оригинальная статья в моем блоге: термоэлектрический элемент?
кто-то прочитав название скажет - да я знаю такое устройство - это тепловой насос он нарушает правила термодинамики. но нет, работа теплового насоса основана на законах термодинамики. я про это не так давно писал. но есть ли класс явлений на которой законы термодинамики не распространяются? да такой класс явлений есть. и мне было удивительно что многие этого не знают, хотя это не я придумал.
Существуют классы явлений (например, прямое преобразование
энергии в электрической форме), где традиционные термодинамические ограничения, связанные с тепловыми машинами (такие как необходимость горячего и холодного резервуара и КПД Карно), не действуют напрямую, например электрические преобразователи.
почему так? нас не интересуют кинетическая энергия частиц их свободный пробег и т.п. главное в электродинамике это ток I = ΔQ/Δt т.е. количество заряда прошедшее за промежуток времени через поперечное сечение проводника. а основное уравнение МКТ связывает давление объём и температуру газа с кинетической энергией молекулы.
кроме того КПД тепловой машины зависит от разницы температур её рабочего тела. максимальный КПД = 1 - Tх/Tн. откуда такое? ну известно что газ при нагревании расширяется, а при остывании сжимается т.е. совершает работу. что бы нагреть газ нужно подвести к нему некоторое количество теплоты. вам нужно чтобы это количество теплоты совершило максимальное количество работы.
т.к. реальные значения Тх - температура холодного газа (холодильника) и Тн температура нагретого газа ограничены, максимальный КПД тепловой машины тоже ограничен. т.е. уйти от термодинамики еще означает увеличить максимально возможный КПД машины.
однако хоть такие устройства и позволяют обойти ограничение КПД Карно,
это не означает нарушение закона сохранения энергии, и вечный двигатель по-прежнему невозможен
первый наш пример обычная солнечная панель.
я не будут подробно рассказывать как работает фотоэлектрический модуль. суть в том что есть некоторый переход который носитель заряда в данном случае электрон преодолеть не может самостоятельно, у него для этого не хватает энергии. эту область значений энергий электрона называют запрещенной зоной.
но если на электрону предаст свою энергию фотон, то электрон приобретает необходимую энергию для преодоления запрещённой зоны. т.е. фотон перебрасывает электрон через запрещённую зону.
т.к. система изначально была уравновешена, возникает разность потенциалов. чтобы снова уравновесить систему электрон должен вернутся обратно, но через запрещённую зону он этого сделать не может и вынужден идти обратно через нагрузку, чем и создаёт в нагрузке электрический ток.
в общем то принцип работы в данном контексте не так важен. лучше представьте себе такую ситуацию. вы выходите в чистое поле в погожий зимний денёк с электрочайником и солнечной панелью мощностью несколько киловатт.
на улице приятный морозец и солнышко. так или иначе вы подключаете электрочайник к панелям и через несколько минут у вас в чайнике кипяток, а на улице -10 °С.
нарушились ли законы термодинамики? вообще говоря нет, потому что система открытая т.е. в неё поступает энергия из вне, но тем не менее. мы без термодинамических процессов, т.е. нашей солнечной панели не нужен холодильник, получили без тепловых машин высокопотенциальную энергию, которую легко использовать. дополнительно стоит обратить внимание, что солнечные панели не содержат двигающихся частей.
наш второй пример солнечный коллектор
здесь все тоже самое. отличие от солнечных батарей, производящих электричество, что солнечный коллектор производит нагрев некого теплоносителя. солнечные коллекторы применяются для отопления, и нагрева воды, обеспечения энергией теплиц.
здесь все тоже самое. зимой тоже вполне можно использовать солнечный коллектор. я думаю вы без труда найдете видео, где демонстрируется закипание воды в тепловой трубке зимой. проблема только в том что солнечный день короткий и энергии вы получаете очень немного.
таким образом, мы видим два примера, где классические ограничения термодинамики для тепловых машин не действуют.
термоэлектрический преобразователь
подобно солнечной панели он преобразует тепло в электричество. но он полностью подчиняется законам термодинамики. такой преобразователь имеет холодные и горячие части, и очень невысокий КПД. распространённые сейчас модули имеют КПД ~5%
ну и зачем нам такой модуль? ничего не обычного в нем нет, да еще очень низко эффективный. поэтому здесь он в общем-то для того чтобы показать их жуткую неэффективность и представить главного героя нашего повествования.
выпрямляющая антенна оптического диапазона частот э/м волн
здесь все ещё забавнее. представим обычную радио антенну. давайте для простоты возьмёт диполь Герца.
видно, что через R течет переменный ток. а если этот ток выпрямить и скажем заряжать конденсатор? вот мы преобразовали энергию электромагнитной волны в электрический заряд. в последствии конденсатор можно разрядить через нагрузку получив тем самым постоянный электрический ток.
такие антены назвают выпримляющими антенами или ректенами
как известно свет это э/м волна. возникает вопрос: "что будет если изготовить антенну и "диод" на оптический диапазон э/м волн?" выберем ИК диапазон т.е. тепловой кроме всего прочего он самый длинноволновый т.е. меньше частота.
что мы получили? а получи ли очень интересное устройство. мы опять без холодильника преобразовали э/м волны в электрическую энергию. таким образом, мы снова получаем устройство, которое преобразует
энергию излучения в электричество без необходимости в холодном
резервуаре.
легко представить такую ситуацию нагреваем стальную болванку она начинает активно излучать в ИК, а ИК излучение мы преобразовали в электричество. правда КПД такой системы будет чудовищно низким, так как стальная болванка — это источник излучения с очень широким спектром (близкий к абсолютно чёрному телу), а ректена настроена на узкий диапазон. но можно использовать ректены рассчитанные на разные длинны волн. ОК - так давайте изготавливать такие штуки. и вот тут мы сталкивается с рядом проблем по большей частью технологических.
- оптический диапазон частот - сотни ГГц. что очень много. наш "диод" должен эффективно работать на этой частоте.
- маленькая длинная волны - единицы мкм(миллионная доля метра), что говорит о размере антенны.
- антеннки совсем крошечные. соответственно очень маленькие электрические потенциалы, что предъявляет еще более высокие требования к нашему "диоду".
- плюс выше упомянутой широкий спектр излучения.
так что практическое создание таких антенн сопряжено с определёнными сложностями. однако как хороши подобные системы скажем в космосе! им не нужен холодильник для эффективной работы, а ведь отвод тепла в безвоздушном пространстве представляет серьёзную проблему.
возможность переобразовывать энергию без тепловых процессов в космосе уже используется сейчас. на МКС развернут массив солнечный панелей, а не используется РИТЭГи которые нужно ещё эффективно охлаждать. поэтому РИТЭГи используются там, где солнечного света мало: дальний космос, как у «Вояджеров» или марсоход «Кьюриосити». т.е чем дальше чем мы отлетаем от Солнца тем меньше плотность излучения.
почему так? представим, что Солнце точечный источник. тогда все его излучение можно заключит в сферу с радиусом орбиты Земли. тогда плотность излучения на орбите Земли будет равна мощности Солнца делённое на площадь сферы. радиус сферы возьмем 1 а.е. для наглядности.
площадь поверхности шара S = 4πR²
например от Солнца до Марса 1.52 а.е. следовательно плотность излучения будет в 2.3 раза меньше. т.е. на солнечную панель будет падать в 2.3 раза меньше энергии.
видно, что для полетов куда-то дальше чем Марс солнечные батареи подходят плохо. и тут подойдут наши атомные батарейки. которые смогут снабжать энергией космический аппарат несколько лет в не зависимости от удаления от Солнца.
опишем конструкцию нашей космической батарейки. конструкция довольно простая. состоять она будет из двух цилиндров вставленный один в другой. внутренняя поверхность внешнего представляет из себя набор фотоэлементов. внутренний цилиндр представляет из себя цилиндр из обычного металла, заполонённого делящемся материалом выделяющим тепло. между цилиндрами то, чего в космосе очень много - вакуум. он защитит от передачи тепла по средствам теплопроводности и конвекции, но прозрачен для излучения.
работает это так: металл нагревается и начинает активно излучать в тепловом спектре, это излучение мы преобразуем в электричество при помощи фотоэлектрических модулей на внутренней поверхности внешнего цилиндра. вакуум между цилиндрами играет роль теплоизоляции. вродебы все очень просто.
главным недостатком системы является широкий спектр излучения. придётся использовать множество антенных слоёв рассчитанные на разные длины волн.
альтернативой может стать термоэмиссионный генератор. известно что при нагревании металлов из-за большой концентрации электронов электрон может выйти из метала как только его кинетическая энергия станет выше работы выхода.
на этом работа ТЭГ в нем анод и катод располагают как можно ближе друг другу чтобы электрон с как можно меньшей энергией смог преодолеть расстояние между катодом и анодом, с другой стороны высокоэнергетические электроны тоже плохо - лишня энергия будет бесполезно нагревать второй электрод. т.е КПД ТЭГ тоже не высок.
однако теоретически КПД предлагаемого устройства может быть выше, но есть множество нерешённых проблемы связанные с работой самой выпрямляющей антенны так и с очень широким спектром излучения. важно найти способ значительно сузить спектр излучения например с использованием термолюминесценции.
правда стоит отметить, что напрямую термолюминисцирующие материалы использовать вряд ли получится - это довольно хрупкие во всех смыслах материалы в том числе неустойчивые к ионизирующему излучению, деградация при длительном высокотемпературном воздействии. однако в земных условиях такие преобразователи показывают неплохой КПД теоретически до 40 %.