Преобразование химической энергии в электрическую
Импульсные МГД-преобразователи химической энергии в электрическую
Асиновский Э.И., Зейгарник В.А., Лебедев Е.Ф., Шейндлин А.Е., Фортов В.Е.
В книге описана физика и техника магнитогидродинамического преобразования химической энергии взрывчатых веществ и порохов в мощные импульсы электрической энергии. Рассмотрены три типа преобразователей: взрывной МГД-генератор, взрывомагнитный генератор, импульсный МГД-генератор с квазистационарным потоком продуктов сгорания порохов. Обсуждены физические проблемы, определяющие эффективность преобразования энергии. Указаны области оптимального использования этих генераторов. В книге представлены результаты оригинальных исследований и разработок, выполненных авторами в течение 20 лет. Для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов, специалистов в области электро- и плазмофизики, методов прямого преобразования энергии.
Использование материалов ЭБ РФФИ
Воспроизведение материалов из ЭБ в любой форме требует письменного разрешения РФФИ. Пользователи вправе в индивидуальном порядке использовать материалы, находящиеся на сайте РФФИ, для некоммерческого использования.
Пользователь обязуется не осуществлять (и не пытаться получить) доступ к каким-либо материалам ЭБ иным способом, кроме как через интерфейс Сайта.
Пользователь обязуется не воспроизводить, не дублировать, не копировать, не продавать, не осуществлять торговые операции и не перепродавать материалы ЭБ для каких-либо целей.
Другие произведения авторов:
| № | Название | Автор | Рубрика | Номер гранта | Текст |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Термодинамика адиабатического и ударно-волнового воздействия на вещество | Фортов В.Е. | физика и астрономия | 19-12-00003 |  |
| 2 | Мощные ударные волны на Земле и в космосе | Фортов В.Е. | физика и астрономия | 18-12-00014 | |
| 3 | Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Справочные приложения, базы и банки данных. Тематический том IХ-34. Плазменная аэродинамика | Фортов В.Е., Битюрин В.А. | фундаментальные основы инженерных наук | 14-08-07003 | |
| 4 | Физика пылевой плазмы. От экспериментов на Международной космической станции к новым технологиям на Земле | Фортов В.Е. и др. | физика и астрономия | 14-02-07014 | |
| 5 | Импульсная электроника. Ч. 2 : Высокоэнергетичная импульсная электроника | Лебедев Е.Ф. и др. | инженерные и технические науки | 13-08-07005 | |
Другие произведения в разделе:
| № | Название | Автор | Рубрика | Номер гранта | Текст |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | А. И. Ларкин. Собрание трудов. Том 2 | Ларкин А.И. | физика и астрономия | 09-02-07039-д | |
| 2 | АТОМ-М : Алгоритмы и программы для исследования атомных и молекулярных процессов | Амусья М.Я. и др. | физика и астрономия | 16-12-00041 | |
| 3 | Адаптивная коррекция атмосферных искажений оптических изображений на основе искусственного опорного источника | Больбасова Л.А., Лукин В.П. | физика и астрономия | 11-08-07003-д | |
| 4 | Адаптивные методы обработки спекл-модулированных оптических полей | Кульчин Ю.Н. и др. | физика и астрономия | 09-02-07016 | |
| 5 | Адсорбция, адсорбенты и адсорбционные процессы в нанопористых материалах | нет данных | физика и астрономия, химия и науки о материалах | 11-03-07023 | |
- Книги, изданные при поддержке РФФИ
- Вестник РФФИ, издание на русском языке
- Вестник РФФИ, издание на английском языке
- Вестник РФФИ. Гуманитарные и общественные науки
- Научно-популярные статьи и фотоматериалы
- Аннотированные отчеты по проектам РФФИ
© 1992–2020, Российский фонд фундаментальных исследований
Россия, 119334, Москва, Ленинский проспект, 32а, 20-21 этаж
Телефон для справок: +7 (499) 941-01-15
Преобразование химической энергии в электрическую
Энергия солнца. Солнечные батареи и солнечные коллекторы
Солнечное излучение — один из наиболее перспективных источников энергии будущего. В ясную погоду на 1м² земной поверхности в среднем падает 1000 Ватт световой энергии солнца. Солнечная энергия поступает на Землю неравномерно: в одной местности солнце светит 320-350 дней в году, в другой солнечные дни — редкость. Исходя из этого, прежде чем ставить солнечные батареи с целью выработки электричества, необходимо рассчитать эффективность применения данного метода в конкретных климатических условиях.
Преобразование солнечной энергии осуществляется двумя способами:
- фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую);
- фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем, при необходимости, в электрическую).
По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии (EPIA) в 2011 г. в мире подключено около 28 ГВт новых солнечных станций, их суммарная установленная мощность составила 67,4 ГВт.
На сегодняшний день солнечный кВТ·ч дороже традиционного. Однако планируется, что уже в 2012 г. в некоторых районах мира будет достигнуто равенство стоимости «солнечного» и «традиционного» киловатта. Доля «солнечного» электричества в общей выработке электроэнергии в России к 2020 г. составит 4-7%, а в Европе — 12%.
Принцип действия солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) состоит в прямом преобразовании солнечного света в постоянный электрический ток. Энергия может использоваться как напрямую, так и запасаться в аккумуляторных батареях. Если требуется получить 220 В переменного тока, нужно использовать преобразователи — инверторы.
- экологичность
- простота в обслуживании
- автономность работы
- бесшумность работы (достигается отсутствием движущихся частей)
- значительный срок службы
Солнечные батареи сохраняют работоспособность при:
- диапазоне температур от –50 до +75 °С
- атмосферном давлении 84-106,7 кПа;
- относительной влажности до 100%;
- интенсивности дождя до 5мм/мин;
- снеговой, ветровой нагрузке до 2000 Па.
Типы фотоэлектрических преобразователей
Автономные фотоэлектрические преобразователи предназначены для автономного энергоснабжения объекта — объектов, удаленных от основных линий электропередачи (в труднодоступных местах, куда затруднена или экономически невыгодна прокладка линий). Их мощность колеблется в пределах 0,01-100 кВт.
Фотоэлектрические станции, подключенные к электрическим сетям, отдают выработанную энергию в сеть, откуда она распределяется потребителям. Такие системы, установленные в городе, могут обеспечивать электричеством здание и компенсировать энергодефицит при пиковом энергопотреблении в полуденное время. Их мощность достигает нескольких МВт.
Резервные фотоэлектрические преобразователи подключается к сетям централизованного электроснабжения и в случае отключения электроэнергии.
Солнечный коллектор
Солнечный коллектор – установка, использующая энергию солнечной радиации для нужд отопления и горячего водоснабжения. Различают несколько типов солнечных коллекторов: плоские, с концентраторами, промышленные, вакуумные и комбинированные. Для использования солнечного коллектора в условиях отрицательных температур перспективным является вакуумный коллектор, имеющий высокий КПД.
Поглощает радиацию в солнечном коллекторе специальная поверхность, соединенная с медными трубками, по которым циркулирует теплоноситель. Теплоноситель, проходя по всей площади коллектора, нагревается и попадает в резервуар, где отдает тепло через теплообменник в бак — аккумулятор тепла. Коллекторы и трубопроводы имеют хорошую теплоизоляцию, уменьшающие потери энергии. Вся эта конструкция находится в стеклянных вакуумированных трубках. Стекло обладает высокой степенью химической стойкости, теплостойкости и ударной прочности. В кольцеобразном пространстве между внутренней и наружной трубами создается вакуум для эффективного уменьшения потери тепла. Такие трубки функционируют в пасмурную погоду и при отрицательной температуре, они преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Благодаря этому коллектор сохраняет до 95% тепловой энергии.
Солнечный коллектор позволяет поддерживать положительную температуру в здании зимой и удовлетворять потребности в горячей воде летом, а кроме того экономить электроэнергию. Однако минимальная мощность гелиосистемы должна быть не ниже 100 Вт/м2. В зависимости от солнечной радиации и температуры окружающей среды КПД солнечного коллектора может быть от 20 до 65%. При ярком солнце — до 650 Вт/м2, а в пасмурную погоду – порядка 10 Вт/м2.
Применение такой системы поможет сократить затраты на отопление на 30%, на горячее водоснабжение – на 70%. В климатических условиях средней полосы России солнечные водонагревательные установки могут эффективно использоваться в течение 6-7 месяцев в году (с марта по сентябрь) — в частных домах, мини-отелях, на базах отдыха, а также как резервный источник горячей воды в больницах, детских садах, на автомойках, АЗС и т.д. В летнее время солнечная установка из 2-3 м2 солнечных коллекторов будет обеспечивать ежедневный нагрев 100 л воды до температуры не менее 45 0С с вероятностью 70-80%.
В Белгородской области среднегодовая продолжительность солнечного сияния составляет 2300 часов в год. Использование солнечной энергетики в регионе целесообразно в сочетании с другими способами получения энергии.
Преобразование химической энергии в электрическую
Современная тепловая электроэнергетика базируется на так называемых электромеханических способах преобразования энергии — в них тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в механическую энергию вращения, которая в электрогенераторе превращается в электрическую. Альтернативой электромеханическим преобразователям (ЭМП) являются относящиеся к способам прямого преобразования энергии топливные элементы (ТЭ) — электрохимические устройства, использующие водород, моноксид углерода либо углеводородные топлива — газообразные и жидкие, а также кислород воздуха для выработки электрической энергии. Процесс производства электроэнергии в топливных элементах значительно более эффективен, чем в ЭМП сопоставимой мощности. Кроме того, в ТЭ нет движущихся частей и минимизирована роль сжигания топлива, что делает процесс бесшумным и экологически чистым.
На сегодняшний день не известна более эффективная технология преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию, чем твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Энергетические установки на ТОТЭ обладают рядом важных преимуществ. КПД таких систем по электрической энергии достигает 60%, а при использовании гибридных систем с газовыми турбинами, позволяющими использовать энергию выходящих газов, – до 70%. Когенерация электрической и тепловой мощности (например, для отопления помещений) позволяет повысить суммарный КПД до 90%. Отсутствие движущихся частей позволяет энергетическим системам демонстрировать общее время работы до замены батарей на уровне 30-40 тысяч часов (3-5 лет), а межсервисный интервал превышает 10 тысяч часов (более года).
В ИФТТ РАН с 2003 года проводятся систематические комплексные научно-исследовательские и опытно конструкторские работы целями которых являлось:
Разработка лабораторной масштабируемой технологии создания ТОТЭ планарной конструкции.
Разработка, изготовление и испытания единичных ТОТЭ планарной геометрии размером 100х100 мм с удельной мощностью не менее 250 мВт/см 2 .
Вариантная проработка конструкции экспериментальной модели батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм 2 мощностью 500 Вт.
Разработка эскизной конструкторской документации на батарею из ТОТЭ размером 100х100 мм 2 мощностью 500 Вт.
Изготовление и испытания батарей ТОТЭ мощностью 500 Вт;
Научный и технологический задел в области разработки и изготовления единичных ТОТЭ планарной геометрии.
Научно-технологический задел:
определены оптимальные составы ионных проводников для изготовления мембраны анионного проводника;
разработана и запатентована трехслойная конструкция мембран анионного проводника, позволяющая получать гибкие механически прочные мембраны с высокой анионной проводимостью;
разработана конструкция многослойных электродов с градиентным составом и микроструктурой: трехслойный катод и четырехслойный анод;
оптимизирован температурный режим формирования многослойных электродов за один высокотемпературный отжиг.
Технологический путь изготовления МЭБ (уровень мембран и мембранно-электродных блоков:
Уровень батарей ТОТЭ
Биполярные токовые коллекторы с защитным покрытием:
Преобразование химической энергии в электрическую
Для того чтобы выработать электричество из нескольких тонн угля на ТЭС установлено специальное оборудование – это вагонно-опрокидывающее устройство, дробилки, котлы, подземный распределитель, и самое основное устройство – турбоагрегат, состоящий из турбин и генератора электрической энергии.
Пар из котла подаётся в турбину, там энергия пара превращается в механическую энергию работы лопаток ротора турбины, который жёстко соединён с валом электрогенератора, где и превращается в электричество.
Сам электрогенератор состоит из ротора и статора. [1, с.374-375]
Электрогенераторы производят электрический ток при помощи электромагнитной индукции.
Преобразование химической энергии в электрическую в домашних условиях
- 1 плод грейпфрута
- 2 цинковых пластины
- 2 медных пластины
- 3 соединительных провода
- 1 часы с жк-экраном.
Соорудив простое подобие гальванического элемента с фруктом, я получила экологически чистую работающую батарейку! Заряда батарейки во время опыта хватило более, чем на сутки.
Сок грейпфрута содержит в себе растворенные соли и кислоты, которые являются по сути естественным электролитом. Соли и кислоты (электролит) так же используются при выработке электричества в гальваническом элементе. Внутри фруктов и овощей, из-за окисления, с погруженного анода (оцинкованный контакт) будут утекать электроны. А притягиваться они будут к другому контакту — медному.
Электричество вырабатывается именно благодаря химическим процессам между тремя элементами: цинк, медь, кислота.
Если попробовать в корпус батарейки вместо её наполнения поместить варёный картофель (так как из сырого картофеля вырабатывается меньше электричества), то получится экологически чистая батарейка, от которой с лёгкостью будет работать радиоприёмник, фонарик или наручные часы.
Вместо картофеля можно использовать грейпфрут, яблоко, лимон, луковицу, картофель и многие другие фрукты или овощи.
Правила техники безопасности при работе с электрическим током
- Запрещено касаться оголенных проводов, по которым идет электрический ток.
- Запрещено проверять наличие электрического тока в приборах или проводах пальцами. Чтобы не повредить изоляции, и чтобы не было коротких замыканий (вспышек пламени), нельзя защемлять провода дверями, оконными рамами, закреплять провода на гвоздях. Нужно следить за тем, чтобы электрические провода не соприкасались с батареями отопления, трубами водопровода, с телефонными и радиотрансляционными проводами.
- Опасно включать и выключать электрические лампочки, бытовые приборы мокрыми руками
- Проводить замену перегоревших лампочек нужно при отключенном выключателе.
- Включать и выключать любой электробытовой прибор нужно одной рукой, желательно правой, не касаясь при этом водопроводных, газовых и отопительных труб.
Заключение
Благодаря электричеству, вырабатываемому на электростанциях жизнь людей, стала на много комфортнее и удобней. Электричество окружает нас повсюду.
Большинство приборов и устройств, изобретенных человечеством за последние сто лет, работают от электрической энергии. Электричество стало синонимом прогресса — без него никогда бы не появились ярко освещенные улицы городов, компьютеры, стиральные машины и даже карманные фонарики. А если знать правила техники безопасности и соблюдать их, то электричество будет приносить людям одну только пользу.
Альтернативным способом выработки электричества является выработка электричества из овощей и фруктов. Любой современный Робинзон, вооружённый знаниями по Электрохимии, оказавшись на необитаемом острове, не откажет себе в удовольствии пользоваться смартфоном или плеером, добыв электричество из овощей и фруктов.
Комплект лабораторного оборудования «Преобразование энергии 1» (48550)
Авторизованный дилер Cornelsen Experimenta GmbH
Получить тех. задание
Профессиональный монтаж оборудования
Официальная гарантия производителя
Наша фирма занимается разработкой и внедрением строительных проектов. Для удобства и улучшения качества работы приобрели интерактивную доску Yesvision BW88 и мультимедийный проектор. Будем продолжать сотрудничать с nera-msc.ru.
Капустин Павел
5 июля, Санкт-Петербург
Доставку заказал на удобное для меня время. Товар на картинке соответствует доставленному заказу. Покупкой доволен.
Быков Алексей
18 октября, Москва
Покупал здесь фендер 375 для репетиций в гараже, звук супер. Репетируем три раза в неделю, ни каких проблем не возникло. Профи консультант на телефоне, подробно ответил на все вопросы, всем советую этот магазин.
Курбатов Виктор
8 октября, Балашиха
Проектор приехал через 3 дня в Коломну. Работает без нареканий, гарантийный талон + все необходимые документы присутствуют. Советую этот магазин, если хотите купить быстро и без лишних проблем.
Носов Алексей
13 октября, Коломна
От магазина остались только благоприятные впечатления. Документы, гарантийный талон и сам товар, все в норме. Ставлю пять.
Казаков Валерий
27 мая, Дедовск
Заказали интерактивный комплект на этом сайте. Привезли быстро,включая все необходимые документы и гарантии. Оборудование качественное, все работает на пять с плюсом.
semen515156
23 мая, Тула
Покупал проектор BenQ W1070+ для домашнего кинотеатра. Заказ доставили в обговоренные сроки, гарантийник и документы все в норме. Хороший, честный магазин.
Ушаков Роман
5 октября, Москва
Заказали недавно ребенку набор Лего Ev3. Сделали скидку и конструктор доставили быстро, на следующий день после заказа.
Расулова Анна
27 мая, Клин
Покупал в этом магазине 3d принтер Picaso Designer. Заказал с доставкой на дом) на оформление заказа ушло минут 10, оплатил сразу же. Через два дня приехал ко мне принтер, все новое, ни каких проблем.
Бабинович Артур
8 апреля, Москва
Недавно приобрели магнитно-маркерную доску Magnetoplan. Товаром остались довольны. Спасибо за быструю доставку!)
Anechka Yaganova
6 августа, Знамя Октября
- Описание
- Доставка и оплата
Комплект лабораторного оборудования для выполнения экспериментов по изучению процессов преобразования механической энергии, энергии воды, энергии ветра, солнечной энергии, энергии электрического тока, энергии химических реакций.
В коробке содержатся материалы, позволяющие провести 26 экспериментов.
Тематика лабораторных работ:
- преобразование энергии потока в механическую и электрическую энергию;
- преобразование тепловой энергии в электрическую и механическую энергию;
- преобразование электрической энергии в тепловую энергию, в энергию потока, в химическую энергию;
- измерение теплопроводности;
- преобразование механической энергии в электрическую энергию;
- использование солнечной энергии;
- преобразование энергии света в электрическую энергию;
- охлаждение путем теплового излучения;
- преобразование химической энергии в механическую и электрическую энергию;
- аккумулирование энергии.
Состав набора:
- рельсовый профиль с деталями штатива;
- микромотор и электромотор;
- крыльчатка, гребное колесо;
- солнечный модуль;
- элемент Пельтье;
- электролизер, электроды;
- сменные элементы: светодиод, сопротивление, лампа;
- аккумулятор;
- аксессуары.
Технические характеристики
Учебная дисциплина Физика Воспользуйтесь услугой!
Оплата
Способы оплаты для физических лиц:
- пластиковой картой через личный кабинет вашего банка, например Сбербанк Онлайн ( Инструкция );
- переводом денежных средств через любой банк на территории РФ;
Способы оплаты для юридических лиц:
- безналичным переводом денежных средств на р/с компании;
Договор на поставку оборудования оформляется по запросу. Все необходимые для бухгалтерии документы (оригинал счета на оплату, счет-фактура, накладная) выдаются вместе с заказом.
Полная информация об оплате находится на странице «Оплата»
Доставка
Доставка по России:
Мы доставляем заказы по всей России с помощью транспортных компаний на Ваш выбор.
Доставка по Москве до терминалов ТК «Деловые линии», «СДЭК», «Курьер сервис экспресс», «ПЭК», производится бесплатно!- «Деловые линии» – ежедневная отправка грузов (кроме выходных). При наличии товара на нашем складе, он будет отправлен в день оплаты.
- «СДЭК» – ежедневная отправка грузов (кроме выходных). При наличии товара на нашем складе, он будет отправлен в день оплаты.
- «Курьер сервис экспресс» – ежедневная отправка грузов (кроме выходных). При наличии товара на нашем складе, он будет отправлен в день оплаты.
- «ПЭК» — еженедельная отправка сборных грузов, производится строго на конец рабочей недели (четверг-пятница).
Вы можете получить заказ, воспользовавшись услугами других транспортных компаний.
Сроки и способ отправки Вы можете согласовать с менеджером по телефону 8(800)707-14-06.Доставка по Москве и МО:
Мы осуществляем доставку по Москве и Московской обл., минимальная стоимость доставки составляет 350 рублей. Итоговую стоимость и время доставки уточняйте у наших менеджеров по телефону +7(800)707-14-06 или свяжитесь с нами удобным для Вас способом.
Самовывоз:
После подтверждения менеджером готовности заказа к отгрузке, вы можете получить его по адресу: Краснобогатырская улица, дом 89 стр. 1 с 10-00 до 18-00. Подробная схема проезда находится в разделе контакты.
Без резерва, приобрести товар невозможно!
Полная информация о доставке находится на странице «Доставка»
Глава 11. Химические источники энергии
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).
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.
Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?
Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:
Тепловая электроэнергетика . В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:
Конденсационные ( КЭС , также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;
Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;
КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл , в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину , где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;
Ядерная энергетика . К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе . Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;
Гидроэнергетика . К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;
Альтернативная энергетика . К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:
Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;
Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;
Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;
Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;
Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;
Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики : приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.
Преобразование химической энергии в электрическую
Преобразование химической энергии в электрическую связано с явлением электролитической диссоциации, сущность которого состоит в образовании заряженных частиц — ионов при растворении некоторых веществ (кислот, солей и др.).
Рисунок. 1 Цинковая пластина в растворе серной кислоты.
На рис. 1 показана цинковая пластинка, опущенная в водный раствор серной кислоты (электролит). Цинк растворяется в электролите, причем в раствор переходят положительные ионы Zn+. Раствор заряжается положительно, а цинк — отрицательно. Растворение цинка обусловлено
химическими силами.В области контакта цинк — раствор появляется электрическое поле образовавшихся ионов, направленное от раствора к цинку.
По мере растворения цинка растет заряд, а вместе с ним и напряженность электрического поля. Электрическое поле противодействует переходу ионов Zn+ в раствор, поэтому на определенной стадии растворение цинка прекращается.
Такое равновесное состояние соответствует равенству двух сил, действующих на ионы Zn+: химических, под действием которых цинк растворяется, и электрических, препятствующих растворению. Растворение цинка прекращается при наличии некоторой разности потенциалов ? 1 между цинком и раствором.
Если в тот же раствор поместить пластинку из другого вещества, то описанный процесс будет иметь место и в этом случае. Но полученная разность потенциалов ? 2 может быть другой величины — больше или меньше ? 1.
По такому принципу образуется э. д. с. гальванического элемента и аккумулятора (рис. 2 а, б).
Рисунок 2. Режим зарядки свинцового аккумулятора.
При соединении пластин I и II проводником в замкнутой цепи будет действовать э. д. с. химического элемента
и установится электрический ток.
В данном случае э. д. с. создается и поддерживается при работе элемента химическими силами (сторонние силы), и, следовательно, можно говорить о преобразовании химической энергии в электрическую.
Электрический ток в гальваническом элементе сопровождается необратимыми электрохимическими процессами, которые можно описать определенными химическими реакциями.
Применение гальванических элементов ограничено — в единицу времени они могут дать лишь незначительное количество электрической энергии, а срок их работы невелик и заканчивается, когда активное вещество электродов в определенной степени будет израсходовано.
Значительно большее применение имеют аккумуляторы, электрохимические процессы которых обратимы. Обратимость электрохимических процессов позволяет проводить многократную зарядку и разрядку аккумуляторов. При зарядке в них накапливается определенное количество химической энергии за счет израсходованной электрической энергии, а при разрядке эта энергия может быть использована в электрической цепи в виде электрической энергии.
Преобразование механической энергии в электрическую
Впервые Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта в своих работах научились преобразовывать химическую энергию в электрическую в конце 18 века. И хотя энергетически это не сильно обогатило человечество — результатами изобретенных ими батареек мы пользуемся с большой благодарностью. Гениальное открытие Майкла Фарадея о возможности преобразования механической энергии в электрическую -резко изменило качество всей жизни на Земле. Когда Фарадей на заседании Лондонского научного общества докладывал о своем изобретении, Лорды не совсем поняли пользу этого новшества. На что Фарадей и сам сказал, что пока не знает как этим распорядиться, Но заметил, что в следующем веке правительство с этого открытия будет снимать очень большие налоги.
Мы построили модели Фарадея для постоянного и переменного тока. Их отличие, что в генераторе постоянного тока магниты неподвижны, а вращается катушка с проводником, а в генераторе переменного тока катушка неподвижна, а вращаются магниты.. Сейчас даже не надо собирать модель. На AliExpress есть недорогие модели таких генераторов, Хотя там и приводятся графики нарастания и убывания электрического тока, но физика процесса не объяснена.
Вот на это нам бы и хотелось обратить Ваше внимание. Как такогого тока никто не видел. Мы только видим результаты его воздействия, и только с открытием Периодического Закона Д.И. Менделеева сложилась картина , объясняющая физическую сущность фарадеевского открытия. Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы. Например, металлы в отличии от диэлектриков легко
расстаются с электронами, находящимися на верхних орбитах своих атомов под воздействием разности потенциалов, находящихся на концах проводника. Прохождение электрического тока порождает магнитное поле.
Эти два явления неразрывно связаны и не существуют друг без друга. Появление одного одновременно порождает другое. Это явление используется в производстве, когда сильными электромагнитами машины поднимают и переносят тяжелые чушки, выбирают из куч металлический лом…Почему же в природе мы не встречаем естественных постоянных магнитов и откуда они берутся. Оказывается многие элементы периодической системы Менделеева и их различные сплавы являются потенциальными магнитами, обладающие различной силой магнитных свойств. И становятся они магнитами при воздействии на них разной интенсивности магнитным полем. Эта обширная научная тема, о которой мы расскажем в дальнейшем. Факт тот, что при протекании электрического тока на проводник действует выталкивающая сила (Правило правой руки). В отсутствие тока нет магнитного поля, а сами эти материалы состоят из огромного количества мизерных магнитиков плюсы и минусы которых направлены случайным образом в разные стороны. Таким образом полярности эти материалы не имеют и появляется она только при протекании электрического тока, когда эти микромагниты выстраиваются в едином порядке. И разворачивают материал по правилу правой руки (Сила Ампера) При прекращении подачи тока этот порядок снова нарушается и материал утрачивает свои магнитные свойства.
Для того чтобы создать постоянный магнит нужно 1. Иметь материал с соответствующими магнитными свойствами (ферриты, сплавы…) 2. Механически не позволить материалам перемещаться в пространстве. 3 Подать на материал сильное магнитное поле ( например накопив сильный электрический заряд в батарее конденсаторов). В результате не имея возможности материалу развернутся произойдет необратимый разворот внутренних микромагнитов вещества. Все — мы получили постоянный магнит. Теперь вращая катушку с проводом вокруг двух магнитов с отрицательным и положительным полюсом мы получим генератор постоянного тока, а вращая магнит вокруг неподвижной катушки получим генератор переменного тока
