автономных источни­ков энергии для различных установок космического и наземного назначений.

Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД, равный 3—5%, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих ге­нераторов в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт.

К радиоизотопным термогенераторам проявляют ин­терес различные отрасли науки и техники. Их предпола­гается использовать в виде источника энергии искусст­венного сердца человека, а также для стимулирования работы различных органов в живых организмах. Осо­бенно пригодными оказались радиоизотопные термогене­раторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, способные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздей­ствия ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электри­ческой лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и вклю­чал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к хо­лодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити — катода — и движутся к холодной нити — ано­ду — и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней элек­трической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода бы­ли одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теп­лоты в электрическую энергию. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в элeктpичeскую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразователя энергии показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Устройст­во термоэмиссионного преобразователя

энергии: 1 — катод; 2 — анод

В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных электронов — около 6×10²¹ в 1 см³. Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 3.8). Непосредственно у по­верхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пре­делы металла электрону нужно обладать достаточной кинетической энергией. Увеличение кинетической энер­гии происходит при нагревании металла.

Рис. 3.8. Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, по­лучаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерно­го термоэмиссионного преобразователя приведена на рис. 3.9. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40%.

Испускание электронов в термоэмиссионных генера­торах вызывается нагреванием катода. При радиоактив­ном распаде электроны (р-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно ис­пользуя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рис. 3.10).

Рис. 3.9. Ядерный термоэмиссионныйпреобразователь: 1 — защита; 2 — охладитель; 3 —анод; 4—вакуум; 5 — катод; б —ядерное горючее

Рис. 3.10. Схема установки прямого преобразования ядерной энергии в электрическую: 1- β -радиоактивный излучатель; 2 — металлическая ампула; 3 — металлический сосуд

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO₄). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис. 3.11). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.

Наряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при дости­жении ими электрода в результате тепло­вого движения.

По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрица­тельный потенциал электрода, препятст­вующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступает динами­ческое равновесие, т. е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) будут одинаковы. Этот равно­весный потенциал называется электро­химическим потенциалом металла отно­сительно данного электролита.

Важное техническое приложение галь­ванические элементы нашли в аккумуля­торах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накаплива­ется на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике за­труднено вследствие малого запаса активного химиче­ского горючего, не позволяющего получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощ­ность.

Большое внимание во многих странах мира уделяет­ся непосредственному преобразованию химической энер­гии органического топлива в электрическую, осуществ­ляемому в топливных элементах. В этих преобразовате­лях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химикНернст вычислил, что теоретический КПД эле­ктрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

Рис. 3.11. Рас­положение электрических зарядов, спо­собствующих переходу поло­жительных ио­нов цинка в раствор серно­кислого цинка

На рис. 3.12 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицатель­ный потенциал и во внешней цепи перемещаются к като­ду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоеди­няют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из во­ды атомы водорода, перехо­дят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с иона­ми водорода, образуют во­ду. Таким образом, при под­воде водорода и кислорода происходит реакция окисле­ния горючего ионами с одно­временным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последо­вательно соединяют в бата­реи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретиче­ски он близок к единице а практически он равен 60— 80%.

Использование водорода в качестве топлива сопря­жено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности приме­нения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удов­летворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800—1200 К, что исключает применение в качестве электролитов во­дяных растворов щелочи. В этом случае можно исполь­зовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

В настоящее время широко ведутся работы над соз­данием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элемен­тов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивные усовершенствования топлив­ных элементов в недалеком будущем сделают возмож­ным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономич­ны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.

Рис. 3.12. Схема водородно-кислородного топливного эле­мента:

1 — корпус; 2— катод; 3 — электро­лит; 4 — анод