Во всем мире обсуждается вопрос альтернативного энергоснабжения, и многие энтузиасты вечных двигателей обращают свое внимание на электролизные установки!
Всем привет!
Давайте разберемся в этом вопросе поподробнее, задавая понятные вопросы, и получая достаточно простые ответы. В этом нам поможет мой знакомый, закончивший Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, факультет фундаментальной физико-химической инженерии.
Итак начнем!
1. Какой расход электроэнергии необходим для электролизного разложения воды?
Для электролиза воды необходимо применять электрическую энергию, чтобы разложить молекулы воды на кислород и водород. Количество электроэнергии, необходимой для этого процесса, зависит от многих факторов, таких как используемая мощность, эффективность преобразования, электродный материал и др.
Для расчета необходимой электроэнергии можно использовать уравнение Нернста-Планка, которое позволяет оценить ток, протекающий через электролизер при определенном напряжении. Формула выглядит следующим образом:
i = A × j = A × z × F × c / RT × φ,
где i - ток, протекающий через электролизер, A - площадь поверхности электрода, j - плотность тока, z - заряд ионов, F - постоянная Фарадея, c - концентрация ионов, R - универсальная газовая постоянная, T - температура и φ - потенциал.
На практике, обычно используют электроды из металлов, таких как платина, золото, серебро, которые имеют хорошую проводимость и стойкость к коррозии. Расход электроэнергии для электролиза воды может быть оценен на основе мощности, которая потребляется при заданном токе.
Для разложения 1 моль воды, необходимо применить 237,13 кДж электрической энергии, что эквивалентно 65,87 Вт*ч. Следовательно, если вы знаете количество воды, которое вы хотите разложить, и эффективность вашего электролизера, вы можете оценить расход электроэнергии, необходимый для выполнения этого процесса.
2. При каких температурах начинается тепловой распад воды на газы?
Тепловой распад воды (термолиз) на газы (водород и кислород) начинается при температурах, достаточно высоких для того, чтобы преодолеть энергию связи между атомами воды. Энергия связи воды составляет около 492 кДж/моль, поэтому для теплового распада воды на газы необходимо поднять температуру до значительных значений.
Точная температура начала теплового распада зависит от многих факторов, таких как давление, вида катализатора, времени воздействия, и т.д. В целом, температура начала теплового распада воды на газы составляет около 2500°C.
Однако, при использовании катализаторов, таких как металлы, например, платина, никель, железо, температура распада может быть снижена до 1000°C и ниже.
3. Соль NaCl служит катализатором в таких процессах?
Хотя NaCl (хлорид натрия) не является катализатором в прямом смысле, он может играть роль в проведении электролиза воды, который используется для разложения воды на водород и кислород. При проведении электролиза воды, катионы Na+ и анионы Cl- могут перемещаться внутри раствора электролита, что обеспечивает проводимость раствора для тока, необходимого для электролиза.
Однако, важно отметить, что наличие NaCl в растворе может повлиять на электролиз воды и привести к образованию дополнительных реакций. Например, хлорид натрия может подвергаться электролизу, образуя газ хлор и натриевый гидроксид, что может снизить эффективность процесса. Поэтому в чистом виде вода, как правило, используется для электролиза, без добавления NaCl или других электролитов. Однако в некоторых случаях, в зависимости от условий проведения процесса, NaCl может использоваться для повышения эффективности электролиза воды.
Хлорид натрия (NaCl) не является катализатором в процессе термолиза.
4. Почему энергия связи воды составляет около 492 кДж/моль, а для разложения 1 моль воды, необходимо применить всего 237,13 кДж электрической энергии?
Энергия связи воды (H2O) составляет около 492 кДж/моль, что означает, что для разрыва молекулы воды и разделения на атомы водорода и кислорода необходимо затратить около 492 кДж энергии.
При электролизе воды, который является процессом разложения воды на атомы водорода и кислорода с использованием электрической энергии, энергия, необходимая для разложения 1 моль воды, равна 237,13 кДж.
Разница между этими значениями связана с тем, что при электролизе воды, электрическая энергия используется для проведения реакции, в то время как при рассмотрении энергии связи молекулы воды мы говорим о том, сколько энергии необходимо для разрыва этих связей. В электролизе воды энергия, затраченная на проведение реакции, может быть частично сохранена в форме химической энергии в полученных газах (водороде и кислороде), и это может объяснить разницу между этими значениями.
5. Может ли эта частично запасенная энергия достигнуть такого значения, что запустится цепная реакция?
Нет, энергия, которая может быть сохранена в форме химической энергии в полученных газах (водороде и кислороде) при электролизе воды, не может запустить цепную реакцию.
Цепная реакция — это процесс, при котором одно ядро делится, высвобождая при этом нейтроны, которые могут вызывать деление других ядер и так далее, создавая цепную реакцию. Этот процесс, известный как ядерный распад, осуществляется в ядерных реакторах или ядерных бомбах и требует очень большой энергии.
Энергия, которая может быть сохранена в форме химической энергии в полученных газах при электролизе воды, является относительно небольшой и не может достигнуть достаточно высокого уровня, чтобы запустить цепную реакцию ядерного распада. Кроме того, водород и кислород, которые образуются при электролизе воды, не являются радиоактивными элементами и не могут запустить цепную реакцию.
6. А сколько энергии выделится при обратном соединении газов?
Когда газы водорода и кислорода соединяются, образуется вода и выделяется энергия в процессе экзотермической реакции.
Энергия, выделяемая при образовании воды из газов водорода и кислорода, может быть рассчитана с помощью термохимических уравнений. Энергия образования воды при стандартных условиях (25 °C, 1 атм) составляет около 285,8 кДж/моль. Это означает, что при образовании одного моля воды из газов водорода и кислорода выделяется около 285,8 кДж энергии.
Таким образом, количество энергии, которое будет выделено при обратном соединении газов водорода и кислорода, зависит от количества газов, используемых в реакции. Например, если один моль водорода и один моль кислорода соединяются, то выделится 285,8 кДж энергии. Если будет использовано два моля каждого газа, то выделится удвоенное количество энергии - 571,6 кДж.
7. Если для распада нужно всего 237,13 кДж электрической энергии, а при соединении выделится 285,8 кДж, может ли эта реакция стать самоподдерживающейся?
Нет, разница в энергии между этими двумя процессами связана с термодинамической стабильностью воды, которая является более стабильным и меньше энергетически затратным соединением, чем водород и кислород, из которых она образуется.
8. А если направить запасенную разницу в энергии на повторный процесс разложения?
В теории, это возможно. Если при обратной реакции образования воды из водорода и кислорода выделяется больше энергии, чем необходимо для разложения воды на водород и кислород, то в принципе можно использовать этот избыток энергии для повторного разложения большего количества воды на водород и кислород. Однако, в практике этот процесс обычно не является эффективным из-за потерь энергии на трение, теплопередачу и другие факторы.
Кроме того, следует учитывать, что обратная реакция образования воды из водорода и кислорода является реакцией экзотермической, т.е. происходящей с выделением тепла, в то время как разложение воды на водород и кислород является эндотермической реакцией, т.е. требующей затраты тепла. Поэтому, при повторном разложении воды на водород и кислород в результате обратной реакции может выделяться меньше тепла, чем необходимо для разложения воды, что может снизить эффективность процесса.
9. Представим, что эти две реакции запущены в абсолютно изолированном пространстве, получается внутренняя энергия системы будет постоянно возрастать?
Если эти две реакции запущены в абсолютно изолированном пространстве, то внутренняя энергия системы будет сохраняться, а не возрастать, так как нет обмена энергией с окружающей средой. Процессы разложения и синтеза воды будут продолжаться, если в систему добавить энергию, например, путем.
10. А если в эту изолированную систему добавить единожды излишек энергии необходимый для начала запуска реакции. то получается с каждым полным циклом он будет увеличиваться?
Нет, но если в изолированную систему добавить энергию, необходимую для начала запуска реакции, и затем запустить цикл реакции, то внутренняя энергия системы будет возрастать на каждом цикле. Однако, если система полностью изолирована, то внутренняя энергия системы будет расти только до тех пор, пока все доступные источники энергии не будут исчерпаны. В конечном итоге система достигнет термодинамического равновесия, при котором не будет больше никаких изменений во внутренней энергии системы.
11. И каковы параметры термодинамического равновесия такой системы?
Параметры термодинамического равновесия системы, которая проходит циклические процессы электролиза и рекомбинации воды, зависят от условий, в которых система находится, таких как температура, давление, начальные концентрации реагентов и другие факторы. В общем случае, при термодинамическом равновесии химические реакции в системе прекращаются, и все макроскопические параметры, такие как температура, давление и концентрации, становятся постоянными во времени.
Для системы электролиза и рекомбинации воды при термодинамическом равновесии концентрации водорода и кислорода будут постоянными и будут зависеть от начальной концентрации воды в системе. Для определенной начальной концентрации воды существует определенное равновесное давление водорода и кислорода, которое зависит от температуры системы. Также равновесное давление водорода и кислорода будет зависеть от объема и других факторов.
Кроме того, при термодинамическом равновесии электроды не будут дальше отдаляться друг от друга в процессе электролиза, что может происходить при неконтролируемых условиях. Конечный результат будет зависеть от энергии, поданной в систему, а также от начальных условий и параметров системы.
12. Теоретически получается, что это может быть плазма?
Плазма — это газ, состоящий из ионизированных атомов и свободных электронов, и он обычно образуется при высоких температурах. В принципе, если система, в которой происходят реакции распада и соединения воды, будет достаточно разогрета, то газы, образующиеся при этом, могут оказаться в плазменном состоянии. Однако, чтобы ответить на этот вопрос точнее, нужны более конкретные параметры системы, такие как давление, температура и состав газов, чтобы сделать более точный прогноз.
Большое спасибо за то, что дочитали. Если у вас будут вопросы – оставляйте в комментариях, наберем побольше процессы разложения и синтеза воды могут продолжаться. И еще раз спросим обо всем!
Подписывайтесь! Ставьте лайки! Делитесь с друзьями!