автоматически накачивает в эту цистерну двадцать литров воды.
Ю. Xарик
ДОЛЖЕН ЛИ УГОЛЬ ГОРЕТЬ?
Вы топите печь. Обыкновенную печь. Удобная это вещь, правда? Подбрасываешь дрова, а взамен получаешь тепло. Сколько вы уже набросали дров? Поленьев десять. А сколько получили тепла? Соответственное количество.
Так ли это? Если подсчитать, то окажется, что с пользой для получения тепла израсходована только 1/20 часть дров. А остальные? Да попросту улетучились. Конечно, печь далеко не совершенный тепловой агрегат. Приведём другой пример. Среди тысяч разнообразных машин, которые сегодня работают на человека, трудно найти более совершенные, чем турбины современной мощной теплоэлектростанции. И, несмотря на это, даже самые лучшие из них превращают в электрическую энергию лишь четвёртую часть угля. Если бы весь уголь, добываемый в Советском Союзе за год — примерно 600 000 000 тонн, — использовался для выработки электрической энергии и был сожжён в топках электростанций, то лишь 100 с лишним миллионов тонн превратилось бы в электричество, а свыше 400 миллионов тонн попросту улетучилось бы. Только для того, чтобы перевезти этот уголь, понадобилось бы 8 000 000 вагонов! Вот вам и турбина!
В чём же дело? Оказывается, в том, что агрегаты тепловой электрической станции не могут работать лучше, так как основаны на несовершенном способе. Конечно, современные теплоэлектростанции непохожи на те костры, в которых наши предки сжигали волшебные «чёрные камни», то есть уголь, да и с домашней печкой имеют мало общего. Однако за многие века, отделяющие нас от этого времени, принцип использования энергии угля совсем не изменился.
Как же работает теплоэлектростанция? Уголь поступает в топку парового котла, где сгорает, превращаясь в горячие газы. Эти газы, нагревая воду, находящуюся в барабане и трубках котла, превращают её в пар. Пар поступает в турбину и приводит её во вращение. Турбина связана с генератором, который и вырабатывает электрическую энергию. Большой путь проходит химическая энергия угля, пока она превратится в электрический ток. В паровом котле она превращается в тепловую энергию, в турбине теплота переходит в механическую энергию вращения и лишь в генераторе происходит последнее превращение — механической энергии в электрическую. Всё как будто бы хорошо, но во всей этой цепочке превращений есть одно слабое звено. Это звено — теплота, которую недаром называют «неполноценной энергией». И действительно, очень легко превратить почти полностью любой вид энергии в тепло, зато обратный процесс идёт с большими трудностями и потерями.
Наука о тепловой энергии — термодинамика — говорит о том, что пар, полученный в котле теплоэлектростанции, мог бы полностью отдать свою энергию турбине только в том случае, если бы охладился до температуры так называемого абсолютного нуля, до —273°, или же если б его начальная температура была бесконечно большой. Конечно, ни на одной станции добиться этого нельзя.
Попробуйте проделать такой опыт: рядом с накалённым утюгом поставьте холодный утюг. Через некоторое время вы заметите, что горячий утюг начал остывать, а холодный — нагреваться. Так будет продолжаться до тех пор, пока температуры обоих утюгов не станут одинаковыми. Из этого опыта видно, что тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
Значит, если не прибегать к специальным сложным устройствам (например, к холодильникам), то для охлаждения какого-либо тела надо иметь другое тело — более холодное. В лабораториях учёных с помощью сложных приборов и больших затрат энергии удалось получить температуру, близкую к абсолютному нулю. Но это в лаборатории, где имеют дело с граммами вещества. А как же быть на теплоэлектростанции, где нужно охлаждать сотни тонн пара в час? Здесь пар охлаждается в конденсаторах, через которые пропускается обычная вода. Но так как даже в самые сильные морозы температура охлаждающей воды гораздо выше абсолютного нуля, то с её помощью не удаётся охладить пар настолько, чтобы отобрать у него хотя бы половину энергии. Другой путь — повышение температуры теплоносителя — также имеет предел.
Что же это за процесс — горения и получения теплоты, — который является столь расточительным?
Горение — это процесс окисления, то есть присоединение кислорода к углероду в том случае, если сжигается уголь. Но так как и кислород и углерод состоят из атомов, то есть мельчайших своих частичек, а атомы, в свою очередь, имеют электроны, то есть ещё более мелкие, чем атом, частички, заряженные отрицательным электричеством, то можно сказать, что горение — это обмен электронами между кислородом и углеродом. Атомы углерода при нагревании теряют электроны, атомы кислорода присоединяют их. Таким образом, происходит движение электронов, а это уже электрический ток.
В процессе горения миллиарды электронов переходят из углерода в кислород, но вся беда в том, что эти электроны движутся беспорядочно, в разные стороны. Электрический же ток — упорядоченный поток электронов. Процесс горения можно сравнить с движением горного потока, который бесцельно тратит свою энергию. Если же горный поток заключить в трубы и заставить его течь в нужном направлении, то он сможет вращать колёса турбин, орошать поля и т. д. Так и поток электронов при горении мог бы не разогревать топливо, а стать источником электрического тока. Но как это сделать, как заставить огромное количество электронов двигаться в определённом порядке, как сделать их «послушными»?
Всем, конечно, знакома обыкновенная батарейка от карманного фонаря. В батарейке происходят те же явления, что и при горении угля. Батарейка, или, что одно и то же, гальванический элемент, состоит из двух разных стержней (электродов), помещённых в электролит, то есть в среду, проводящую электрический ток. Один электрод цинковый, а другой — угольный. Цинк, растворяясь в электролите, теряет электроны, уголь же их присоединяет. Если соединить полюса батарейки проводником, то по нему потёчет электрический ток.
Отличие этого процесса от горения угля в прямом смысле заключается в том, что при горении угля обмен электронами между углеродом и кислородом происходит сразу во всём пространстве. В батарейке же процесс обмена электронами между цинком и углём происходит в двух строго определённых местах: на поверхности отрицательного цинкового электрода и положительного угольного. Благодаря этому в батарейке создаётся порядок в движении электронов, то есть электрический ток.
Батарейка — очень удобный источник энергии. Он в особенности незаменим в тех случаях, когда потребляется мало электрической энергии, причём не непрерывно, а время от времени. А почему бы не построить уже сейчас электростанцию, работающую от батарей из таких элементов? Ведь их коэффициент полезного действия очень высок! К сожалению, сделать это нельзя, так как срок службы элементов невелик.
Идея создания электрического элемента возникла давно. Ещё в 1802 году изобретатель безопасной шахтёрской лампы Хэмфри Дэви высказал предположение, что химическую энергию, высвобождающуюся при окислении угля, можно непосредственно преобразовать в электрическую. К сожалению, Дэви не удалось изготовить такое устройство. Зато уже в 1839 году была продемонстрирована первая так называемая газовая батарея. В ней энергия реакции окисления водорода преобразовывалась непосредственно в электрический ток. Газовая батарея — это первый топливный элемент, где химическая энергия топлива непосредственно превращалась в электрическую.
Конечно, первый топливный элемент был очень несовершенен и обладал малой мощностью. Работы продолжались. И лишь совсем недавно были созданы промышленные топливные элементы. Какие же внутренние процессы сопровождают их работу?
