Типы химических источников энергии

Хими́ческие исто́чники то́ка(аббр.ХИТ) — устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

История создания

Вольтов столб

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольтав 1800году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батареюиз этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом.

Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802году русский академик В. В.

Петровсконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».

В 1859году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммонияили другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV)MnO2с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890году в Нью-ЙоркеКонрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода(катод, содержащий окислительи анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

    в качестве восстановителя (на аноде) — свинецPb, кадмийCd, цинкZn и другие металлы;в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV)PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV)MnO2и другие;в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

    гальванические элементы(первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;электрические аккумуляторы(вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;топливные элементы(электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные(например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные(например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые(например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока

Гальванические элементы

Смотри также Категория:Гальванические элементы.

Другие типы:

Аккумуляторы

Смотри также Категория:Аккумуляторы.

Топливные элементы

Смотри также Категория:Топливные элементы.

Ссылки

    О химических источниках тока

Поиск Лекций

Атомная энергия.

Мы часто употребляем слово «энергия».

О сорте шоколада говорят, что он хорошо компенсирует затраты энергии, о полном сил человеке — «сгусток энергии», а учителей и воспитателей призывают энергичнее принимать меры. Учёные занимаются физикой высоких энергий, политики и экономисты обсуждают использование энергии солнца, ветра и атомного ядра. Но даже специалистам трудно сказать, что же это такое — энергия!

Весьма близким к истине было бы определение энергии как запасенной работы или способности совершать работу. Итак, энергия необходима для того, чтобы начать какое-либо движение, ускорить перемещение, что-то поднять, нагреть и осветить. Без энергетической подпитки невозможно любая жизнедеятельность, не двигаются автомобили, не работает отопление.

Энергия не может ни возникнуть из ничего, не исчезнуть бесследно. Но она может быть получена из природных ресурсов, таких как уголь, природный газ или уран, и превращена в удобные для нас формы, например в тепло или свет. В окружающем нас мире мы находим различные формы накопления энергии: вода в водохранилище обладает потенциальной энергией, движущийся автомобиль — энергией движения, натянутый лук — энергией натяжения, грозовые облака — электрической энергией, солнечные лучи — световой, нефть — химической, а в уране накоплена ядерная энергия.

Преобразование энергии на АЭС (начальные сведения о реакторной установке РБМК-1000)

Определение:Энергия это мера возможности совершить работу.

Для примера: Сжатая пружина в механических часах обладает энергией достаточной для работы часов в течении суток или более. Батарейки в детской игрушке позволяют ей работать в течении нескольких часов. Раскрутив детский волчок, можно сообщить ему энергию достаточную для вращения в течении некоторого времени.

Энергия и работа связанные между собой понятия, единицей для их измерения служит Джоуль [Дж]. Одно из определений работы из курса физики:

Определение:Работой силы F на прямолинейном пути s, в случае когда направление силы и направление движения совпадают, называется произведение силы на путь.

Опуская груз массой 1 кг на высоту s=1 м мы совершаем работу за счет силы тяжести. Сила тяжести G действующая на груз массой 1 кг рассчитывается по формуле:

где, ускорение свободного падения:

масса груза:

следовательно работа при опускании груза:

Подняв груз массой 1 кг на высоту 1 м мы совершили работу A=9.8 Дж.

Если груз отпустить, то под действием силы тяжести опустившись на 1 м груз может совершить работу. Другими словами тело массой 1 поднятое на высоту 1 м обладает энергией (возможностью совершить работу) равной 9.8 Дж. В данном случае речь идет о потенциальной энергии в поле силы тяжести.

Движущиеся тело может столкнувшись с другими телами вызвать их движение (совершить работу).

В этом случае речь идет о кинетической энергии. Сжимая (деформируя) пружину, мы сообщаем ей потенциальную энергию деформации(возможность совершить работу при распрямлении). В повседневной жизни мы наблюдаем непрерывное перетекание энергии из одного вида в другие.

Подбросив мяч мы сообщаем ему кинетическую энергию, поднявшись на высоту h он приобретает потенциальную энергию, в момент удара о землю мяч подобно пружине сжимается приобретая потенциальную энергию деформации, и т. д. Все выше перечисленные виды энергии относятся к механической энергии.

Виды и источники энергии

Тепловая энергия

Вторым, после механической, видом энергии, которым человек пользуется на протяжении почти всей своей истории является тепловая энергии.

Наглядное представление о тепловой энергии человек получает с пеленок: это горячая пища, тепло систем отопления в современной квартире (если его не отключили), или тепло печки в деревенском доме. Что же представляет собой эта энергия с точки зрения физики? Каждое физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело.

В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже чем в жидкости, а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого среднего положения, чем сильнее эти колебания тем большей тепловой энергией обладает тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его молекулы и атомы, при достаточно сильном «раскачивании» можно выбить молекулы со своего места и заставить хаотично двигаться. Этот процесс плавления наблюдал каждый, нагревая в руке кусочек льда.

Продолжая нагрев мы как бы разгоняем движущиеся молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное количество тепловой энергии можно превратить его в газ. Такой процесс испарения протекает кипящем чайнике.

Электрическая энергия

Мельчайшей электрически заряженной частицей является электрон, который в ходит в состав любого атома. Для нейтрального атома суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, а заряд всего атома равен нулю. Если удалить несколько электронов, то сумма зарядов электронов и ядра станет больше нуля.

Если добавить лишних то атом приобретет отрицательный заряд. Из физики известно что два противоположно заряженных тела притягиваются. Если на одном теле сосредоточить положительный заряд (удалить с атомов электроны) а на другом отрицательный (добавить электроны), то между ними возникнут силы притяжения, но на больших расстояниях эти силы очень малы.

Соединив эти два тела проводником (например металлической проволокой в которой электроны очень подвижны) мы вызовем движение электронов от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному телу. Движущиеся электроны могут совершить работу (например накалить нить электролампы) следовательно заряженные тела обладают энергией. В источнике электрической энергии происходит разделение положительных и отрицательных зарядов замыкая электрическую цепь мы, как бы позволяем разделенным зарядам соединится но при этом заставляем их выполнить необходимую нам работу.

Химические источники энергии.

Самым первым источником энергии, который человек поставил себе на службу, были обыкновенные дрова для пещерного костра. При горении происходят химические реакции окисления. Самой распространенной и широко используемой, с древних времен и до наших дней, является реакция окисления углерода:

Углерод в ходящий в состав любого органического топлива (уголь, дерево, нефть, газ), взаимодействуя с кислородом атмосферы образует углекислый газ и выделяется тепловая энергия.

Химические реакции могут происходить как с поглощением так и с выделением энергии, сама энергия может быть как тепловой так и электрической. В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической энергии, при зарядке происходит поглощение электрической энергии.

К химическим источникам электрической энергии относятся гальванические элементы и аккумуляторы.В них химическая энер­гия окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию постоянного тока.Классификация химических источников тока.Не вдаваясь в детали устройства химических источников и протекающих в них химических реакций, остановимся на эксплуатацион­ных показателях наиболее распространенных их типов.Марганцево-цинковые элементы со щелочным или солевым электролитом выпускаются промышленностью в двух конструктивных разновидностях: стаканчиковой (цилиндрической) и в виде параллелепипеда или диска (галетной). Они отличаются малой стоимостью, широким температурным диапазоном и длитель­ным сроком хранения.Эти элементы, как и все остальные химические элементы, разово­го действия.Таблица вторичных источников питания.Ртутно-цинковые элементы имеют высокую механическую прочность, малый уровень саморазряда (3-5% за месяц), срок хранения более 18 месяцев, безвредны для обслуживающего персонала, но в их производстве применяются весьма вредные ве­щества.

Стоимость этих элементов в 12-17 раз выше, чем марганцево-цинковых.Медно-магниевые элементы из-за большого само­разряда применяются как резервные. Они приводятся в действие введением специального активатора непосредственно перед употреб­лением. После активации их срок хранения меньше суток.

Разряд этих элементов сопровождается саморазогреванием, что позволяет им работать при весьма низких температурах, но активация должна производиться при положительной температуре. Стоимость таких элементов почти в 20 раз выше, чем марганцево-цинковых.Аккумуляторы отличаются от гальванических элементов тем, что окислительно-восстановительные процессы в них обратимы. Поэтому они пригодны для многократного использования.

Промыш­ленностью выпускаются различные типы аккумуляторов, которые классифицируются по виду электролита на кислотные и щелоч­ные, по материалу электродов на свинцовые, кадмиево-никелевые, серебряно-цинковые и др., по конструкции на ламельные, безламельные, герметизированные и др.Щелочные кадмиево-никелевые ламельные (КН)и безламельные(КБН)аккумуляторы (открытые, непроливаемые и герметизированные) просты в эксплуатации, имеют срок службы 50-1000 циклов заряд — разряд, обладают самой высо­кой механической прочностью из всех химических источников тока, саморазряд их не превышает 20% за месяц, сохранность в залитом состоянии более двух лет. Эти аккумуляторы работают в широком диапазоне температур с относительно небольшим снижением удель­ных показателей. Стоимость герметичных кадмиево-никелевых аккумуляторов почти в сто раз выше, чем марганцево-цинкового элемента той же емкости, но больший срок службы снижает стоимость источника питания с таким аккумулятором при длительной эксплу­атации.Серебряно-цинковые аккумуляторы обла­дают наилучшими удельными характеристиками.

Однако они выдерживают только 50-100 циклов перезарядки. Саморазряд их составляет 5-10% за месяц. Сохраняются они без электролита 5 лет, а с электролитом только 6 месяцев.Поделитесь полезной статьей:

Химические источники тока– это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

Химические источники электротока

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения. Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источникипитания. Востребованность химических источников токав обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Конструктивно химические источники токапредставляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Последовательное соединение(согласное включение)

Еобщ= Е1+ Е2+ Е3

Смешанное соединение(встречное)

Еобщ= Е1– Е2+ Е3

Смешанное соединение аккумуляторов

Параллельное соединение источников питания. ( Такое соединение применяетсядля увеличения тока в цепи. )Еобщ= Е1= Е2= Е3В зависимости от характера работы различные типы химических источниковпитания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции.

При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.К химическим источникам токапредъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.

Источники:

Последовательное включение аккумуляторов

  • dic.academic.ru
  • poisk-ru.ru
  • fazaa.ru
  • selectelement.ru

Поделиться:
Нет комментариев