Т. Эрдеи-Груз
Химические источники энергии
*** 1974 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
HEKOTOPЫЕ БECCИCTEMHO И HEУBEPEHHO PACПOЗHAHHЫE ФPAГMEHTЫ КНИГИ
ГЛАВА I ЭНЕРГИЯ § 1. Работа и энергия Слово «работа» известно каждому. Работа играет огромную роль в жизни как отдельного человека, так и всего человеческого общества. В процессе эволюции живой природы именно работа выделила человека из животного мира. Обычно под работой мы понимаем различного рода деятельность людей в народном хозяйстве, которая направлена на удовлетворение потребностей общества. Так, сев и уборка урожая, добыча руды, разливка металла, вождение поезда и автомашины, пиление и строгание, стирка и домашняя уборка, деятельность инженера, врача и писателя, функционирование государственного аппарата и правосудия — примеры работы. В противоположность этому туризм, шахматная игра, танцы и многие другие подобные виды деятельности обычно считаются отдыхом и рассматриваются как развлечение. В действительности же работа неотделима и от этих видов деятельности человека. Рассмотренное выше понятие работы необходимо отличать от понятия работы в физшмском смысле, которое много шире и сложней. Легче всего дать определение механической работы, которая была первой ступенью в познании характерных особенностей работы. Чтобы производить работу, нужна сила, и по известному всем определению работа L, совершенная при помощи силы Р, равна произведению этой силы на путь s в направлении действия силы (без учета ускорения), то есть L == Ps, если сила при этом не меняется. В качестве простого примера механической работы мы можем рассмотреть работу, совершаемую телом с массой т при свободном падении под действием земного притяжения (характеризуемого ускорением силы тяжести g) с некоторой высоты h. Эта работа в соответствии с формулой равна mgh. Таким образом, тело, покоящееся на высоте й, обладает тем свойством, что при определенных условиях, то есть при падении, оно может производить работу. В таком случае говорят, что тело с массой т на высоте й (относительно высоты й = 0) обладает потенциальной энергией {энергией положения) mgh. После падения на уровень й = 0 потенциальная энергия становится равной нулю (тело уже не способно производить дальнейшую работу), но теперь тело приобретает «новое» свойство, а именно скорость v(v = Y2gh)> и, следовательно, обладает кинетической энергией {энергией движения), равной mv2/2. Итак, механическая работа совершается при изменении состояния тела, производящего работу. В приведенном примере тело в начальном состоянии вследствие своего положения обладало способностью производить работу, а в конечном состоянии его положение уже не обеспечивало ему этой возможности. Однако способность тела производить работу ни в коей мере не исчезла, она лишь видоизменилась. Теперь тело способно производить работу за счет скорости; оно может даже (при условии незначительного трения во время движения) практически произвести столько работы, сколько ее производит в своем начальном состоянии на высоте h. Примером могут служить колебания маятника без трения (рис. 1). Если принять, что в самом нижнем положении А = 0, то маятник, представляющий собой шарик, висящий на тонкой (почти невесомой) нити, отклонившись в левое крайнее положение, будет находиться на высоте А. С этого положения шарик падает до уровня А = 0 и благодаря этому производит работу mgh1. Самое нижнее положение (А = 0) он проходит со скоростью v, которой он достиг в результате этого движения, так как его потенциальная энергия mgh перешла в кинетическую энергию mv2/2. Если трение маятника ничтожно мало, то приобретенная скорость обеспечивает шарику возможность пройти через нижнюю точку и подняться на ту же высоту А. При этом он совершает работу mgh против силы гравитационного поля, а скорость его падает до 0. Таким образом, работа совершается благодаря постоянному превращению энергии. При свободных,колебаниях маятника без трения будет непрерывно происходить переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Поскольку этот простой пример помогает понять, как производится механическая работа при переходе потенциальной энергии в кинетическую и обратно, его стоит рассмотреть подробнее. Наши рассуждения ясно показывают, что механическая энергия означает способность производить работу, но не идентична самой работе. Работа же совершается при превращении одного вида энергии в другой, причем результатом такого превращения не всегда является именно механическая работа, как в рассмотренном выше примере. Если, например, маятник будет двигаться с очень сильным трением (допустим, в вязкой жидкости), то при возвращении ш верхнего положения в нижнее он остановится, то есть его скорость уменьшится до 0. В этом случае потенциальная энергия маятника превращается в кинетическую энергию лишь временно; к концу движения вся энергия маятника переходит в тепло, вследствие чего повышается внутренняя энергия всей системы маятник — окружающая среда (см. гл. II, §2). Работа, которую мы можем непосредственно воспринять нашими органами чувств, совершается благодаря движению макроскопических тел. Способность производить работу, а следовательно, и энергия неразрывно связаны сдвижением. Однако это — необязательно непосредственно наблюдаемое движение макроскопических тел. Энергия может быть также обусловлена движением атомов и молекул, которое не вес финимается нашими органами чувств. К такому движенлю относится, например, непрерывное хаотическое движение атомов и молекул, соответствующее термической энергии (энергии теплового движения). При определенных условиях это движение все же частично можно упорядочить, и тогда оно проявляется макроскопически и может быть использовано для получения работы. Об этой возможности получения работы мы еще подробно расскажем позднее. Выводы, полученные из примера с механической энергией и работой, могут быть обобщены. Работа — это всегда результат превращения одной формы энергии в другую, и она неизбежно связана с какими-либо изменениями, процессами. Существование различных видов энергии вызывается разнообразием форм движений (кинетическая энергия, например, упорядоченным движением тела как целого, термическая энергия — хаотическим движением молекул или атомов, электрическая — движением электронов или других заряженных частиц). Следовательно, работа производится при взаимном превращении различных форм движения различных тел. Иными словами, работа есть количественная мера качественного взаимного превращения движений, представляющих различные формы энергии. Эти формы энергии могут превращаться друг в друга или переходить от одного тела к другим. Работа возникает лишь как следствие этих превращений. Кроме того, работа, которая является результатом изменения состояния тела или системы тел, может изменить состояние других тел. В пределах установленных законами природы границ мы можем целесообразно управлять этими превращениями в нужном для нас направлении. Мы можем, например, в водяных мельницах превратить кинетическую энергию речной воды во вращательную энергию жерновов и использовать ее для размола зерна. Мы можем химическую энергию, освобождающуюся при сжигании угля, нагревающего котел, превратить в механическую энергию и с помощью произведенной при этом работы изготовить из металлических болванок необходимые нам предметы, из нитей — ткани и т. д. Таким образом, работа становится средством для переработки природных материалов и тем самым важнейшим фактором для человека и общества в целом. Так как мы можем запасать впрок (то есть накапливать) только энергию, а не работу, то важнейшей задачей является найти вещества, содержащие такой вид энергии, который при производстве работы относительно просто может превращаться в другой вид энергии. Эти вещества мы называем источниками, или носителями энергии (энергоносителями). § 2. Необходимые для общества формы энергии Простейшая деятельность человека — целесообразное изменение первоначальных продуктов природы, защита от неблагоприятных внешних условий (холода, непогоды или диких зверей) — требует в первую очередь механической работы. Большое значение для человека имеет и тепло — явление, также связанное с изменением энергии и в известном смысле аналогичное работе (см. гл. II, § 1). Первобытный человек собирал пищу, создавал свои примитивные орудия, охотился и рыбачил, устраивал жилье, применяя механическую работу. Даже в современном обществе энергия используется преимущественно в форме механической работы; в промышленности и сельском хозяйстве, строительстве и транспорте, быту и т. д. машины производят для нас механическую работу. Кроме того, еще и сегодня очень важна механическая работа, производимая самим человеком. Огонь Наряду с механической работой с древних времен большую роль в жизни человека играло тепло. В древности, чтобы получить его искусственным путем, то есть добыть огонь, нужно было затратить очень много механической работы на трение сухого дерева и разогрев его до такой температуры, чтобы оно воспламенилось. Мы и сейчас не можем обойтись без механической энергии для получения огня, но наши нынешние остроумные приспособления (спички, зажигалки) позволяют это сделать с ничтожными затратами сил. Открытие способа добывать огонь означало большой шаг в развитии человечества. С тех пор огонь сделался неизменным слугой человека. Тепло, которое освобождается в результате химического превращения и проявляется в виде огня, используется современным человеком не только непосредственно для обогрева, но и как некая переходная ступень превращения химической энергии в механическую работу. Нужно заметить, что образование тепла не всегда желательно. Однако почти каждое превращение энергии сопровождается образованием тепла. Поскольку тепло не может быть полностью превращено в работу (см. гл. II, § 1), в ряде случаев (например, при трении) его можно считать формой энергии, полностью потерянной для человека. Химическая энергия Первым в истории человечества искусственно вызванным химическим процессом было, пожалуй, горение — разложение при помощи окисления растительной массы, имеющей сложный химический состав, на вещества более простые, такие, как вода, углекислый газ и др. Огонь помог человеку использовать и другие химические процессы, именно благодаря огню человек смог сделать свои продукты питания мягче, вкуснее и удобоваримее. Позднее при помощи огня удалось из руды получить металл. Со временем люди научились использовать не только огонь, но и другие химические процессы. Однако только к концу XVIII века человек овладел законами природы настолько, что научился искусственно вызывать химические процессы и проводить их целенаправленно. Но теперь уже в большинстве случаев целью этих процессов было не разложение вещества, то есть получение более простых по своему составу соединений, а наоборот, синтез веществ более сложного состава из простых «кирпичиков». Разумеется, химическое разложение сложных веществ ни в коей мере не потеряло своего значения; на нем основана, например, выплавка металлов из руды, при которой металлы высвобождаются из соединений. Продукция многих других отраслей промышленности есть результат разложения вещества сложного состава на более простые, но не простейшие (например, производство спирта из крахмала или глюкозы). Превращение одних химических веществ в другие сопровождается изменением химической энергии. Целесообразное и хорошо продуманное применение определенных видов энергии дает возможность в границах, установленных объективными законами природы, планомерно управлять химическими реакциями. На этой основе в последнее время стремительно развивается химическая промышленность, требующая все больших затрат энергии. Световая энергия Долгое время человек получал световую энергию исключительно при помощи сжигания (окисления) нагретых до каления твердых веществ. В факелах, масляных лампах, в свечах, керосиновых лампах и газовых фонарях свет излучают либо возникающие в результате неполного сгорания раскаленные угольные частички, либо введенные в пламя другие твердые вещества (например, так называемая калильная сетка). В современных лампах накаливания свет дает также раскаленное твердое вещество (вольфрамовая нить накаливания), но здесь свет излучается не благодаря освобождающейся в результате окислительного процесса химической энергии, а за счет превращения электрической энергии в световую1. Даже наша повседневная речь отражает эти изменения: раньше мы говорили «зажечь свет», сейчас мы все чаще говорим «включить свет». Все же превращение электрической энергии в световую при посредстве тепла неэкономично. Поэтому ныне прилагаются усилия к исключению тепла как посредника при этом превращении. В новейших осветительных приборах электрическая энергия превращается в световую без сколько-нибудь значительного выделения тепла, поэтому такие приборы отдают при одинаковом потреблении электрической энергии в три-четыре раза больше световой энергии, чем лампы накаливания. Электрическая энергия В энергетическом балансе современного высокоразвитого общества электрическая энергия играет все большую и. большую роль. В действительности нам, разумеется, не нужна электроэнергия как таковая, поскольку мы не можем 1 Косвенно эта энергия еще и сегодня имеет преимущественно химическое происхождение, так как электрический ток в большинстве случаев получают на тепловых электростанциях. ее ни воспринимать, ни непосредственно употреблять. Электрическую энергию можно, однако, относительно простыми средствами превращать в тепло, механическую работу или другие формы энергии. Производство электрической энергии, то есть превращение имеющихся в природе других форм энергии в электрическую, в больших масштабах (на крупных электростанциях) экономически сравнительно выгодно. Электрическую энергию можно передавать на большие расстояния с относительно малыми потерями и, таким образом, легко подводить к потребителям, поэтому ее следует считать лучшей и наиболее легко поддающейся использованию формой энергии, с помощью которой имеющиеся в природе энергетические ресурсы распределяются в соответствии с нашими нуждами. Ныне электрическая энергия производится в основном в результате превращения химической энергии угля или нефти сначала в тепло, которое дает возможность получать механическую работу; за счет этой работы и получается в дальнейшем электрическая энергия. Такое непрямое превращение весьма неэкономично, так как при этом пропадает значительная часть энергии. При современном состоянии науки и техники мы не можем обойтись без такого, связанного с большими потерями, способа получения электрической энергии, хотя теоретически мы уже знаем, как можно избежать этих потерь. Соответствующие методы уже применяются в лабораторных условиях. Однако надежное и экономически оправданное непосредственное превращение в больших масштабах химической энергии в электрическую потребует еще очень большой исследовательской работы. Незначительная часть электрической энергии производится не из химической, а из механической (потенциальной и кинетической) энергии воды на гидроэлектростанциях. В последнее время начинает получать некоторое распространение новый метод получения электроэнергии — путем превращения атомной энергии в электрическую, — однако и здесь потери энергии в виде тепла значительны. В настоящее время находят также применение, правда в весьма ограниченных масштабах, такие виды энергии, как акустическая и магнитная. Источники энергии В большинстве случаев природа поставляет нам энергию не в той форме, в какой она- нужна для наших конкретных целей. Поэтому мы вынуждены преобразовывать имеющуюся в нашем распоряжении энергию. Для получения работы мы должны найти соответствующие источники энергии, то есть такие вещества, которые являются носителями наиболее пригодного для реализации (с учетом современного состояния науки и техники) вида энергии. Следует заметить, что живые организмы (в том числе человек) сами являются носителями значительных запасов энергии. Живые организмы содержат относительно большое количество химической энергии, характер которой будет рассмотрен в § 6 настоящей главы. В ходе тонких и до сих пор еще недостаточно изученных химических процессов происходит превращение энергетически богатых сложных веществ живого организма в простые вещества, которое, сопровождается выделением энергии. Эти превращения являются источником мускульной работы человека и животных, при помощи которой они поддерживают свои жизненные функции, перемещаются, обеспечивают себе пропитание, а также могут производить необходимые и полезные изменения окружающей среды. Эти «естественные» источники энергии, питаемые химической энергией собственного тела, удовлетворяли человека только на ранней стадии развития человеческого общества, длившейся, однако, многие тысячелетия. Уже в первобытную эпоху человек поставил себе на службу «внешний» энергетический источник — мускульную силу животных, что позволило ему значительно увеличить объем производимых работ1. Позднее, еще через многие тысячелетия, человек заставил работать на себя энергию воды, которая приводила в движение мельничные колеса и устройства оросительных систем, и ветра, который вращал крылья мельниц и надувал паруса судов. Можно считать, что первые сознательные действия для получения энергии человек совершил тогда, когда научился извлекать огонь из сухих растений. Огонь давал человеку тепло, помогал улучшать пищу и отпугивать диких зверей. Однако использовать огонь для получения механической работы наши предки еще не умели. Известно, что уже во II веке до нашей эры Герон в Александрии открыл способ превращения тепла с помощью пара в кинетическую энергию вращающегося тела (в сущности, он открыл паровую турбину), но в течение двух тысячелетий никто не попытался использовать это явление для получения работы. Такое пренебрежение к неживым источникам энергии объясняется не только относительно низкими потребностями тогдашнего общества, но и дешевизной рабочей силы, легкостью ее эксплуатации — не было нужды в изобретении сложных орудий для замены этой силы. Только с развитием капиталистического способа производства потребности в энергии настолько возросли, что не могли уже полностью удовлетворяться за счет эксплуатации существовавших в то время источников энергии. Появилась острая необходимость в открытии новых и привлечении не использованных ранее источников энергии. Примерно 200 лет назад был открыт пар нак носитель энергии. Во второй половине XVIII века в Англии, в то время наиболее развитой индустриальной стране, была сконструирована паровая машина, которая начала применяться в широких масштабах и обеспечила невероятно высокий, невиданный до тех пор темп промышленного развития. Поэтому XIX век, а также начало XX по праву считают веком пара. На исходе прошлого столетия у паровой машины появились конкуренты — двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные). Преимущества двигателей внутреннего сгорания особенно велики для машин малой и средней мощности; для очень больших мощностей все же выгоднее паровая машина. Уже в конце XIX века наряду с паром начала получать распространение электрическая энергия, а в первые десятилетия XX века она заняла ведущее место. Мы можем с полным правом сказать, что живем в век электричества. Правда, большую часть электрической энергии еще~и сегодня получают с помощью паровых машин, но производство ее сосредоточено преимущественно на огромных тепловых электростанциях. Мощные паровые турбины электростанций гораздо рентабельнее малых паровых машин. Электрические моторы и двигатели внутреннего сгорания все больше вытесняют паровую машину как силовую установку. Электромоторы имеют высокий коэффициент полезного действия, работают без отходов и бесшумно, электроэнергия может передаваться по проводам на расстояние многих тысяч километров от источника. Наряду с тепловыми электростанциями растет значение гидроэлектростанций, где генераторы электрического тока приводятся в движение не паровыми, а гидротурбинами. Однако при строительстве современных гидроэлектростанций необходимо сооружать водяные плотины и производить другие дополнительные работы, и в большинстве своем они требуют больших капиталовложений, чем тепловые электростанции. Все же производство электроэнергии на гидростанциях обходится дешевле благодаря использованию энергии воды, поставляемой самой природой, но распространение их ограничено в связи с тем, что экономичны они только там, где достаточно воды и благоприятен рельеф местности. Топливо же для котлов тепловых электростанций (уголь, нефть или газ) необходимо добывать из недр Земли весьма трудоемким путем и доставлять к месту потребления. Энергетические источники будущего Наряду с тепловыми электростанциями, использующими химическую энергию, источниками которой являются уголь, нефть и газ, начинает завоевывать признание атомная энергия, носителем которой в настоящее время практически прежде всего является уран. Первая атомная электростанция, давшая промышленный ток, была построена в 1954 году в СССР, а в 1959 году со стапелей был спущен атомоход «Ленин». С тех пор построено много более мощных атомных электростанций. Запасы урана достаточно велики, он дешев для транспортировки, отдаленность мест его добычи не имеет экономического значения. Если в будущем удастся осуществить управляемую термоядерную реакцию, то есть синтез ядер гелия из водорода, то топливо (водород, получаемый из воды) для производства электроэнергии мы будем иметь практически в неограниченном количестве. В настоящее время электроэнергия в большинстве случаев получается с помощью механических устройств, отдельные части которых движутся со значительным трением. На электростанциях химическая энергия превращается в тепло путем окисления топлива, а атомная в ядерных реакторах — в результате ядерных превращений. Полученный при помощи этого тепла пар приводит в движение турбины генераторов тока. Это в общем невыгодно, и не только потому, что значительное количество энергии из-за трения частей машин превращается в тепло (при этом часть полезной мощности пропадает), но главным образом вследствие того, что тепло, являющееся здесь промежуточным продуктом превращения энергии, может переходить в другие, нужные виды энергии лишь с очень низким коэффициентом полезного действия (см. гл. II, § 3). Поэтому целесообразно превращать энергию, заключенную в энергоносителях, в электрическую, минуя стадию тепла, поскольку электрическая энергия может быть принципиально полностью, а практически с- хорошим к. п. д. переведена в работу. Здесь открываются большие возможности, практическое осуществление которых — задача ближайшего будущего. Одна из этих возможностей заключается в том, что в некоторых химических соединениях под воздействием света может возникать до некоторой степени направленное движение ^электронов, то есть начинает течь ток1. Это так называемый фотоэлектрический эффект, который используется в фотоэлементах. Здесь можно говорить о превращении световой энергии в электрическую без выделения сколько-нибудь значительного количества тепла. Принципиально световое излучение Солнца можно таким образом превращать в электрическую энергию без потерь. На практике из-за технического несовершенства фотоэлементы работают пока с к. п. д., не превышающим 10 — 12%, следовательно, превращают в электрическую энергию только 10 — 12% падающего на них излучения. На пути широкого внедрения фотоэлементов в технику имеются и другие препятствия, однако в особых условиях (например, в приборах, установленных в отдаленных пунктах, на космических кораблях и т. д.) они незаменимы. В гальванических элементах возможно почти полное превращение химической энергии в электрическую, минуя стадию тепла. Этот вопрос мы разберем подробнее в главе III. На обычных электростанциях потери полезной работы возникают не только в связи с тем, что при превращении энергии она вначале переходит в тепло, но также из-за трения и износа твердых частей машины. Поэтому предпочтительнее такие машины (даже в случае неизбежного превращения энергии в тепло при их работе), которые не имеют твердых движущихся частей. Теоретически, а в какой-то мере и практически такое устройство можно выполнить при помощи термоэлементов, состоящих из двух различных спаянных между собой металлов или полупроводников, где тепло непосредственно превращается в электрический ток. Магнитогидродинамические генераторы также не содержат твердых движущихся частей, электрический ток возникает здесь в сильно нагретом ионизированном газе, пропущенном через магнитное поле. Однако эти установки вследствие их технического несовершенства пока еще не могут обеспечить производство электроэнергии в широких масштабах. |
