Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В отличие от теплового насоса, который расходует механическую энергию на перенос тепла, тепловой двигатель в наших автомобилях превращает тепло Q , выделяющееся при сгорании топлива, в необходимую для его движения механическую энергию W . Эффективность двигателя оценивается посредством так называемого коэффициента полезного действия (КПД), который равен отношению произведенной двигателем полезной энергии к энергии затраченной; чем КПД выше, тем двигатель эффективнее. Второе начало термодинамики неизбежно ограничивает эффективность W / Q любого теплового двигателя. Когда тепло передается от горячего источника с температурой T 2 (например, камеры сгорания в цилиндре топливного двигателя) холодному термостату с температурой T 1 (снаружи), то КПД идеального теплового двигателя, функционирующего по циклу Карно (см. главу 13, «Передача тепла от холодного источника горячему»), равен (1 – T 1 /T 2 ). В настоящее время наилучший КПД теплового двигателя, сжигающего бензин, составляет около 35 %: большая часть внутренней энергии, высвобождающейся при сгорании топлива, рассеивается в окружающей среде в виде тепла. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания гораздо менее эффективен по сравнению с электрическим двигателем, КПД которого составляет около 95 %. Поэтому сегодня лишь ограниченная автономность электромобилей задерживает их широкое распространение, а их будущее напрямую зависит от дальнейших успехов в создании новых поколений эффективных аккумуляторов большой емкости.

7. а.Щелочные батарейки, на которых работают, например, игровые приставки, преобразуют химическую энергию в электрическую. b.Аккумуляторы наших мобильных телефонов, состоящие из набора нескольких батарей, действуют по тому же принципу. В отличие от батареек, аккумулятор может быть многократно перезаряжен: при прохождении тока от внешнего источника химическая реакция в нем протекает в противоположном направлении, и реагенты восстанавливаются

Накопление и хранение электроэнергии является одной из важнейших задач. Поскольку ветряные генераторы и солнечные батареи вырабатывают электроэнергию неравномерно, то необходимо иметь возможность в фазе ее избыточного производства эти излишки сохранять для дальнейшего использования.

Как же поставлять электрическую энергию по требованию? Именно это и делают батарейки, которые хранят энергию в химической форме (илл. 7). Когда батарейка разряжается, в ней между различными компонентами происходят химические реакции. Эти так называемые окислительно-восстановительные реакции происходят путем обмена электронами между входящими в состав батарейки химическими соединениями. По мере их расходования батарейка садится. Топливный элемент по своему принципу действия практически не отличается от батарейки: в нем также протекает окислительно-восстановительная реакция. Теоретически он не садится, так как реагенты, которые питают его, постоянно восполняются. На практике срок службы топливного элемента, хотя он и длительный, все же также ограничен.

Водород представляется хорошим энергоносителем. Как получить его по низкой цене и экологичным способом? Одной из идей было воспользоваться ветряными турбинами или солнечными батареями, изменяющаяся со временем производительность которых приводит к необходимости накапливать, а затем отдавать выработанную энергию. Например, во время пиков производства энергии можно было бы путем электролиза разлагать воду на водород и кислород, которые уже можно хранить для дальнейшего использования. Иными словами, для хранения энергии можно осуществлять процесс, противоположный происходящему в водородном топливном элементе.

Однако хранение водорода сопряжено с трудностями. В чистом виде он взрывоопасен! Кроме того, резервуар для водорода в газообразном состоянии должен быть очень велик, а хранить его в жидком состоянии можно только в условиях высокого давления и низких температур…

Небольшая компания McPhy, работающая на юго-востоке Франции, предлагает инновационное решение: связывать водород металлом! Генеральный директор утверждает, что его вдохновило пророчество ученого Сайреса Смита, героя жюль-верновского «Таинственного острова»: «Что же будут сжигать вместо угля?» – спрашивают его. «Воду, – отвечает Смит. – Но воду, разложенную на свои составные элементы при помощи электричества», а именно на водород и кислород. Потому что вода, заключает он, – «уголь будущего», уголь, сжигание которого не выпускает парниковые газы…