Utilaj Laboro de la varmego de la Medio

Parto 1. Iuj terminoj kaj difinoj.

La forton electromotriz (emf) estas integra ekstera forto kampo parto konsistanta aktuala fonto ... ekstera forto agas Electroplating ĉeloj ĉe la limoj inter la electrolito kaj la elektrodoj. Ili ankaŭ funkcias sur la limo inter du malsimilaj metaloj kaj determini la kontakton potenciala diferenco therebetween [5, p. 193, 191]. Kvanto saltas potencialoj sur ĉiuj surfacoj de la cirkvito sekcio egalas la potenciala diferenco inter la ŝoforoj, lokita ĉe la ĉeno randoj, kaj estas nomita la forton electromotriz emf dirigento cirkviton ... ĉeno kiu konsistas nur el la ŝoforoj de la unua speco estas egala al la potencialo salto inter la unua kaj la lasta dirigento en rekta kontakti ili (Volta leĝo) ... Se la cirkvito estas konvene malfermita, la emf ĉi tiu cirkvito estas nulo. Por korekti la malfermita cirkvito dirigento, kiu inkludas almenaŭ unu electrolito, aplikebla leĝo voltoj ... Evidente, nur dirigento cirkviton konsistanta almenaŭ dirigento de la dua speco estas elektrokemia ĉeloj (aŭ ĉenoj elektrokemia elementoj) [1, p. 490 - 491].

Polyelectrolytes estas polimeroj kapablas dissociating en jonoj en solvo, tiel en la sama macromolécula, grandan nombron da ripetiĝantajn akuzojn ... crosslinked polyelectrolytes (jono bankistoj, ion-interŝanĝo rezino) ne solvas, nur maldikigxu konservante la kapablon disociiĝas [6, p. 320 - 321]. Polyelectrolytes disociiĝas en negative ŝargita macroion kaj H + jonojn nomiĝas polyacids kaj disocia en pozitive ŝargitaj jonoj kaj OH- macroion nomita poliosnovaniyami.

Donnan ekvilibro potencialo estas la potenciala diferenco kiu okazas ĉe la fazo limo inter ambaŭ elektrolitoj se tiu limo ne estas trapenetrebla por ĉiuj jonoj. Impermeabilidad limoj por iuj jonoj povas esti kaŭzita, ekzemple, la ĉeesto de la membranoj kun tre mallarĝa poroj kiuj estas impracticable por partikloj super certa grandeco. Selective permeabilidad de la interfaco okazas kaj se iu jonojn tiel forte ligita al unu el la fazoj kiuj lasi ĝin ĝenerale ne povas. Ekzakte konduti jona jono interŝanĝo rezinoj, aŭ ion-interŝanĝo grupo fiksis homopolar ligo en la molekula krado aŭ matrico. La solvo, estante interne tia matricoj formoj kune kun ĝi ununura fazo; solvo, lokita ekstere, - la dua [7. 77].

La elektra duobla tavolo (EDL) okazas ĉe la interfaco de la du fazoj metita de kontraŭe akuzis tavoloj emas je certa distanco unu de la aliaj [7. 96].

Peltier efektivigi ĉi izolado aŭ absorción de varmego en la kontakto de du malsamaj direktoroj Dependanta al la direkto de kurenta fluo tra la kontakton [2, p. 552].

Parto 2: Uzante la varmego meza en la elektrolizo de akvo.

Konsideru la mekanismon de apero de la cirkvito de la elektrokemia ĉelo (cxi elemento), montrita esquemáticamente en Figo. 1, pli emf pro la internaj kontakton potenciala diferenco (PKK) kaj la efiko de Donnan (mallonga priskribo de la esenco de la Donnan efiko, interna PKK kaj asociita Peltier varmo estas provizita en la tria parto de la artikolo).

Figo. 1. Skema reprezento de elektrokemia ĉelo: 1 - la katodo estas kontaktita kun solvo de 3, la elektrokemia redukto reago de la electrolito katjonoj okazas sur ĝia surfaco, farita de kemie inerta peze dopita n-semikonduktaĵo. Parto de la katodo konektanta ĝin al ekstera tensio fonto, metallized; 2 - la anodo estas kontaktita kun solvo de 4, sur la surfaco ĝia okazi elektrokemia oxidación reago de la electrolito anjonoj, faritaj el kemie inerta peze dopita p-semikonduktaĵo. Parto de la anodo konektanta ĝin al ekstera tensio fonto, metallized; 3 - katodo spaco, polyelectrolyte solvo, dissociating en akvo ĉe macroion r- ŝarĝita negative kaj pozitive ŝargita counterions malgranda K + (en la nuna ekzemplo estas la hidrogeno jono H +); 4 - anodo kupeo polyelectrolyte solvon en akvo dissociating en pozitive ŝargita macroion R + kaj negative ŝargita counterions malgrandaj A- (en ĉi tiu ekzemplo ĝi hidroksido jonoj OH-); 5 - la membrano (diafragmo), estas impermeable al macromoléculas (macroion) polyelectrolytes, sed tute trapenetrebla por malgrandaj counterions K +, A- kaj akvo molekuloj dividis spacon 3 kaj 4; Evnesh - ekstera tensio fonto.

emf de Donnan efiko

Por klareco, la electrolito de la katodo spaco (. 3, figuro 1) estas selektita vaporon polyacid solvo (R-H +), la electrolito kaj la anodo kupeo (4, figarbo 1.) - akva poliosnovaniya (R + OH-). Rezulte de disociación polyacids en la katodo kupeo apud la surfaco de la tubo (1, Figo. 1), ekzistas pliigita koncentriĝo de H + jonoj. Pozitiveco aperanta en la najbareco de la katodo surfaco ne kompensas negative ŝargita macroions R-, ĉar Ili ne povas veni proksime al la surfaco de la katodo pro lia grandeco kaj de la ĉeesto de pozitive ŝargita jona atmosfero (por detaloj vidas. Priskribo Donnan efikon en Anekso №1 de la tria parto de la artikolo). Tiel, la limo tavolo de solvon rekte en kontakto kun la katodo surfaco havas pozitivan ŝargon. Rezulte, elektrostatika indukto sur la katodo surfaco, bela kun la solvo, estas negativa ŝarĝo de la elektronoj de alkonduko. Ie ĉe la interfaco inter la katodo surfaco kaj donas solvon okazas. Kampo de la DES pelas elektronojn de la katodo - por la solvo.

Simile, sur la anodo (2, Figo. 1), la limo tavolo de la solvo en la anodo kupeo (4, Figo. 1) rekte en kontakto kun la anodo surfaco havas negativan ŝarĝon, kaj sur la anodo surfaco, bela kun la solvo, estas pozitiva ŝarĝo. Ie ĉe la interfaco inter la anodo surfaco kaj la solvo ankaŭ okazas donas. Kampo de la DES pelas elektronojn de la solvo - a anodo.

Tiel, la kampo de Donas en la interfacoj de la katodo kaj anodo kun la solvo, subtenataj termika solvo jono disvastigo, estas du internaj emf fonto, agante en koncerto kun ekstera fonto, tio estas:, puŝante la negativaj ŝarĝoj en la buklo kontraŭhorloĝnadla.

Disociación poliosnovaniya polyacids kaj ankaŭ kaŭzas termikan disvastigo tra la membrano (5, figuro 1). H + jonojn de la catódica spaco - al la anodo, kaj OH- jonojn de la anodo kupeo - katodo. Macroion R + kaj R- polyelectrolytes povas movi tra la membrano, do el la katodo spaco estas troo negativa ŝarĝo, kaj el la anódica spaco - troon pozitiveco, tio estas:, ekzistas alia DPP pro la Donnan efiko. Tiel, la membrano ankaŭ okazas ene de la emf, agante en koncerto kun ekstera fonto de varmego disvastigo kaj subtenis la solvo de jonoj.

En nia ekzemplo, la tensio trans la membranon povas atingi 0,83 voltoj, kiel tio respondas al ŝanĝo en potencialo de norma hidrogeno elektrodo de - 0.83 por 0 voltoj ĉe la transiro de la alkala medio en la anodo kupeo la katodo kupeo acida medio. Por detaloj, vidu. En Annex №1 de la tria parto de la artikolo.

emf PKK de interne

La Elemento emf Ĝi okazas, inkluzive en la kontakton duonkonduktaĵo anodo kaj katodo al iliaj metalaj partoj servado konekti la ekstera tensio fonto. Ĉi emf pro internaj PKK. Interna SE ne kreas, en kontrasto kun la ekstera kampo en la spaco ĉirkaŭ la kontakton konduktoroj, tio estas: Ĝi ne influas la movado de ŝargitaj partikloj ekster la ŝoforoj. Konstruo n-semikonduktaĵo / metalo / p-semikonduktaĵo estas sufiĉe konataj kaj estas uzata, ekzemple, termoelektra Peltier modulo. La grando de la emf tia strukturo ĉe ĉambra temperaturo povas atingi valorojn de la ordo de 0,4 - 0,6 Volt [5, p. 459; 2, p. 552]. Kampoj en kontaktoj estas direktitaj tiel ke ili puŝi elektronojn kontraŭhorloĝnadla en la ciklo, tio estas: akto en koncerto kun la ekstera fonto. La elektronoj levi la energinivelo de la meza sorbante la varmego de la Peltier.

Interna SE levitaj pro la disvastigo de elektronoj en la kontakton areoj de la elektrodoj kaj la solvo, male, ĝi pelas al la elektronoj en la laŭhorloĝnadla direkto en la buklo. Ie la moviĝo de elektronoj en la Elemento kontraŭhorloĝnadla en tiuj kontaktoj devas esti asignita Peltier varmego. sed ĉar la transigo de elektronoj de la katodo al la solvo kaj de la solvo en la anodo estas nepre akompanita de endoterma reago generis hidrogeno kaj oksigeno, la varmego de la Peltier ne liberigita kiel meza, kaj estas redukti la endoterma efiko, tio estas: kiel "konservitaj" en la entalpía de formado de hidrogeno kaj oksigeno. Por detaloj, vidu. En Annex №2 la tria parto de la artikolo.

portantoj (elektronoj kaj jonoj) movi en Elemento cirkviton ne fermita vojoj, neniu zorge en la elemento ne moviĝas en fermita cirkvito. Ĉiu elektrono anodo akirita de la solvo (en la kurso de oxidación de OH- jonojn al oksigeno molekuloj), kaj pasis tra ekstera cirkvito al la katodo, estas volatilizó kune kun hidrogeno molekuloj (en la procezo de reakiro de jonoj H +). Simile jonoj OH- kaj H + ne movas en fermita cirkvito, sed nur al la responda elektrodo, kaj tiam evaporar en la formo de molekula hidrogeno kaj oksigeno. Ie kaj la jonoj kaj elektronoj ĉiu moviĝas en lia medio en la akcelanta kampo de DES, kaj la fino de la vojo, kiam ili atingas la surfacon de la elektrodo estas kombinitaj en la molekulo, gxojigas la tuta stokita energio - la energio de kemia ligo, kaj el la ciklo!

Ĉiuj el la internaj fontoj de emf Elemento, redukti kostas ekstera fonto por akvo elektrolizo. Tiel, la varmego de la ĉirkaŭa sorbante elementoj dum lia operacio por subteni disvastigon de DES, estas por redukti la koston de la ekstera fonto, tio estas:, Ĝi pliigas la elektrolizo efikeco.

Elektrolizo de akvo sen iu ekstera fonto.

En revizii la procezoj okazantaj en la elemento montrita en Figo. 1, ekstera fonto parametroj ne estas prenitaj en rakontas. Supozu ke la interna rezisto egalas RD kaj tensio de 0. Tio Evnesh Elemento elektrodoj kriis al pasiva ŝarĝo (vidu Fig. 5). En ĉi tiu kazo, la direkto kaj grando de DES kampoj levitaj ĉe la interfaco en la elementoj restas la sama.

Figo. 5. Anstataŭe Evnesh (Fig. 1) inkluzive de pasiva ŝarĝo RL.

Determini la kondiĉojn de spontaneaj nunan fluon en ĉi elemento. Ŝanĝi la Gibbs potencialo, laŭ la formulo (1) de Annex №1 de la tria parto de la artikolo:

Δ G arr = (Δ H arr - n) + Q mod

Se P> Δ H + Q mod mod = 284,5 - 47,2 = 237.3 (kJ / mol) = 1.23 (eV / molekulo)

la Δ G arr <0 kaj spontaneaj procezo eblas.

Ni konsideros plu ke elementoj hidrogeno generacio reago okazas en acida medio (elektrodo potencialo de 0 voltoj) kaj oksigeno en alkala (elektrodo potencialo de 0.4 voltoj). Tia elektrodo potencialoj provizas membranon (5, Figo. 5), la tensio en kiu tiu devus esti 0,83 voltoj. Ie la energio necesa por la formado de hidrogeno kaj oksigeno estas reduktita de 0.83 (eV / molekulo). Tiam la kondiĉo de la ebleco de spontaneaj procezo volo:

P> 1.23 - 0.83 = 0.4 (eV / molekulo) = 77.2 (kJ / mol) (2)

Ni trovas, ke la energio baro de la hidrogeno kaj oksigeno molekulojn evitebla kaj sen per ekstera tensio fonto. Ie eĉ ĉe n = 0.4 (eV / molekulo), tio estas: kiam la interna elektrodo HPDC 0,4 voltoj, elemento estos en stato de dinamika ekvilibro, kaj neniu (eĉ malgranda) ŝanĝo de la ekvilibro kondiĉoj kaŭzos la fluon en la cirkvito.

Alia obstaklo al la reagoj ĉe la elektrodoj estas la energio de aktivigo, sed estas forigita de la efekto tunelo, ekestanta pro la amplekson de la breĉo inter la elektrodoj kaj la solvo [7, p. 147-149].

Tiel, surbaze de energio konsideroj, ni finas ke spontaneaj aktuala en la elemento montrita en Figo. 5, ĝi eblas. Sed kion fizikaj kialoj povas kaŭzi ĉi nuna? Ĉi tiuj kialoj estas listigitaj malsupre:

1. La probablo de transiro de elektronoj de la katodo al la solvo pli altaj ol la probablo de transiro el la anodo en la solvo, ĉar n-duonkonduktaĵo katodo havas multajn liberaj elektronoj kun alta energinivelo, kaj la p-duonkonduktaĵo anodo - nur "truoj", kaj tiuj "truoj" estas je energinivelo sub la katodo elektronoj;

2. La membrano estas subtenata en la katodo spaco de acida medio, kaj en la anodo - alkala. En la kazo de inertaj elektrodoj, tio kondukas al tio, ke oni katodo elektrodo potencialo iĝas pli granda ol la anodo. Sekve, elektronoj devas movi tra ekstera cirkvito de la anodo al la katodo;

3. La surfaco zorge de la polyelectrolyte solvoj levitaj pro la Donnan efiko, kreas ĉe la elektrodo / solvo kampo tia ke la kampo ĉe la katodo antaŭenigas elektrono rendimento de la katodo al la solvo, kaj la kampo ĉe la anodo - elektrona eniro en la anodo de la solvo;

4. ekvilibro antaŭen kaj inversigi reagoj ĉe la elektrodoj (interŝanĝo kurentoj) emata al H + jonojn rekta redukto reagoj ĉe la katodo kaj oxidación de OH- jonojn ĉe la anodo, ĉar estas akompanitaj de formado de gaso (H 2 kaj Aŭ 2) kapablas facile forlasi reago zono (Lin Châtelier Principo).

Eksperimentoj.

Por kvanta taksado de la tensio trans la ŝarĝon de la Donnan efiko, eksperimento estis farita en kiu la katodo Elemento konsistis el la aktivigita karbonon kun la ekstera grafito elektrodo kaj anodo - miksaĵo de aktivigita karbonon kaj anjono rezino AB-17-8 kun la ekstera grafito elektrodo. Electrolito - akva NaOH solvo, anodo kaj katodo spacoj estas disigitaj de sinteza felto. La malferma eksteraj elektrodoj de ĉi elemento havas tension de ĉirkaŭ 50 mV. Kiam konektita al elemento de la eksteraj ŝarĝo 10 omo fiksita aktuala de proksimume 500 microamps. Kiam la ĉirkaŭa temperaturo pliigas de 20 al 30 0C tensio al la ekstera elektrodo pliigis al 54 mV. Pliigante la tensio ĉe la ĉirkaŭa temperaturo konfirmas ke la fonto de emf estas disvastigo, tio estas: termika moviĝo de la partikloj.

Por kvanta taksado de la tensio trans la ŝarĝon de la interna HPDC metalo / duonkonduktaĵo eksperimento estis kondukita en kiu la ĉelo katodo konsistas sinteza grafito pulvoro kun la ekstera grafito elektrodo kaj anodo - pulvoro de boro carburo (B4C, p-semikonduktaĵo) kun la ekstera grafito elektrodo. Electrolito - akva NaOH solvo, anodo kaj katodo spacoj estas disigitaj de sinteza felto. La malferma eksteraj elektrodoj de la elemento tensio estis pri 150 mV. Kiam konektanta la eksteran ŝarĝon al la elemento 50 kOhm tensio falis al 35 mV., Tia forta falita de streĉiĝo pro la malalta apriora boro carburo kaj, rezulte, altan internan reziston Elemento. Esploro tensio kontraŭ temperaturo por ero de tia strukturo ne efektivigas. Ĉi tio estas pro la fakto ke, dum duonkonduktaĵo, depende de lia kemia komponado, grado de dopaje kaj aliaj ecoj, la temperaturo ŝanĝon en malsamaj manieroj povas influi lian Fermi nivelo. Ie temperaturo efikon al emf Elemento (kresko aŭ malkresko), en ĉi tiu kazo dependas de la materialoj uzitaj, do tio ne estas indika eksperimento.

Ĉi tie ĝi daŭrigis alia eksperimento en kiu ĉelo katodo estas farita el miksaĵo de aktivigita karbonon pulvoro kaj KU-2-8 kun la ekstera neoksidebla ŝtalo elektrodo kaj la anodo de miksaĵo de aktivigita karbonon pulvoro kaj anjono rezino AB-17-8 al la ekstera elektrodo de neoksidebla ŝtalo. Electrolito - acuosa de NaCl, la anodo kaj katodo spacoj estas disigitaj de sinteza sentis. Eksteraj elektrodoj de tiu elemento kun oktobro 2011 kapablas mallonga cirkvito la pasivaj ammeter. Nuna kiu montras ammeter, proksimume unu tagon post vico, malkreskis per 1 mA - ĝis 100 MKA (kiuj estas ŝajne pro la polarizo de la elektrodoj), kaj de tiam pli ol unu jaro ne ŝanĝas.

En praktikaj eksperimentoj priskribitaj supre rilate al la pli efika materialoj neatingebleco akiris rezultojn substance malalta ol teorie ebla. Krome, konscii ke parto de la totala interna emf Elemento ĉiam konsumitaj por konservado de la elektrodo reago (la produktado de hidrogeno kaj oksigeno) kaj ne mezurebla en la ekstera cirkvito.

Konkludon.

Resumante, ni povas konkludi, ke la naturo nin permesas konverti termika energio en utila energio aŭ laboro, uzante kiel "hejtilo" medio kaj ne havi "fridujo". Tiel Donnan efikon kaj internaj SE konvertis termika energio de la eroj ŝarĝitaj en la elektra kampo energio DEL kiel la endoterma reago varmo estas konvertita en kemia energio.

Konsiderita kontakton elemento konsumas varmo de la meza kaj akvo, kaj asignas elektra potenco, hidrogeno kaj oksigeno! Krome, la procezo de energia konsumo kaj la uzo de hidrogeno kiel brulaĵo, kaj la akvo revenas reen al la varmego meza!

Parto 3 de la aneksas.

Tiu parto estas plue diskutis Donnan ekvilibro efikon, en la kruciĝo de la interna HPDC metalo / duonkonduktaĵo kaj Peltier varmego sur redoksa reagoj kaj elektrodo potenciales en la elemento.

Donnan potencialo (Aldono №1)

Konsideru la mekanismon de apero de Donnan potencialon por polyelectrolyte. Post disociación polyelectrolyte counterions komenci lia malgranda, por disvastigo, lasante la volumo okupita de la macromolécula. Unudirekta disvastigo de counterions de malgrandaj volumo polyelectrolyte macromoléculas en la solida estas pro pliigita koncentriĝo en la macizo de la macromolécula kompare kun la resto de la solvo. Plue, se, ekzemple, malgrandaj counterions estas negative ŝargita, tio rezultigas, ke la interna parto de la macromolécula estas pozitive ŝargita, kaj la solvo estas tuj apuda al la volumeno de la macromolécula - negativaj. Ie ĉirkaŭ pozitive ŝargita macroion volumo, estas speco de "jono atmosfero" de la malgrandaj kontraŭ-jonoj - negative ŝargita. Termination jona atmosfero zorge kresko okazas kiam la elektrostatika kampo inter la jonoj de volumo macroion atmosfero kaj ekvilibroj la termika disvastigo de malgrandaj counterions. La rezultanta ekvilibro potenciala diferenco inter la atmosfero kaj la jona macroions estas Donnan potencialo. Donnan potencialo ankaŭ nomata kiel potencial de membrano, ĉar simila situacio okazas sur membrano semipermeable, ekzemple, kiam disigas la electrolito solvo kiu havas jonoj de du specoj - kapablas kaj ne kapablas pasi therethrough de la pura solida.

Donnan potencialo povas esti konsiderata kiel limiganta okazo de la disvastigo potencialon, kiam la movebleco de unu el la jonoj (en ĉi tiu kazo macroion) estas nulo. Tiam, laŭ [1, p. 535], prenante zorge de vendotablo egala al unu:

E d = (RT / F) Ln ( a1 / Al2), kie

Ed - Donnan potencialo;

R - universala gaso konstanta;

T - termodinamika temperaturo;

F - Konstanto de Faraday;

A1, A2 - kontraŭ-aktiveco en la kontakton fazoj.

En ĉi tiu membro, kie la membrano disigas poliosnovaniya solvoj (pH = Lg a 1 = 14) kaj polyacid (pH = Lg a 2 = 0), Donnan potencialo trans la membranon ĉe ĉambra temperaturo (T = 300 0 K) estus:

E d = (RT / F) (Lg a 1 - Lg a 2) Ln (10) = (8,3 * 300/96500 ) * (14 - 0) * Ln (10) = 0,83 voltoj

Donnan potencialo pliiĝas proporcie al temperaturo. Por disvastigo de la elektrokemia ĉelo Peltier varmego estas la sola fonto por la produktado de utila laboro, ne estas mirige, ke tia elementoj EMF pliigas kun kreskanta temperaturo. En disvastigo ĉelo por la produktado de laboro, Peltier varmego ĉiam prenis de la medio. Kiam nuna fluas tra la EDL formis Donnan efikon, en direkto koincidante kun la pozitiva direkto de la kampo de DES (tio, kiam la kampo de DES elfaras pozitiva laboro), varmo estas absorbita de la medio por la produktado de ĉi tiu papero.

Sed la disvastigo elemento estas kontinua kaj unidireccional ŝanĝon en koncentriĝo de jonoj, kiu finfine kondukas al la egaligo de koncentriĝo kaj haltante direktita disvastigo, malkiel ekvilibro Donnan, kiu, en kazo de fugoj quasistatic kurentoj koncentriĝo de jonoj, iam atinginte certan valoron, restas neŝanĝita .

Figo. 2 montras diagramon de la redoksa potencialoj de la reagoj de hidrogeno kaj oksigeno al la ŝanĝi la acidez de la solvo. La diagramo montras ke la elektrodo potencialo de la oksigeno formado reago en la foresto de OH- jonojn (1,23 voltoj en acida medio) estas malsamaj de la sama potencialo ĉe alta koncentriĝo (0,4 voltoj en alkala medio) ĉe 0.83 voltoj. Simile, la elektrodo potencialo de hidrogeno-formante reago en la foresto de H + (-0.83 voltoj en alkala medio) estas malsamaj de la sama potencialo ĉe alta koncentriĝo (0 V en acida medio), ankaŭ ĉe 0.83 voltoj [4. 66-67]. Ie evidente 0,83 voltoj necesas por akiri altan koncentriĝon de akvo en la respektivaj jonoj. Tio signifas, ke 0,83 voltoj estas bezonata por maso de neŭtrala disociación de molekuloj de akvo en H + kaj OH- jonojn. Tiel, se la membranon estas subtenata en nia Elemento katodo spaco acida medio kaj en alkala anódica, la tensio povas atingi lian DEL 0,83 voltoj, kio estas en bona interkonsento kun la teoriaj kalkuloj prezentitaj pli frue. Tiu tensio provizas alta conductividad spaco donas membranon per akvo disociación en jonoj ene ĝi.

Figo. 2. Diagramo redoksa reakcio potencialoj

malkomponaĵo de akvo, kaj H + jonoj kaj OH- en hidrogeno kaj oksigeno.

SE kaj Peltier varmo (Aldono №2)

"La kaŭzo de la efekto Peltier estas ke la mezumo energio de la portantoj de ŝarĝo (por difiniteco elektronoj) implikita en la elektra konduktivo en diversaj ŝoforoj de malsamaj ... En la transiro de unu dirigento en alian elektrono aŭ publikigi eksceso potenco krado aŭ kompletigi manko de energio ĉe ĝia elspezo (depende de aktuala direkto).

Figo. 3. La efekto Peltier sur la kontakton metalo kaj la semiconductores n-: ԐF - Fermi nivelo; ԐC - la fundo de la konduktan bendon de la duonkonduktaĵo; ԐV - valenta bendo; Mi - pozitiva direkto de aktuala; rondoj kun sagoj montrita esquemáticamente elektronoj.

En la unua kazo proksime de la kontakto estas liberigita, kaj la dua - la tiel nomata absorbita .. Peltier varmego. Ekzemple, sur la kontakton duonkonduktaĵo - metalo (figuro 3) la energio de la elektronoj kiuj pasas de la n-tipa semikonduktaĵo por metalo (lasis tuŝo) estas signife pli alta ol la energio de Fermi ԐF. Sekve, ili seksperfortas la termika ekvilibro en la metalo. Ekvilibro estas restarigita kiel rezulto de kolizioj, en kiu thermalized elektronojn, donante troa energio cristalino. krado. La semikonduktaĵo metalo (dekstra tuŝo) povas pasi nur la plej energiaj elektronoj, tiel ke elektrono gaso en la metalo malvarmigas. La restarigo de la ekvilibro disdonado de oscilado energio konsumis krado "[2, p. 552].

Por kontakti la metalo / p-duonkonduktaĵo situacio estas simila. ĉar p-konduktiveco duonkonduktaĵo truoj provizi lian valenta bendo, kiu estas sub la Fermi nivelo, tiam la kontakton estos malvarmiĝis, en kiu elektronoj fluas de la p-duonkonduktaĵo al la metalo. Peltier varmego liberigita aŭ sorbita de la kontakto de du direktoroj, pro la produktado de negativaj aŭ pozitivaj de la interna SE.

Inkluditaj en la maldekstra kontakton breĉo (Fig. 3), sur kiu la Peltier varmego atribuo, electrolítico ĉelo, ekzemple, akva NaOH solvo (figuro 4) kaj metalo semikonduktaĵaj kaj n-tio estu kemie inerta.

Figo. 4. La maldekstra kontakton n-duonkonduktaĵo kaj la metalo estas malfermita kaj metita en la breĉo de la electrolito solvo. Designaciones estas samaj kiel en Figo. 3.

Ĉar, kiam nuna fluas «mi», la semiconductores de n-elektronoj en pli alta energio alvenas solvo ol venas el solvaĵo en la metalo, ĉi eksceso energio (varmego de Peltier) devas stari en la ĉelo.

La aktuala tra la ĉelo povas esti nur kazo de fugoj en ĝi elektrokemia reagoj. Se la reago exotérmica en la ĉelo, la Peltier varmo estas liberigita en la ĉelo, kiel pli ŝi havas nenie iri. Se la reago en la ĉelo - endoterma, la Peltier varmego estas tute aŭ parte kompensi la endoterma efiko, tio estas, formi reago produkto. En ĉi tiu ekzemplo, la totala ĉelo reago: 2H2O → 2H2 ↑ + O2 ↑ - endoterma, do la varmo (energio) de la Peltier estas krei molekuloj kaj H2 O2, formiĝas sur la elektrodoj. Tiel, ni atingos ke la varmego de la Peltier elektita en meza en la dekstra n-kontakton semikonduktaĵo / metalo ne estas liberigita reen en la medio, kaj estas stokita en la formo de kemia energio de hidrogeno kaj oksigeno molekulojn. Evidente, la operacio de la ekstera tensio fonto estas konsumita por la elektrolizo de akvo, en ĉi tiu kazo estos pli malgranda ol en la kazo de identa elektrodoj, kaŭzante neniun aperon de la efekto Peltier ..

Sen konsidero de la proprietoj de la elektrodoj, la elektroliza ĉelo mem povas sorbi aŭ generi varmegon kiam pasanta tra la Peltier nuna tio. La kvazaŭ-statikaj kondiĉoj, la potencialo ŝanĝo de la Gibbs ĉeloj [4, p. 60]:

Δ G = Δ H - T Δ S, kie

Δ H - entalpía ŝanĝo de la ĉelo;

T - termodinamika temperaturo;

Δ S - ŝanĝon en la entropio de la ĉelo;

Q = - T Δ S - varmego de la Peltier ĉelo.

Por hidrogeno-oksigeno elektrokemia ĉelo ĉe T = 298 (K), la ŝanĝo en entalpía ΔHpr = - 284.5 (kJ / mol) [8, p. 120], la ŝanĝo en la Gibbs potencialo [4. al. 60]:

ΔGpr = - zFE = 2 * 96485 * 1,23 = - 237.3 (kJ / mol), kie

z - nombro de elektronoj por molekulo;

F - Konstanto de Faraday;

E - emf ĉelo.

tial

Q ave = - T Δ S ave = Δ G ktp - Δ H ktp = - 237,3 + 47,2 = 284,5 (kJ / mol)> 0,

te hidrogeno-oksigeno elektrokemia ĉelo generas varmegon en la Peltier medio, dum plibonigi lia entropio kaj malsuprenirante lia. Tiam, en la inversa procezo, la elektrolizo de akvo, kiu estas la kazo en nia ekzemplo, Peltier varmego Q mod = - Q ave = - 47.3 (kJ / mol) de la electrolito estos sorbita de la medio.

Signifi P - Peltier varmego prenis de la medio en la dekstra n-kontakton semikonduktaĵo / metalo. La varmego P> 0 devas stari en la ĉelo, sed ĉar malkomponaĵo de akvo en la ĉelo endoterma reago (Δ H> 0), la Peltier varmo P estas por kompensi la termikan efikon de la reago:

Δ G arr = (Δ H arr - n) + Q mod                                                                        (1)

Mod Q dependas nur de la konsisto de la electrolito, ĉar Estas karakteriza de la elektroliza ĉelo kun inertaj elektrodoj, kaj n estas dependa nur sur la elektrodo materialoj.

Ekvacio (1) montras, ke la varmego de la Peltier P kaj Peltier varmigas mod Q, estas la produktado de utila laboro. Ie Peltier varmo forprenita de la meza reduktas la koston de ekstera potenco fonto postulata por elektrolizo. Situacio kie la varmego meza estas fonto de energio por la produktado de utila laboro, estas karakteriza de disvastigo, kaj ankaŭ por multaj elektrokemia ĉeloj, ekzemploj de tiaj elementoj estas montritaj en [3, p. 248 - 249].

Referencoj

1. Gerasimov Ya. I. kurson de fizika kemio. Tutorial: Por universitatoj. V 2 t. T.II. - 2-a red .. - M.: Kemio, Moskvo, 1973. - 624 p.
2. Dashevskiy 3. M. efekto Peltier. // Fizikaj enciklopedio. En 5 m. T. III. Magneto - Poynting teoremon. / Ch. Ed. A. M. Prohorov. Ed. atentindaj. DM Alekseev, A. M. Baldin, AM Bonch-Bruevich, A. Borovik-Romanov kaj aliaj -. M.: Granda Rusa Enciklopedio, 1992. - 672 p. - ISBN 5-85270-019-3 (3 m.); ISBN 5-85270-034-7.
3. Krasnov KS Fizika Kemio. En 2 libroj. Vol. 1. Strukturo de Materio. Termodinamiko: Proc. por mezlernejoj; KS Krasnov, N. K. Vorobev, I. et al Godnev -. 3a red .. - M.: Supera. WK 2001. -. 512. - ISBN 5-06-004025-9.
4. Krasnov KS Fizika Kemio. En 2 libroj. Vol. 2. Elektrokemio. Kemia kinetiko kaj katalizo: Proc. por mezlernejoj; KS Krasnov, NK Vorobyov I. N. Godnev et al. -3 red., Rev. - M.: Supera. WK 2001. -. 319. - ISBN 5-06-004026-7.
5. Sivukhin DV ĝeneralan kurson de fiziko. Tutorial: Por universitatoj. En 5 m. T.III. Elektro. - 4-a red, stereotipojn .. - M.: FIZMATLIT; Eldonejo de la MIPT, 2004. - 656 p. - ISBN 5-9221-0227-3 (3 m.); 5-89155-086-5.
6. Tager A. A. Fizika kemio de polimeroj. - M.: Kemio, Moskvo, 1968. - 536 p.
7. Vetter K. Elektrokemia kinetiko, tradukita el la germana lingvo kun la aŭtoro amendoj al la rusa eldono, eldonita de Corr. Sovetunio Akademio de Sciencoj prof. Kolotyrkin YM - M.: Kemio, Moskvo, 1967. - 856 p.
8. P. Atkins Fizika Kemio. En 2 v. T.I., tradukita el la angla lingvo de la kuracisto de kemiaj sciencoj Butin KP - M.: Mir, Moskvo, 1980. - 580 p.