1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (Нетрадиционные возобнавляемые источники энергии. А.М. Магомедов, 1996u), страница 10

Примерно сто лет назад были попытки объяснить солнечную энергию постоянно падающими на Солнце метеоритами, кинетическая энергия которых превращается в тепло. Однако расчеты показывают, что зто исключено хотя бы потому, что увеличение массы Солнца за счет метеоритов должно было бы привести к заметному увеличению солнечной гравитации. Предполагали также, что под действием собственной гравитации Солнце сжимается, и освобождающаяся при этом энергия превращается в-тепло. Но это должно было бы привести к заметному уменьшению диаметра Солнца, н более того, как показывают подсчеты, оно бы уже остыло. Так что и эта теория оказалась несостоятельной. Таким образом, классическая физика и химия не смогли ответить на вопрос о происхождении энергии, излучаемой Солнцем в течение миллиардов лет.

Только современная атомная физика показала, что источником солнечной энергии являются ядерные превращения, происходящие в недрах Солнца. Ядерные реакции - источник энергии Солнца Революция в физике, совершившаяся на рубеже Х1Х и ХХ веков в частности благодаря открытию радиоактивности (Беккерель,1896), раз- 41 работке квантовой теории (Плаик,1900) и теории относительности (Эйнштейн,190э1, привела к открытию ядерных реакций, при которых освобождается в миллионы раз больше энергии, чем при химических.

В ходе ядерных реакций (радиоактивного распада) атомные ядра (неделимые с точки зрения классической физики) одних радиоактивных элементов превращаются в атомные ядра других. В природе происходит естественный радиоактивный распад ряда химических элементов..В лабораторных условиях в настоящее время возможно искусственное превращение атомных ядер всех химических элементов.

Эти процессы совершаются при бомбардировке атомных ядер различных элементов высокоэнергетическими ядерными частицами. На основе лабораторных исследований ядерных реакций Бете (1938) пришел к заключению, что энергия, излучаемая Солнцем, - это продукт происходящего на Солнце процесса слияния (синтеза) ядер атомов водорода (протонов) в атомные ядра гелия.

При этом возникают также позитроны (е') и нейтрино (ч) в соответствии с брутгоуравнением 1отнесенным к одному молю (4 г) Не. 4Н -+Не+ 2еь + 2ч + 580 1Уккал. Синтез ядер, ведущий к образованию гелия, происходит при температуре в миллионы градусов (поэтому эти процессы называют термоядерными реакциями) и при очень высоком давлении. Для наглядного представления об истинных размерах энергии, освобождающейся прн ядерном синтезе, интересно сравнить его с реакциями окисления водорода или углерода„которые относятся к числу наиболее "энергетически богатых" химических процессов: 2Нэ+ Оэ-ь 2Н~О+ 137 ккал, С + Ог -+ СОэ + 94 ккал. Видно, что энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях, во много миллионов раз превосходит теплоту сгорания.

С помощью спектроскопических исследований установлено, что Солнце в основном состоит иэ водорода: на каждые четыре атома водорода приходится только один атом гелия, В течение 5-6 миллиардов лет, прошедших со времени возникновения Солнца, лишь относительно небольшая часть содержащегося в ием водорода превратилась в гелий. Следовательно, Солнце может излучать энергию еще в течение нескольких миллиардов лет. Таким образом, благодаря успехам современной физики доказано, что потребность в энергии живой и неживой природы, а также человеческого общества, в конечном счете удовлетворяется за счет термоядерных 42 процессов, происходящих на Солнце.

При современных способах получения атомной энергии ее можно использовать лишь после многочисленных преобразований. Осуществление в искусственных условиях управляемой термоядерной реакции дало бы человечеству мощный источник энергии. Вот почему над этой проблемой работают физики всего мира. Неуправляемый ядерный синтез с огромной скоростью совершается при взрыве водородной бомбы. 5 б. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ КАК НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ Как уже отмечено выше, большинство источников энергии несет в себе энергию солнечного излучения в виде химической энергии, которая различными способами может быть превращена в форму, удобную для использования.

Химическая энергия с точки зрения термодинамики и теории строения вещества К исследованию химической энергии можно подойти двумя различными путями. При макроскопическом подходе достаточно ограничиться непосредственно наблюдаемыми энергетическими процессами, ие принимая во внимание механизма этих процессов. Именно таким путем идет термодинамика, которая обеспечивает теоретическую основу при разработке тепловых двигателей.

Для определенного уровня практических требований такой подход вполне удовлетворителен. Однако более глубокое понимание процессов превращения энергии возможно только при проникновении в микромир, т.е. при исследовании свойств атомных и молекулярных структур, которые лежат в основе процессов возникновения и разрыва химических связей. Этими вопросами занимается наука о строении вещества, в частности атомная физика и квантовая теория.

Структура атомов и молекул чрезвычайно сложна, поэтому упрощенное представление о ней (хотя оно и возможно) весьма грубо отражает действительность. Полученные на основе такого представления результаты часто недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, следовательно, их 'применение на практике весьма ограничено. Дальнейшее развитие науки потребовало разработки теорий, более точно отражающих действительность, а поэтому более сложных и гораздо менее наглядных.

Такой теорией является квантовая теория ~квантовая механика и квантовая химия)„изучающая структуру и превращения атомов и молекул. Эта теория лишена наглядности„она занимается скрытыми явлениями природы, нигде непосредственно не встречающимися, которые не воспринимаются нашими органами чувств. Химические связи и химическая энергия При образовании химических связей между атомами освобождается энергия. Эта энергия в большинстве случаев выделяется в виде тепла, но при определенных условиях можно большую часть освобождающейся химической энергии перевести в работу. Другими словами, между атомами возникает сила химического притяжения, которая при образовании химической связи между двумя атомами производит работу. Если, напротив, мы хотим разделить уже связанные атомы, разорвать химическую связь, то нужно произвести работу, т.е.

затратить энергию. Следовательно, суммарная энергия двух отдельных друг от друга атомов больше, чем энергия двух химически связанных атомов. Разница этих энергий и есть энергия связи, эквивалентная той работе, которую необходимо затратить,' чтобы разорвать химическую связь между двумя атомами. Энергия связи Энергия, которая называется химической, - это собственно энергия, выделяющаяся при образовании химических связей в веществах, являющихся продуктами химического превращения.

Естественно, что молекулы большинства веществ состоят не из двух, а из большего количества атомов; химическая энергия таких веществ - сумма энергий - тем выше, чем больше число атомов, входящих в состав молекулы, и тем меньше, чем больше сумма энергий связи этих атомов. Энергия связанного состояния каждой пары атомов меньше, чем энергия свободного состояния. В молекуле, состоящей более чем из двух атомов, энергия связи двух атомов зависит не только от свойств этих атомов, но и от свойств остальных атомов и их положения в молекуле.

Два одинаковых атома в различных соединениях могут быть по-разному связаны друг с другом (например,,одно-, двух- или трехвалентными связями). Так, в случае одинарной связи атомов углерода и кислорода (С-О) энергия связи Е„= 85 ккал/моль, а в случае двойной связи (С=О) Есв =180 ккал/моль. Энергией связи обладают не только соединения, но и химические элементы, поскольку химическое притяжение может действовать также между одинаковыми атомами.

В земных условиях большинство элементов существует не в виде изолированных атомов, а в виде двух- или многоатомных молекул. В некоторых веществах, находящихся в твердом или жидком агрегатном состоянии, возможно существование химических связей между атомами без образования молекул (так, энергия связи, между атомами углерода равна 85 ккал/моль на каждую связь). Лишь немногие вещества состоят из отдельных атомов (например пары металлов или инертные газы), кислород, азот и водород образуют двухатомные молекулы, где два одинаковых атома обладают значительной энергий связи: 44 ОмЕч=96 клал/моль; о1ь Е =226 клал/моль; Нг-Ее =104,2 клал/моль.

Таким образом, химическая связь между двумя одинаковыми или различными атомами образуется в том случае, если при этом стабильность нх внешних электронных оболочек увеличивается, а их энергия уменьшается. Освобождающаяся здесь энергия называется энергией химической связи. Вопросы химической связи рассматриваются в квантовой химии, которая позволяет в относительно простых случаях установить, какие атомы и прн каких условиях могут образовывать химическую связь, какая при этом выделяется энергия, какова структура вновь образованной молекулы. з 7. ОСВОБОЖДЕНИЕ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Если известны состав н структура соединения, свойства составляющих его атомов, каким образом эти атомы связаны между собой и какая энергия соответствует различным связям, то можно вычислить сумму всех энергий связи, т.е. количество химической энергии на 1 моль данного вещества, Какие вещества можно рассматривать как энергоносвтелиу Химическая энергия может быть превращена в тепло, в работу или в другой вид энергии только с помощью химической реакции, Если продукты превращения содержат меньше химической энергии, чем исходные вещества, то реакция идет с выделением энергии.

Пригодность вещества для производства энергии зависит от того, к каким превращениям оно способно. Проведем аналогию с процессом использования энергии воды. В каждом озере или другом водоеме вода обладает потенциальной энергией, величина которой, отнесенная, например к 1 кг воды, зависит от того, на какой высоте эта вода находится. Однако только высота еще ничего не говорит о том, можно ли эту энергию воды испольэовать для получения электроэнергии на гидроэлектростанции'. Если например озеро, находящееся на высоте 500 м над уровнем моря, окружено со всех сторон высокими отвесными скалами или большими плоскогорьями и иет никакой возможности отвести эту воду на более низкий уровень, то ее потенциальная энергия практически не может быть использована.

Но если вблизи такого озера имеется место, лежащее несколько ниже, куда может быть отведена вода, то разинцу в потенциальной энергии на этих двух уровнях можно превратить в другой вид энергии, следовательно, использовать воду этого озера для производства энергии. Таким образом, чтобы судить о том, можно ли данное вещество рассматривать как "энергоноситель, недостаточно знать только химическую энергию„содержащуюся в веществе (энергию связи). В исходном состоянии химическая энергия для иас так же бесполезна, как и потенциальная энергия покоящейся в озере воды. Необходимо знать, возможно ли прн данных условиях такое химическое превращение, при котором конечный продукт будет энергетически более бедным, чем исходный. Например, энергия связи углекислого газа СОэ или азота Хэ составляет соответственно 360 и 226 ккал1моль, но ни один из этих газов нельзя рассматривать как энергоноситель, так как на Земле в естественных условиях невозможно осуществить такой процесс с их участием, конечный продукт которого был бы энергетически более бедным веществом, чем данные исходные продукты.