Техника - молодёжи 1953-01, страница 31

Лауреат Сталинской премии доктор технических наук г. и. бабат

Рис. С вецрумб

И туго заведенная пружина, и кусок каменного угля, и быстро вращающийся маховик, и заряженный электрический конденсатор — все это склады энергии. Тысячи разнообразнейших типов складов энергии, аккумуляторов энергии применяются в современной технике.

Чтобы ответить на вопрос, чем определяется в каждом отдельном случае выбор того или иного запа-сителя энергии, надо учитывать много данных. Но для первой основной оценки любого склада энергии надо знать прежде всего, сколько энергии он вмещает. Понятие «сколько» относится, ясно, не к абсолютному количеству энергии; очевидно, что из большой банки с бензином можно получить больше калорий, чем из маленькой. Сравнивать различные склады надо по их удельной энергоемкости, то-есть по количеству энергии, приходящейся на единицу веса.

Следующая важная характеристика любого склада энергии — это время. Известно, что все запасите-ли энергии, в отличие от сберегательных касс, не только не добавляют процентов к хранящимся в них вкладам, но с определенной скоростью теряют, расходуют вклады. Оставленные в бездействии электрические аккумуляторы или конденсаторы саморазряжаются, порох при длительном хранении разлагается, пружина теряет свою упругость. Можно условиться называть «максимальным временем хранения» то время, в течение которого утечка энергии не превысит некоторой заданной величины, например половины от всего начального количества энергии. Наряду с максимальным временем хранения энергии надо знать также и «минимальное время высвобождения» (разряда) энергии. Ото время, в течение которого энергетический вклад может быть взят со склада, изменяется в очень широких пределах для различных складов энергии. При взрыве динамита весь запас энергии освобождается в миллионные доли секунды; груз, спускающийся с высоты 5 метров, отдает свою энергию не меньше чем в одну секунду; современные свинцовые аккумуляторы строятся обычно для десятичасового разряда, при попытке разрядить их в более короткое время отдача энергии падает. Радий при естественном распаде отдает половину запаса энергии в течение полутора тысяч лет.

Географы при описании любого пункта земной поверхности прежде всего указывают его широту и долготу на карте. Характеристику любого склада энергии можно начи

нать также с двух величин — удельной энергоемкости и времени (хранения и разряда). Приняв эти величины за пространственные координаты, можно построить своеобразную карту — график, на котором можно расположить любые виды складов энергии. Разнообразие известных в настоящее время складов энергии огромно, а на нашем графике мы вынуждены соблюдать определенную норму на жилплощадь. Поэтому на нем помещены только некоторые, кажущиеся нам наиболее типичными представители различных складов энергии.

При накоплении энергии и при ее отдаче в различных видах энергетических складов происходят различные процессы. Все возможные превращения, происходящие в любых телах или системах тел, принято разделять на три группы: физические, химические и ядерные изменения. Наименее глубокие изменения происходят при превращениях первой группы,—таких, как, например, поднятие груза, напряжение пружины, заряд конденсатора, раскручивание маховика, нагревание (при отсутствии химических превращений). Энергетические склады такого типа имеют наименьшую удельную энергоемкость, они размещаются в нижнем этаже нашей таблицы. В этих складах используются лишь межмолекулярные силы. Строение молекул и при заряде и при разряде не изменяется.

В складах, расположенных этажом выше, используются внутримолекулярные силы — силы химического сродства. При заряде я разряде происходит перегруппировка атомов в молекулах, изменения в электронных оболочках атомов. Внутримолекулярные силы превосходят силы меж молекулярные. Склады, в которых используются химические превращения, имеют бсЗльшую энергоемкость, нежели склады, в которых происходят только физические изменения.

Верх таблицы занят складами, в которых действуют еще более могучие силы — внутриатомные, ядерные. Энергетические превращения связаны здесь с наиболее глубокими изменениями в структуре вещества, с перестройкой атомов, превращением одних химических элементов в другие.

ПЕРЕСТРОЙКА МОЛЕКУЛ

Атомы различных химических элементов соединяются, образуя молекулы различной сложности, содержащие от двух атомов до многих тысяч атомов. Так, например, соединение одного атома натрия и

одного атома хлора образует молекулу обычной поваренной соли. Один атом кислорода и два атома водорода дают одну молекулу воды. Восемь атомов углерода и восемнадцать водорода образуют молекулу так называемого октанового бензина. Три атома углерода, пять водорода, три азота и девять кислорода, определенным образом расположенные, дают молекулу взрывчатого вещества — нитроглицерина.

При химической реакции молекулы первоначальных веществ претерпевают изменения. Атомы, их составляющие, группируются по-иному. Получаются новые молекулы.

Некоторые химические превращения, как, например, образование перекиси водорода или окисление азота, связаны с поглощением энергии. Эти процессы подобны закручиванию пружины или поднятию груза на высоту, — они могут происходить лишь при условии подвода энергии извне. Химики их называют эндотермическими реакциями (от греческих слов: «эндо» — внутрь, «термо» — тепло).

Именно потому, что окисление азота является эндотермической реакцией, кислород и азот атмосферы находятся в несвязанном состоянии, а соединения азота и кислорода, образующиеся при разрядах молнии или в результате жизнедеятельности особых бактерий или приготовляемые при помощи синтезов на заводах, являются нестойкими и при хранении разлагаются.

Другие химические превращения, как, например, окисление железа, сгорание угля, взрыв нитроглицерина, являются экзотермическими реакциями («экзо» — по-гречески значит вне). Они высвобождают внутреннюю энергию молекул и могут служить источниками энергии.

В большинстве химических реакций энергия освобождается и поглощается в виде тепла; отсюда окончание — термические после слов «эндо» или «экзо». Однако есть ряд реакций, которые идут под действием лучей видимого света, а также существуют реакции, _v при которых энергия выделяется в виде видимого света (например, реакции» протекающие в теле светлячков).

ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ

Если кусок угля нагреть до достаточно высокой температуры, то атомы углерода на его поверхности начнут соединяться с атомами кислорода воздуха и

создавать тепло. U у » Q й Этот процесс идет И а! 3 Ч а Я

сравнительно ме~ о о и s в is

и в н к и