Водород как альтернативное топливо

Водород является эффективным аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику, когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. Запасы водорода неистощаемы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержаться в молекулах воды^*. Формула воды (Н2О). Водород – одна из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В мировом океане он содержится в каждой капле воды. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При сжигании водорода образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, что бы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии^*.

Удельная энергоемкость водорода составляет 120 600 кДж/кг или 28 800 ккал/кг, в то время как удельная энергоемкость газа пропана равна 11 000 ккал/кг, а нефти – 10 000 ккал/кг. Видно, что водород обладает большей энергоемкостью, чем газ и нефть.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза.

Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относятся к «водородной энергетике» будущего, т. е. внутренней энергии молекул воды. Полученный водород достаточно удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат. Известны основные способы хранения водорода:

– в виде сжатого газа в танкерах;

– в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре 423 градуса по Фаренгейту (-203 ^оС);

– металлогидрический способ – наиболее перспективный. Гидриды металлов служат источником водорода, который получается за счет химической реакции или термического разложения;

– водород можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом. После этого можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости.

Еще в 1847 г. французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге «Таинственный остров», он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива «Вода, – писал он, – представит неиссякаемые запасы тепла и света». Со времен Жюль Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективный из них – электролиз воды (через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад.Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает).

Сейчас водород широко используется в современных технологиях:

– в качестве восстановителя многих окислов металлов;

– для гидрирования нефтяных остатков и органических соединений;

– получения пищевых жиров;

– высококалорийное горючее в ракетной технике.

Широкое применение водородного топлива может решить важнейшие актуальные проблемы:

– удовлетворить возрастающие потребности в энергии;

– уменьшить потребление органического и ядерного топлива;

– снизить загрязнение окружающей среды.

 

Глава 15. Энергия и ее виды: тепловые,

Гидро- и атомные электрические станции

Энергия и ее виды

Атомы – это наименьшие химически неделимые частицы вещества, основные кирпичики, из которых построено все вокруг нас. По своему строению атом напоминает миниатюрную Солнечную систему. В центре атома располагается очень плотное тяжелое ядро, которое состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядро имеет положительный заряд, величина которого определяется числом протонов в ядре. Масса протона и нейтрона почти одинаковы и примерно равны одной условной единице (атомной единицей массы – а.е.м.). Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро, называют нуклонами (от лат. «nucleus», что означает «ядро»). Нуклоны удерживаются в ядре мощными ядерными силами притяжения, которые уравновешивают силы отталкивания положительно заряженных протонов.

В каждом ядре атома нуклоны находятся на определенном расстоянии друг от друга. В масштабах ядра в качестве единицы измерения расстояния используют ферми (Ф). Эта единица измерения названа по имени итальянского физика Энрико Ферми.

Заряд и масса элементарных атомных частиц:

– поперечное сечение атома – -10^{-10 м;}

– атомное ядро – -10–10^{-15 м;}

– 1 ф = 10^{-15 м;}

– заряд протона – +1,60 ∙ 10^-19 Кл;

– заряд электрона – -1,60 ∙ 10^-19 Кл;

– масса электрона – 9,11∙ 10^{-31 кг;}

– масса протона – 1,673 ∙ 10^{-27 кг;}

– масса нейтрона – 1,675 ∙ 10^{-27 кг.}

Энергия связи нуклонов в ядре атома значительно превосходит энергию химической связи атомов в молекуле. Поэтому в процессе химических превращений ядра атомов не разрушаются, происходит лишь перегруппировка атомов.

Ядро окружают легкие, отрицательно заряженные частицы – электроны, которые по размерам и массе уступают нуклонам. Масса электрона более чем в 1800 раз меньше массы нуклона. Электрон, протон и нейтрон называют элементарными частицами.

Процесс радиоактивного распада всегда сопровождается экзотермическим выделением энергии. Разложение и горение – это процессы обратные росту, ведущие к разрушению сложных органических молекул и построению из их атомов простых неорганических веществ. В процессе разложения и горения идет лишь перегруппировка атомов, а не их изменение. Закон сохранения массы (вещества) гласит: «атомы в химических реакциях не исчезают, не образуются, не преобразуются друг в друга, они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений». Это не относится к ядерным реакциям.

Химическая реакция – это не просто перегруппировка атомов. Одновременно происходит:

– выделение энергии (экзотермическая реакция);

– поглощение энергии (эндотермическая реакция).

Различают твердое, жидкое и газообразное вещество. Любое вещество занимает пространство, имеет массу, может быть взвешенно.

Энергия не занимает определенного пространства. Она способна совершать работу, т. е. не измеряется единицами веса и объема. Форма энергии:

– свет и другие формы излучения;

– тепловая энергия – излучение, проведение, испарение;

– движение – физическое, механическое, биологическое;

– электрическая, электромагнитная.

Согласно представлениям науки энергия – это способность тела или системы тел совершать работу. Имеется много классификаций видов и форм энергии. Назовем те ее виды, с которыми человек наиболее часто встречается в процессе своей жизнедеятельности, например:

– кинетическая – механическая энергия, энергия движения тел, тепловая энергия, обусловленная движением молекул;

– потенциальная – энергия масс притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц – энергия упругодеформированного тела, химическую энергию.

Конечно, основной источник энергии – это солнце. Под действием лучей солнца, хлорофилла растений, углекислого газа, в результате фотосинтеза образуется органические вещества, а из воды в результате фотолиза – кислород. Уголь, подземный газ, торф, дрова и сланцы представляют собой запасы лучистой энергии солнца. Вода и ветер также получаются за счет солнечной энергии. Запасы энергии заключены в ядрах атомов химических элементов.

В международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят джоуль от имени первооткрывателя «Закона сохранения энергии» – англ. физика Дж. Джоуля. Если расчеты связаны с теплотой, биологической, электрической и многими другими видами, что в качестве единицы энергии применяется калория (кал) или килокалория (ккал)

1 кал. = 4,18 Дж или 1 ккал = 4,18 кДж

Одна калория – это количество тепловой энергии необходимое для нагревания 1 мл воды на 1 ^оС будет 1 кал, а нагревание 1 л воды на 1 ^оС будет 1 ккал.

Калорический коэффициент белков жиров и углеводов равен:

1 г белка = 4 ккал;

1 г жира = 9 ккал;

1 г углеводов = 4 ккал.

Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Baтт ∙ ч. (Вт ∙ ч., КВт ∙ ч, МВт ∙ ч)

1 Вт ∙ ч = 3,6 МДж или 1 Дж = 1 Вт ∙ с

Для измерения механической энергии пользуются такой единицей, как кг.м 1 кг ∙ м = 9,8 Дж.