Павел Ощепков - Жизнь и мечта
А разве плохо было бы создать, образно говоря, колебательный контур, в котором поочередное взаимообращение происходило бы не между электрической и магнитной формами энергии, а между электрической и. тепловой ее формами? Мыслимо ли такое?
Я думаю, более того, я твердо убежден, что это мыслимо. Электрическая форма энергии уже сейчас легко и просто превращается в тепловую форму энергии на любом омическом сопротивлении. А вот осуществить обратный процесс пока не удалось. Но можно ли утверждать, что его никогда не удастся открыть? Многие факты говорят за то, что подобный процесс можно осуществить.
Какое значение для человечества будет иметь это открытие, мы не можем сейчас в полной мере даже оценить.
Самой пылкой фантазии не хватило бы для такой оценки, ибо любое новое взаимопревращение видов энергии неминуемо приведет к целой серии других, не менее важных открытий. На некоторых из них мы остановимся в конце этой главы. Сейчас же пока скажем, что такая задача сама по себе представляет большой научный и практический интерес.
Мне могут на это возразить:
— Позвольте, процессы обратного превращения тепловой энергии в электрическую уже открыты, над ними сейчас работают, некоторыми процессами этого рода мы даже пользуемся в технике.
При этом назовут такие процессы, как термоэлектрический способ получения электроэнергии (термопары металлические и термопары полупроводниковые); магнитно-гидродинамический способ преобразования тепловой энергии раскаленных до высокой температуры газов; термоионный и термоэлектронный способы преобразования тепловой энергии в электрическую и т. д.
Действительно, над всеми этими способами сейчас работают, а термопарами мы широко пользуемся в измерительной технике. Но все эти способы, по существу, не являются ответом на поставленный вопрос, они не дают и не могут дать прямого, стопроцентного преобразования тепловой энергии в электрическую.
253
Во-первых, все они требуют для своего осуществления высоких температур; во-вторых, они ограничены приведенным соотношением, устанавливающим коэффициент преобразования много ниже единицы. При этих условиях колебательного контура тепло — электричество, электричество — тепло получить нельзя.
Самым идеальным в этом случае было бы отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую проблему современности.
ТАК ЛИ УЖ ДЕРЗКА ЭТА МЕЧТА-ПРОБЛЕМА!
Можно ли отыскать такие примеры? Да, можно. Уже сейчас известно, например, явление люминесценции на границе дырочной и электронной проводимости в полупроводниках с поглощением энергии окружающей среды. Известно явление прямого преобразования тепловой энергии, окружающей среды в энергию движущихся электронов на спае двух разнородных металлов (явление Пельтье и Зеебека). Известно поглощение или выделение тепловой энергии в работающих аккумуляторах и гальванических элементах, на чем я хочу остановиться особо.
От гальванических элементов мы получаем, как известно, электрическую энергию. Но откуда эту энергию черпает сам гальванический элемент?
Всякий на этот вопрос ответит: из химической реакции, которая протекает внутри гальванического элемента во время разряда. Верно ли это? Во всех ли случаях происходит именно так? Оказывается, нет.
Химические реакции, как известно, бывают экзотермические и эндотермические, т. е. с поглощением или с выделением тепла. Если гальванический элемент во время разряда нагревается, то это означает, что энергии его химической реакции достаточно не только для производства электрической работы, но и для выделения тепла во внешнюю среду. Если же гальванический элемент во время разряда охлаждается, то это значит, что энергии его химической реакции недостаточно для производства электрической работы и недостающую часть энергии он поглощает из окружающей среды.
254
В подтверждение этого можно сослаться на конкретные системы гальванических элементов. В элементе Даниэля, например, основанном на реакции «цинк + сернокислая медь + медь + сернокислый цинк», общее количество освободившейся энергии составляет 55 189 калорий на моль[10]. Однако точными измерениями установлено, что в электрическую энергию в нем превращается не вся эта энергия, а только часть ее, а именно — 50435 калорий на грамм-эквивалент превращения.
Спрашивается, куда же девалась остальная часть выделившейся энергии в количестве 4754 кал? Она израсходована на повышение температуры гальванического элемента, т. е. в конечном счете выделилась в окружающее пространство. Опыт вполне подтверждает это. Элемент во время разряда действительно нагревается.
Но есть гальванические элементы и с эндотермической химической реакцией. Например, в гальваническом элементе, в котором химическая реакция идет по схеме «арсенид меди + свинец-)-арсенид свинца + медь», выделяется 16520 калорий на моль, а в электрическую энергию превращается 21 960 калорий на грамм-эквивалент превращения. Откуда берет этот гальванический элемент недостающую часть энергии в количестве 5440 кал? Оказывается, он забирает ее от окружающей среды. И действительно, если приток тепла извне затруднить, то этот элемент во время разряда будет охлаждаться.
Практический опыт наглядно это подтверждает.
Но если все это так и гальванические элементы с эндотермической реакцией действительно способны хотя бы частично забирать от окружающей среды тепло для выработки электрической энергии, то, может быть, можно найти такие системы их, в которых эта доля тепловой энергии, идущей на выработку электрической энергии, значительно больше? Элемент системы Бугарского это вполне подтверждает. В этом элементе химическая реакция идет по схеме «хлористая ртуть + едкий калий + окись ртути + хлористый калий + вода». Общее количество энергии, связанное с этой реакцией, составляет 3280 калорий на моль. Однако значение ее отрицательно, так как реакция полностью эндотермическая.
255
Теоретически было установлено, что приращение э. д. с. для такого элемента составляет +0,000807 вольта на градус. А опытным путем для того же элемента было найдено значение 0,000837 вольта на градус. Таким образом, теоретические и опытные данные почти совпадают.
Элемент Бугарского замечателен тем, что он поглощает из окружающей среды теплоту не только для производства электрической работы, но и для самой химической реакции в нем.
Единственная ли это химическая реакция, дающая возможность непосредственно преобразовывать теплоту окружающей среды в электрическую энергию?
По-видимому, нет.
Данная реакция не вызвала большого интереса у специалистов по гальваническим элементам, возможно, по двум причинам: во-первых, участвующие в этой реакции химические вещества вредны для здоровья; во-вторых, развиваемое таким элементом напряжение очень низко — всего лишь 0,1636 В, по сравнению с другими известными гальваническими элементами он не конкурентоспособен. Однако сейчас нас должна интересовать не эта сторона, а принципиальное значение данной химической реакции как средства преобразования тепловой энергии окружающего пространства в электрическую работу.
Можно полагать, что дальнейшие поиски в этом направлении смогут привести к открытию реакций, практически более удобных в обращении. Можно найти, вероятно, и такие реакции, которые пойдут с одним электролитом, при однородных электродах, но с различной их температурой. Предварительно проведенные опыты эту мысль также подтверждают.
Предстоит, конечно, еще длинный путь поисков практически пригодных способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, но приведенные факты с явлением Гиббса — Гельмгольца в гальванических элементах и в аккумуляторах составляют веху на этом пути. Для некоторых аккумуляторов доля электрической энергии, полученной за счет поглощения тепла от окружающей среды при разряде, составляет около 6%.
Запасы же энергии в окружающей среде, как мы знаем, бесконечны. Энергия эта и безвредна и неистощима.
256
Вся природа, окружающая нас на Земле, находится, как известно, при температуре около 300° К. Понятие «холод» условно, природа его не знает. Все температуры могут отсчитываться только от абсолютного нуля.
Следовательно, с полным основанием можно сказать, что мы живем в тепловом энергетическом океане.
Только в одной земной атмосфере на каждый градус ее температуры в слое воздуха толщиной всего лишь в 1 км содержится приблизительно миллиард миллиардов кВт-ч энергии. Это ли не энергетический океан? А недра Земли, а водные пространства? В них заключено энергии еще больше. Вся энергия, которую мы ежедневно расходуем, сжигая уголь, нефть, торф или перерабатывая гидроэнергоресурсы, в конечном счете также идет на пополнение этого безбрежного энергетического океана.
