4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Преобразование химической энергии в электрическую

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Прямое преобразование — химическая энергия

Прямое преобразование химической энергии в электрическую имеет большие преимущества по сравнению с обычным способом превращения химической энергии сначала в тепловую и лишь после этого в электрическую. При получении электрической энергии из тепловой последнюю используют для превращения воды в пар. Затем этот пар приводит в действие турбину, которая вращает генератор. При превращении энергии из одной формы в другую или при ее передаче от одного вещества к другому происходят неизбежные потери энергии и тепловое загрязнение окружающей среды. Обычно в электрическую энергию удается превратить не более 40 % энергии, полученной в результате сгорания топлив; остальная часть рассеивается в окружающую среду в виде бесполезного тепла. Прямое получение электрической энергии из топлив при помощи гальванических элементов должно обеспечить более высокий коэффициент преобразования химической энергии топлив в электрическую энергию. Гальванические элементы, в которых реагентами служат традиционные топлива, называются топливными элементами. [2]

Проблема прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию имеет важное народнохозяйственное значение. Вполне заслуженно включена она в Программу Коммунистической партии, выполнение которой неразрывно связано с прогрессом науки и техники. [3]

Электрохимические энергоустановки обеспечивают прямое преобразование химической энергии в электрическую и имеют более высокий КПД ( примерно в 1 5 — 2 0 раза) по сравнению с тепловыми машинами. Кроме того, они существенно меньше загрязняют окружающую среду. Наиболее разработаны кислородно-водородные энергоустановки, которые уже применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе. Построены и испытаны электрохимические энергоустановки и электростанции мощностью от 40 кВт до 11 МВт, работающие на природном топливе. [4]

В ХЭГ происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. ХЭГ представляет собой батарею топливных элементов, В которых происходит электрохимическое ( или холодное) сжигание топлива. [6]

Дальнейшим развитием техники прямого преобразования химической энергии в электрическую является создание топливных элементов. [7]

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. [9]

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. [10]

Таким образом, современные проблемы прямого преобразования химической энергии в электрическую охватывают широкий круг задач и базируются на использовании достижений многих отраслей знания. К новым также относятся нерешенные проблемы теории построения и применения специфического математического аппарата для оптимизации электрогенерирующих устройств. [11]

Гальваническими первичными элементами называют устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую. Реагенты ( окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. После расхода реагентов элемент не может больше работать. Таким образом, это источник тока одноразового действия непрерывного или с перерывами, поэтому его еще называют первичным химическим источником тока. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, а также сохраняемостью. [12]

Гальваническими первичными элементами называют устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую. Реагенты ( окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. После расхода реагентов элемент не может больше работать. Таким образом, это источник тока одноразового действия, поэтому его еще называют первичным химическим источником тока. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь. [13]

Лазеры, действие которых основано на прямом преобразовании химической энергии в энергию излучения. [14]

Таким образом, в ЭХГ осуществляется не только прямое преобразование химической энергии водорода в электрическую энергию, по и реализуется высокоэффективная энергетическая система, исключающая тепловое загрязнение окружающего пространства, что очень важно в экологическом плане. [15]

Преобразование химической энергии в электрическую. Химические источники электрической энергии (аккумуляторы).

Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. По характеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные химические источники тока или гальванические элементы;

• вторичные источники или электрические аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден — он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии — после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превратятся в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Появление разности потенциалов объясняется тем, что вещество электрода под действием химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Помещая в электролит два электрода из равных металлов, получим между ними разность электродных потенциалов — стороннюю ЭДС E = φ1—φ2 — Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником питания – гальваническим или первичным элементом, в котором происходит процесс преобразования (необратимый) химической энергии в электрическую.

Большое распространение получили сухие и наливные марганцово-цинковые элементы. По конструкции они делятся на стаканчиковые и галетные. В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана, внутри которого расположен положительный электрод — угольный стержень. Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом – водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента E=1,5 В. Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как от дельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются в радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.

Аккумуляторы (вторичные элементы). Гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.

Щелочной аккумулятор получил такое название по электролиту— щелочи, а именно 21 %-му водному раствору едкого калия КОН или едкого натрия NaOH. Аккумулятор состоит из двух блоков – пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом. Пластины – это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых – из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3.

При разрядке гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) – в гидрат его закиси. Химическая реакция при разрядке выражается уравнением:

2Ni(OH)3 + 2КОН + Cd ->- 3Ni(OH)2 + 2KOН + Cd(OH)2.

При зарядке реакция идет в обратном направлении и, следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разрядке и зарядке остается неизменной. При разрядке напряжение с 1,4 В сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В; при этом напряжении разрядку необходимо прекращать. При зарядке напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В. Кроме щелочных широко применяются и кислотные /свинцовые) аккумуляторы.

Преобразование химической энергии в электрическую энергию. Гальванические элементы

Если в раствор, содержащий ионы, опустить металлическую пластину, то между металлом и раствором возникнет разность потенциалов и металл электризуется, т.е. образуется электрическое поле (рисунок 28).

Гальванические элементы– это источники энергии, в которых электрическая энергия получается за счет химической. На рисунке 28 изображен гальванический элемент Вольта. В нем разность потенциалов между пластинами равна примерно 1 вольту. Она не зависит от размеров пластин и от количества раствора.

1. Что такое электролитическая диссоциация?

2. Расскажите об электролизе с пассивными электродами.

3. Расскажите об электролизе с активными электродами.

4. Изложите законы электролиза (законы Фарадея).

5. Расскажите о применении электролиза в технике.

6. Расскажите о преобразовании химической энергии в электрическую энергию в гальванических элементах.

Электрический ток в газах

Все газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами. Однако если искусственно создать в нем подвижные носители зарядов, т.е. ионизировать молекулы газа, то газ становится проводником. Ионизаторами газа могут быть: высокая температура, рентгеновские лучи, альфа-лучи и т.д. При ионизации от молекулы газа отрывается один или несколько валентных электронов. Таким образом, подвижными носителями заряда в ионизированном газе являются свободные электроны и ионы (положительные и отрицательные).

Электрический ток в газе не создает химического действия и поэтому законы Фарадея к току в газах не применимы.

Зависимость силы тока в газе от напряжения

Повышая напряжение на обкладках конденсатора, и измеряя силу тока , можно получить вольтамперную характеристику газового промежутка (рисунок 29). При небольших напряжениях ток в газе подчиняется закону Ома. Носители зарядов при небольших напряжениях движутся медленно и большинство из них успевают рекомбинировать (образовать нейтральные молекулы газа) не дойдя до обкладок конденсатора.

При росте напряжения скорость носителей увеличивается, а вероятность рекомбинации уменьшается. Поэтому все большее число носителей доходит до обкладок и ток увеличивается (участок ОА на рисунке 29). В точке В рекомбинация носителей прекращается, так как все носители зарядов достигают обкладок конденсатора, и сила тока далее не меняется (участок ВС на рисунке 29).

I E — Е +

В C

Ток в газе, величина которого не зависит от напряжения, называется током насыщения ( ).

При достаточно большой напряженности электрического поля (несколько десятков тысяч вольт на 1 сантиметр) свободные электроны приобретают такую большую кинетическую энергию, что при их столкновении с нейтральными молекулами газа от последних отрываются электроны, т.е. газ еще больше ионизируется. Эта ионизация называется ударной. При ударной ионизации число носителей зарядов резко возрастает, и ток увеличивается (участок СD на рисунке 29).

Газ может стать плазмой(точка Е на рисунке 29). Плазмой называется состояние вещества, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована, причем вещество в целом электрически нейтрально, но содержит равные количества свободных положительных и отрицательных зарядов. Если в плазме еще встречаются нейтральные атомы или молекулы, то ее называют частично ионизированной. Если все молекулы и атомы ионизированы, то плазму называют полностью ионизированной. При температуре 20000-30000К любое вещество представляет собой полностью ионизированную плазму.

1. В каком случае газ начинает проводить электрический ток?

Читать еще:  Виды потолочных светильников

2. Объясните зависимость силы тока в газе от напряжения.

3. Что собой представляет плазма: частично ионизированная плазма и полностью ионизированная плазма?

Тары-Бары (рефераты)

рефераты по экологии, истории, географии, математике, ОБЖ, английскому и сочинения

Превращение одних видов энергии в другие и их использование

Энергия (греческое — действие, деятельность) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую.

Согласно представлениям физической науки, энергия — это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.

Если энергия — результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия — результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и технологических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия — энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия — это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия — энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой. Электромагнитнаяэнергия — это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии — атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромирагравитационную; энергию взаимодействия телмеханическую; энергию молекулярных взаимодействийтепловую; энергию атомных взаимодействийхимическую; энергию излученияэлектромагнитную; энергию, заключенную в ядрах атомовядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица — калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал = 4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч = 3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м = 9,8 Дж.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной. В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию.

При классификации первичной энергии выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.

К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках — станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

ТЭСтепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в электрическую;

ГЭСгидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

ГАЭСгидроаккумулирующая электростанция преобразует механическую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

АЭСатомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;

ПЭСприливная электростанция преобразует энергию океанических приливов и отливов в электрическую;

ВЭСветряная электростанция преобразует энергию ветра в электрическую;

СЭСсолнечная электростанция преобразует энергию солнечного света в электрическую, и т.д.

Электричество — очень удобный для применения и экономичный вид энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации.

Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть — в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет.

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека. Ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.

Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.

Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой.

В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.

Если будет обнаружено изменение энергии, которая не входит в список известных в настоящее время видов энергии, если выяснится, что энергия исчезает или появляется из ничего, то будет сначала «придуман», а затем найден новый вид энергии, который учтет это отклонение от постоянства энергии, т.е. закона сохранения энергии.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях — от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии — это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре: «Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ».

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

  • Справочник электрика
    • Бытовые электроприборы
    • Библиотека электрика
    • Инструмент электрика
    • Квалификационные характеристики
    • Книги электрика
    • Полезные советы электрику
    • Электричество для чайников
  • Справочник электромонтажника
    • КИП и А
    • Полезная информация
    • Полезные советы
    • Пусконаладочные работы
  • Основы электротехники
    • Провода и кабели
    • Программа профессионального обучения
    • Ремонт в доме
    • Экономия электроэнергии
    • Учёт электроэнергии
    • Электрика на производстве
  • Ремонт электрооборудования
    • Трансформаторы и электрические машины
    • Уроки электротехники
    • Электрические аппараты
    • Эксплуатация электрооборудования
  • Электромонтажные работы
    • Электрические схемы
    • Электрические измерения
    • Электрическое освещение
    • Электробезопасность
    • Электроснабжение
    • Электротехнические материалы
    • Электротехнические устройства
    • Электротехнологические установки

Преобразование химической энергии в электрическую

Преобразование хим энергии в электронную связано с явлением электролитической диссоциации, суть которого состоит в образовании заряженных частиц — ионов при растворении неко­торых веществ (кислот, солей и др.).

На рис. 1 показана цинковая пластинка, опущенная в аква раствор серной кислоты (электролит). Цинк растворяется в электро­лите, при этом в раствор перебегают поло­жительные ионы Zn+. Раствор заряжает­ся положительно, а цинк — отрицатель­но. Растворение цинка обосновано хим силами.

В области контакта цинк — раствор возникает электронное поле образо­вавшихся ионов, направленное от раст­вора к цинку.

Рис. 1 Цинковая пластинка в растворе серной кислоты

По мере растворения цинка вырастает заряд, а совместно с ним и напряженность электронного поля. Электронное по­ле противодействует переходу ионов Zn+ в раствор, потому на определенной ста­дии растворение цинка прекращается.

Такое сбалансированное состояние соответствует равенству 2-ух сил, действующих на ионы Zn+: хим, под действием которых цинк растворяется, и электронных, препятствующих растворению. Раст­ворение цинка прекращается при наличии некой разности потен­циалов ? 1 меж цинком и веществом.

Если в тот же раствор поместить пластинку из другого вещества, то описанный процесс будет иметь место и в данном случае. Но получен­ная разность потенциалов ? 2 может быть другой величины — больше либо меньше ? 1.

По такому принципу появляется э. д. с. гальванического элемента и аккума (рис. 2 а, б).

Читать еще:  Японские шторы своими руками

Рис. 2 Режим зарядки свинцового аккума

При соединении пластинок I и II проводником в замкнутой цепи будет действовать э. д. с. хим элемента

и установится электронный ток.

В этом случае э. д. с. создается и поддерживается при работе элемента хим силами (посторонние силы), и, как следует, можно гласить о преобразовании хим энергии в электронную.

Электронный ток в гальвани­ческом элементе сопровождается необратимыми химическими процессами, которые можно опи­сать определенными хим реакциями.

Применение гальванических частей ограничено — в единицу времени они могут дать только незна­чительное количество электриче­ской энергии, а срок их работы невелик и завершается, когда активное вещество электродов в определенной степени будет израс­ходовано.

Существенно большее примене­ние имеют батареи, электро­химические процессы которых об­ратимы. Обратимость электрохими­ческих процессов позволяет прово­дить неоднократную зарядку и раз­рядку аккумов. При зарядке в их скапливается определенное количество хим энергии за счет израсходованной электронной энергии, а при разрядке эта энергия может быть применена в электронной цепи в виде элек­трической энергии. Рис. 2 соответствует режиму разрядки свин­цового аккума.

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

  1. Запрещено касаться оголенных проводов, по которым идет электрический ток.
  2. 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.
  3. Опасно включать и выключать электрические лампочки, бытовые приборы мокрыми руками
  4. Проводить замену перегоревших лампочек нужно при отключенном выключателе.
  5. 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.

Превращение энергии при химических реакциях

Та­кие реакции, как разложение углекислого кальция, разложение окиси ртути и ряд других, наоборот, требуют непрерывного при­тока тепла извне и тотчас же приостанавливаются, если прекратить нагревание.

Очевидно, в этих случаях превращение проис­ходит с поглощением тепла. При некоторых реакциях наряду с выделением тепла наблюдается также выделение света.

Тщательное изучение всевозможных химических процессов показало, что химическое превращение всегда связано с выде­лением или поглощением энергии. Эти явления составляют су­щественную особенность химических превращений; для практики они часто даже важнее, чем происходящее в то же время образование новых веществ. Поэтому мы рассмотрим выделение и поглощение энергии при химических реакциях несколько по­дробнее.

Выделение энергии в форме тепла при соединении различных веществ показывает, что эти вещества до соединения уже содер­жали в себе некоторый запас энергии, но только в скрытой форме. Такая форма энергии, скрытой в веществах и «освобо­ждающейся» только при химических превращениях, называется внутренней или химической энергией.

Образование энергии при соединении водорода с кислородом

Освобождение химической энергии связано с превращением ее в другие формы энергии. Так, например, когда водород соеди­няется с кислородом, их химическая энергия превращается в тепловую и проявляется в виде выделяющегося при реакции тепла. Понятно, что в образовавшейся воде уже нет того количе­ства энергии, которое содержали водород и кислород вместе до их соединения. Но это отнюдь не значит, что в воде совсем не осталось химической энергии.

Вода, в свою очередь, может взаи­модействовать с другими веществами с выделением тепла; следовательно, в ней еще имеется запас химической энергии. Вообще при химических превращениях освобождается только часть со­держащейся в веществах энергии; всей химической энергии мы не можем исчерпать и не знаем, как велик ее запас в различных веществах. Измеряя тепловой эффект реакции, мы можем судить только об изменении этого запаса.

Выделением тепла сопровождаются очень многие химические реакции, так как легче всего химическая энергия переходит в тепловую. Значительно реже приходится наблюдать переход хи­мической энергии в световую. Обыкновенно в тех случаях, когда при реакции выделяется свет, химическая энергия превращается в световую не прямо, а через посредство тепловой энергии. На­пример, появление света при горении угля является следствием сильного накаливания угля за счет выделяющегося при реакции тепла.

Такой же эффект можно получить, если нагреть уголь до высокой температуры чисто физическим путем, например, пропуская ток через угольную нить элек­трической лампочки. Но известны и такие, правда, очень немногочисленные процессы, где химическая энергия превращается в световую непосредствен­но. Сюда относится све­чение фосфора на возду­хе, свечение гнилого де­рева и т. п. Во всех этих случаях выделение света происходит без сколько-нибудь заметного повышения температуры.

Переход химической энергии в электрическую

Химическая энергия может также превращаться в электри­ческую. Чтобы показать это на опыте, погрузим две пла­стинки— платиновую и цинковую — в стакан с разбавленной серной кислотой и соединим концы их проволоками с гальванометром (рис. 2). Стрелка гальванометра тотчас же отклоняется, указывая на появление электрического тока. В то же время из жидкости выделяются пу­зырьки водорода, а цинк и серная кислота посте­пенно расходуются. Сле­дует заметить, что хими­ческому превращению подвергаются только цинк и серная кислота, плати­на же остается неизме­ненной и служит лишь проводником электриче­ского тока.

Таким образом, в этих условиях химическая энергия цинка и серной кислоты переходит в электрическую энергию. Изменяя условия, можно осуществить переход химической энергии в ме­ханическую. Это легко продемонстрировать при помощи уста­новки, изображенной на рис. 3. В склянку налита серная кислота и помещено несколько кусочков цинка.

Рис. 7. Установка для демонстрации пре­вращения химической энергии в механи­ческую. 1— склянка с цинком и серной кислотой; 2 — склянка с водой; 3 — колесико с лопастями

Выделяющийся при взаимодействии цинка с серной кислотой водород давит на воду, налитую в склянку 2, и заставляет ее подниматься по трубке вверх. Химическая энергия цинка и серной кислоты превращается здесь в объемную энергию сжатого газа, а последняя — в потен­циальную энергию поднятой воды; если под конец трубки под­ставить колесико с лопастями, то вытекающая из трубки вода будет приводить колесико в движение, совершая некоторую ра­боту.

При разложении взрывчатых веществ химическая энергия тоже превращается в механическую — частью непосредственно, частью переходя сперва в тепловую энергию.

Итак, освобождающаяся при химических превращениях хи­мическая энергия может переходить в тепловую, световую, элек­трическую и механическую энергию. Но и обратно, все эти формы энергии могут превращаться в химическую. Чаще всего происхо­дит превращение тепловой энергии в химическую. Как известно, разложение многих веществ требует непрерывного нагревания.

Сообщаемое тепло поглощается при реакции и превращается в химическую энергию продуктов разложения. Поэтому, напри­мер, ртуть и кислород, полученные путем разложения окиси ртути, содержат в сумме больше химической энергии, чем окись ртути, из которой они образовались.

Известны также и реакции соединения, сопровождающиеся поглощением тепла. Например, получение азотной кислоты из воздуха основано на том, что при высокой температуре азот со­единяется с кислородом, поглощая тепло и образуя окись азота NО, которая затем может быть превращена в азотную кислоту. В данном случае сложное вещество — окись азота обладает большим запасом энергии, чем простые вещества — азот и кисло­род, из которых она образовалась.

Превращение электрической энергии в химическую

Превращение электрической энергии в химическую происхо­дит при разложении веществ с помощью электрического тока. Примером такого превращения может служить разложение воды электрическим током. Подобным же путем в настоящее время получают многие металлы из их соединений, а также различные химические продукты: бертолетову соль, хлор, каустическую соду и др.

Очень важную роль в природе играет превращение световой энергии в химическую, сопровождающее процесс усвоения угле­кислого газа воздуха зелеными растениями. Этот процесс, под­держивающий всю органическую жизнь на земле, требует непре­рывного притока энергии извне. Такой энергией является энергия солнечных лучей, которая поглощается растениями и превра­щается в скрытую химическую энергию образующихся в расте­ниях веществ.

Разложение некоторых веществ на свету также сопрово­ждается поглощением световой энергии и ее превращением в хи­мическую. Так, например, хлористое или бромистое серебро мо­жет неограниченно долго сохраняться в темноте, но при дей­ствии света постепенно распадается на свои составные части, причем серебро выделяется в виде мельчайших черных крупи­нок. На этом основано применение хлористого и бромистого серебра в фотографии.

Так как выделение или поглощение энергии при химических реакциях чаще всего происходит в форме тепла, то все реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотерми­ческими. Реакции же, при которых, энергия поглощается, получили название эндотермических. В соответствии с этим и химические соединения, образовавшиеся из простых веществ с выделением энергии, называются экзотермиче­скими в отличие отэндотермических соединений, при образовании которых энергия поглощается.

Эндотермических соединений гораздо меньше, чем экзотермических; они содер­жат по сравнению с экзотермическими соединениями значи­тельно больший запас энергии и сравнительно легко разла­гаются. Tо более или менее неустойчивы. Экзотермические соединения обычно образуются при низких или умеренных тем­пературах, более устойчивы и гораздо труднее разлагаются, чем эндотермические соединения.

Из закона сохранения энергии непосредственно вытекает следующее положение:

Читать еще:  Расчет насыпной плотности щебня

Если при образовании какого-либо химического соединения из простых веществ выделяется (или поглощается) некоторое количество тепла, то при разложении этого соединения на про­стые вещества такое же количество тепла поглощается (или вы­деляется) .

В самом деле, если бы при образовании сложного вещества выделялось больше тепла, чем его затрачивается на разложение того же вещества, то, заставив сперва простые вещества со­единиться, а затем, разложив образовавшееся соединение, мы получили бы некоторый излишек тепла из ничего, а этого по закону сохранения энергии не может быть. Отсюда понятно, что чем больше тепла выделяется при образовании химического соединения, тем больше энергии надо затратить на его разло­жение. Поэтому экзотермические соединения более прочны и труднее разлагаются, чем эндотермические.

Статья на тему Превращение энергии при химических реакциях

Технология. 6 класс

Конспект урока

Технология, 6 класс

Урок 26. Преобразование и аккумулирование тепловой энергии

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке

  1. Преобразование тепловой энергии в механическую, электрическую, энергию химических связей.
  2. Способы передачи тепловой энергии.
  3. Способы аккумулирования тепловой энергии.

Излучение – процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц.

Конвекция – это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

Теплопроводность – это способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела.

Сосуд Дьюара – это сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Постоянная температура поддерживается за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение).

Термос – вид бытовой теплоизоляционной посуды, разновидность сосуда Дьюара, используемый для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды.

Основная и дополнительная литература по теме урока

  1. Технология. 6 класс: учеб. пособие для общеобразовательных организаций / В. М. Казакевич, Г. В. Пичугина, Г. Ю. Семенова и др.; под ред. В. М. Казакевича. – М.: Просвещение, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Тепловую энергию можно не только получать, но и аккумулировать и преобразовывать в другие виды энергии: электрическую, механическую и энергию химических связей. Сама тепловая энергия также может преобразовываться. Такие процессы применяются в работе холодильников и систем охлаждения. Благодаря преобразованию тепловой энергии в энергию движения – кинетическую энергию – движутся автомобили. Техническое устройство, осуществляющее это преобразование энергии, называется двигателем внутреннего сгорания. Реактивный двигатель, благодаря которому стал возможен полет ракет, также преобразует тепловую энергию в кинетическую, при работе паровой турбины на ТЭС тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины, а затем и в электрическую энергию.

Существует несколько способов передачи тепловой энергии. При контакте двух тел разной температуры тепловая энергия передается за счёт теплопроводности. В воздухе или воде тепловая энергия может передаваться путем конвекции. А тепловая энергия Солнца доходит до нас с помощью излучения.

Для накопления тепловой энергии применяют специальные устройства. Они должны быть изолированы от внешней среды. Это возможно, если поместить тело в пустоту или вакуум. Для того, чтобы уменьшить потерю тепловой энергии был изобретён сосуд Дьюара (современный его аналог – термос). Для уменьшения потерь тепловой энергии также применяют утеплители.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Задание 1. Выделите цветом правильные варианты ответов. Тепловую энергию можно преобразовать в другие виды энергии:

Варианты ответа:

энергию химических связей

Правильный вариант ответа:

энергию химических связей

Задание 2. Заполните пропуски в тексте, выбрав правильные варианты ответа из выпадающего меню.

Передача тепла от холодного тела к горячему в природе________. Однако при определённых условия можно не только производить тепло, но забирать его, ______ предметы и тела.

Варианты ответа:

охлаждая /нагревая /продувая

Правильный вариант ответа:

Передача тепла от холодного тела к горячему в природе невозможна. Однако при определённых условия можно не только производить тепло, но забирать его, охлаждая предметы и тела.

Процессы взаимного превращения химической и электрохимической форм энергии называют электрохимическими.

Электрохи́мия — раздел химической науки, в котором рассматриваются системы и межфазные границы при протекании через них электрического тока, исследуются процессы в проводниках, на электродах (из металлов или полупроводников, включая графит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия изучает процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов и электронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.

Предметом электрохимических исследований также являются электролиты и устанавливающиеся в них равновесия. Многие химические реакции протекают лишь при подводе энергии извне. Часто их проводят в электролитических ячейках (электролизерах) на электродах, соединенных с внешним источником тока. Изучение этих реакций дает информацию о природе и свойствах различных веществ, а также позволяет получать с помощью электросинтеза новые химические соединения. Электрохимические процессы широко применяются в промышленности. В качестве примера можно привести производство хлора и алюминия, гальваностегию и электрическую экстракцию. Гальванические элементы, преобразующие химическую энергию в электрическую, составляют основу источников тока — батарей и аккумуляторов, а также топливных элементов. Электрохимия изучает и другие электрические явления: поведение ионов в растворах электролитов и прохождение тока через такие растворы; разделение ионов в электрическом поле (электрофорез); коррозию и пассивацию металлов; электрические эффекты в биологических системах (биоэлектрохимия); фотоэлектрохимические процессы (влияние света на электрохимические реакции в ячейках).

Электрохимические процессы можно разделить на две основные группы:

  1. процессы превращения химической энергии в электрическую (в гальванических элементах, при электрохимической коррозии, в электрохимическом аккумуляторе: цикл — разряд);
  2. процессы превращения электрической энергии в химическую (при электролизе, в электрохимическом аккумуляторе: цикл — заряд).

История развития электрохимии

XVI—XVIII столетия

XVI столетие знаменуется началом исследования электричества. На протяжении 17 лет английский ученый Вильям Гильберт исследует магнетизм и, в некоторой степени, электричество. Его исследования оказали огромное влияние на развитие знаний о магнетизме и электричестве. Он стал известен как «Отец магнетизма».

В 1663 г. немецкий физик Отто фон Герике создаёт первый электрический генератор, который вырабатывал статическое электричество благодаря трению. Генератор представлял собой стеклянный шар с рукояткой, покрытый толстым слоем серы. Шар раскручивался вручную и при трении о подушечки пальцев, образовывалась электрическая искра. Заряженный шар использовали в экспериментах по электричеству.

В середине 18 столетия французский химик Шарль Франсуа Дюфе (Charles François de Cisternay du Fay) делает вывод о существовании двух видов статического электричества. Он высказывает мнение о том что электричество состоит из двух «флюидов»: положительного и отрицательного. В противовес этой теории Б. Франклин предполагает что статическое электричество состоит из одного «флюида», а заряд объясняется избытком или недостатком такого флюида.

В 1781 г Шарль Огюстен Кулон (Charles-Augustin de Coulomb) излагаетает «Закон Кулона», описывающий взаимодействие заряженных тел.

Опыт Л. Гальвани. Большой толчок к развитию электрохимии положили опыты в 1771 г. итальянского анатома и физиолога Луиджи Гальвани (Luigi Galvani) с мышцами препарированной лягушки. Гальвани обнаружил, что при наложении на мышцы двух разных металлов, соединённых проводником, мышцы лягушки сокращаются. В 1791 гг. выходит его работа под названием «De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius» («Трактат о силах электричества при мышечном движении») в котором Гальвани говорит о существовании «Животного электричества», которое активируется в мышцах и нервах, при наложении на них двух металлов. Эта работа стала сенсацией. Он верил, что эта новая сила была одной из форм электричества в дополнение к «природной» форме, образующейся при ударе молнии, вырабатываемой электрическим угрём, а также «не природной», искусственной, образующейся при трении (статическое электричество). Считается, что в работах Гальвани впервые появляется предположение о связи между химическими реакциями и электричеством. 1791 год считается «днём рождения» электрохимии. Многие учёные приняли теорию Гальвани, но А. Вольта (Alessandro Volta) был против неё. Вольта считает, что мышцы являются лишь проводниками электрического тока, но не являются его источником. Тогда Гальвани демонстрирует эксперимент, при котором мышцы сокращались при наложении на них одного металла, а также и без металла — при соединении бедренного нерва с мышцей. А. Вольта на протяжении 8 лет занимается изучением органов угрей и скатов, вырабатывающих электричество. Результатом его исследований стало изготовление в 1799 году первого химического источника тока — «Вольтова столба». Это был исключительно важный (задолго до появления генераторов) источник электрического тока, способствовавший появлению многих открытий, в частности, первое получение в 1808—1809 гг. английским учёным Гемфри Дэви (Humphry Davy) в чистом виде таких металлов как натрий, калий, барий, стронций, кальций и магний.

XIX столетие

В конце XVII ст. немецкий физик Вильгельм Риттер (Johann Wilhelm Ritter) пишет статью «Гальванизм» и создаёт простой аккумулятор. С У. Николсоном (англ.)) они проводят разложение воды на водород и кислород путём электролиза. Вскоре после этого В. Риттер разрабатывает процесс гальванопокрытия. Он замечает, что количество осаждаемого металла, а также образующегося кислорода, зависит от расстояния между электродами. К 1801 г. Риттер наблюдает термоэлектрический ток и поручает его исследование Томасу Зеебеку (Thomas Johann Seebeck).

В 1820 г. Г. Х. Эрстед открывает магнитный эффект электрического тока, что было эпохальным открытием. Андре-Мари Ампер (André-Marie Ampère) повторяет эксперимент Эрстеда и описывает его математически.

В 1821 г. немецко-эстонский физик Т. Зеебек демонстрирует появление термоэлектрического потенциала в точке соединения двух разнородных металлов, при наличии разницы температуры в этой точке.

В 1827 г. немецкий ученый Г. Ом (Ohm, Georg Simon) представляет свой закон в известной книге Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet» (гальваническая цепь, математическая обработка) и полностью описывает свою теорию электричества.

В 1832 г. знаменитый английский физик Майкл Фарадей (Michael Faraday) открывает законы электролиза и вводит такие понятия как электрод, электролит, анод, катод, анион, катион.

В 1836 г. Д. Даниэль создаёт первичный источник тока. Даниель занимается проблемой поляризации. В 1839 г. английский физик Вильям-Роберт Грове (Grove) создаёт первый топливный элемент. В 1866 г. француз Жорж Лекланше (Georges Leclanché) патентует новый элемент — угольно-цинковый гальванический элемент.

В 1884 г. Сванте Аррениус (Svante August Arrhenius) публикует диссертацию «Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytesc» (Исследования гальванической проводимости электролитов). Он говорит, что электролиты распадаются при растворении на положительные и отрицательные ионы.

В 1886 г. Поль Луи Туссен (Paul Héroult) и Чарльз Холл (Charles M. Hall), одновременно и независимо, разрабатывают промышленный способ получения алюминия путём электролиза на основе законов Фарадея.

В 1894 г. Ф. Оствальд (Friedrich Ostwald) завершает важные исследования электропроводности и электродиссоциации органических кислот.

В 1888 г. В. Нернст развивает теорию электродвижущей силы первичного элемента, состоящего из двух электродов, разделённых раствором электролита. Он выводит уравнение, известное как Уравнение Нернста — уравнение зависимости электродвижущей силы и концентрации ионов.

XX столетие

Бурное развитие электрохимии. В 1902 г. — образование электрохимического общества — The Electrochemical Society (ECS). 1949 г. — Международного электрохимического общества — International Society of Electrochemistry (ISE). В 1959 г. чешский учёный Ярослав Гейеровский (Jaroslav Heyrovský) получает Нобелевскую премию за изобретение и развитие нового вида электрохимического анализа — полярографии.

Советская школа электрохимиков

  • А. Н. Фрумкин
  • А. И. Левин
  • Л. И. Антропов
  • Б. Б. Дамаскин
  • А. А. Лыкасов
  • А. Н. Барабошкин
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector