БОЛЬШАЯ ЗАДАЧА ЭЛЕКТРОХИМИИ (топливные элементы). Почему не выгодна тепловая машина

БОЛЬШАЯ ЗАДАЧА ЭЛЕКТРОХИМИИ (топливные элементы). Почему не выгодна тепловая машина

Трудно представить себе нашу жизнь без электрической энергии. Электричество осве­щает наши города и села, плавит металл в элект­ропечах, приводит в движение миллионы стан­ков, питает радиостанции и совершает тысячи других полезных дел.

Около 80% электроэнергии дают тепловые станции, где в гигантских котельных сжига­ют уголь, сланцы, торф, природный газ, и лишь 20% электроэнергии вырабатывают гид­ростанции.

Усилия ученых направлены на совершен­ствование процесса получения электроэнергии из топлива.

Процесс этот выглядит так. При химической реакции горения (окисления) топлива выде­ляется энергия тепловая, благодаря ей в котле расширяется пар и приводит в действие ло­пасти паровой турбины — появляется энергия механическая. Механическая энергия в свою очередь побуждает к работе электрический генератор. Так возникает целая цепочка пре­вращения энергии:

энергия→        энергия→       энергия→             энергия 

химическая    тепловая     механическая     электрическая

По закону сохранения энергии при каждом преобразовании энергии общее ее количество не изменяется, энергия не теряется безвозврат­но и не возникает из ничего. Казалось бы, для практики безразлично, каким образом один вид энергии превращается в другой. На самом же деле это не так — разные виды энергии нерав­ноценны.

Механическую и электрическую энергию можно непосредственно и полностью использо­вать в виде любой полезной работы и полностью превратить в любой другой вид энергии. Иначе обстоит дело с тепловой энергией. Если мы по­пытаемся превратить тепловую энергию в ме­ханическую, какая-то ее доля всегда останется неиспользованной. Отношение количества энер­гии, которое можно использовать для превраще­ния в механическую, к общему количеству теп­ловой энергии называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) процесса превращения энергии.

К. п. д. тепловых машин зависит от их рабочих температур. Обычно он не превышает 30% (у паровоза даже 7%) и лишь у самых совершен­ных машин достигает 40%. Это значит, что больше половины тепловой энергии и в пере­носном и в буквальном смысле вылетает в тру­бу. Ясно, что тепловая машина — устройство малоэффективное.

Много лет ученые пытаются повысить к. п. д. тепловых машин — совершенствуют конструк­ции агрегатов, увеличивают их мощность и т. д. Но повышение к. п. д. сверх 40% связано с большими трудностями. Поэтому заманчива другая идея — полностью отказаться от тепло­вых машин и использовать химическую энер­гию окисления топлива, минуя промежуточное выделение тепловой энергии.

На принципиальную возможность такого превращения указывает нам окружающая приро­да. Любой организм черпает необходимую энер­гию из органических видов топлива — пищевых продуктов. В организме происходит то же самое окисление топлива, что и в тепловой ма­шине, образуются те же конечные продукты ре­акции — вода и углекислый газ.

Но в машине окисление происходит с выделением тепловой энергии, что вызывает сильное нагревание среды, а в организме энергия выделяется в основном в виде механической энергии мускульных со­кращений, и температура окружающего про­странства почти не повышается. Коэффициент преобразования энергии в живом организме достигает 60—70%. О таких показателях конструкторы тепловых машин даже и не мечтают.

Итак, химическая энергия может превра­щаться прямо в механическую. А прямо в электрическую?