Çevre ısısı ile Faydalı Çalışma

Bölüm 1. Bazı terimler ve tanımlar.

elektromotor kuvveti (EMK) bir akım kaynağı ... harici kuvvet elektrot ve elektrolit arasındaki sınırlarda hücreleri galvanik hareket içeren yekpare bir dış güç alanı kısmıdır. Ayrıca iki farklı metallerin arasındaki sınır ile çalışan ve [5 aralarında iletişim potansiyel farkı, s belirler. 193, 191]. Miktar devresi bölümünün tüm yüzeylerde potansiyelleri zincir uçlarında yer alan iletkenler arasındaki potansiyel farkı, eşit atlar ve elektromotor kuvvet emf iletken devresi denir ... Sadece ilk türden iletkenlerin oluşturduğu zincir birinci ve doğrudan onlara (Volta yasası) temasa ... devre düzgün açıksa, emk son iletkeni arasındaki potansiyel atlama eşittir bu devre, sıfırdır. en az bir elektroliti, geçerli hukuk volt ... Tabii ki, ikinci türden en az bir iletken içeren tek iletken devresi elektrokimyasal hücre (veya zincirler elektrokimyasal elemanları) [1, s açık-devre iletken, düzeltmek için. 490-491].

Polielektrolitler, böylece aynı makromoleküle, ücretleri ... çapraz bağlanmış polielektrolitler (iyon değiştiricileri, yinelenen bir sayıda, çözelti içinde iyonlarına ayrışan edebilen polimerler iyon değişim reçinesi) ayırmak yeteneği [6, s koruyarak çözmeyen, sadece, şişer. 320-321]. Polielektrolitler, negatif yüklü macroion ayrışmayan ve H + iyonları poliasitleri denilen ve poliosnovaniyami adlandırılan pozitif yüklü iyonlar ve OH macroion ayrışır edilir.

Donnan dengesi potansiyel, bu sınır, tüm iyonlara geçirgen değilse, iki elektrolit arasındaki faz sınırında oluşan potansiyel bir farktır. Bazı iyonları için Sızdırmazlık sınırları neden olabilir, örneğin, belirli bir boyutun üzerindeki parçacıklar için geçilemez olan çok dar gözenekli zarların varlığı. arayüzü seçici geçirgenliği meydana gelir ve her iyonları kadar güçlü genellikle bırakın olamaz fazdan birine bağlanmış ve. Tam olarak iyonik iyon değiştirme reçineleri davranan ya da iyon değiştirme grubu moleküler kafes ya da matris içinde polar olmayan bağ sabit. Çözelti, o tek bir faz ile birlikte, bu matrisler formları içinde olmak; Çözelti, dışında yer alan - 7 saniye [. 77].

çift katmanlı elektrik (EDS) birbirinden [7 ila belirli bir mesafede yerleştirilmiş zıt yüklü tabakalar kümesi, iki fazın ara yüzeyinde meydana gelmektedir. 96].

Peltier temas [2, s içinden akan elektrik akımının yönüne bağlı olarak, iki farklı iletken temasta Bu ısı izolasyonu ya da emme etkisi. 552].

Bölüm 2: suyun elektrolizi ısı ortamı oluşturulması.

Şekil l'de şematik olarak gösterilen, elektrokimyasal hücrenin (buradan elemanı) devresinin oluşma mekanizması göz önünde bulundurun. 1, bir dahili kontak potansiyel farkı (PKK) Donnan'a etkisine (Donnan etkisi özünün kısa bir açıklama, iç PKK ile ilişkili Peltier ısı maddenin üçüncü kısmında sağlanan) nedeniyle daha emk.

Şek. bir elektrokimyasal hücrenin 1. şematik temsili: 1 - katot 3 bir çözelti ile temas ettirilir, elektrolit katyonların elektrokimyasal indirgeme reaksiyonu, kimyasal olarak inert ağır katkılı n-yarı iletken yapılmış yüzeyi üzerinde meydana gelir. metalize harici bir gerilim kaynağı, bağlamadan katot parçası; 2 - anot bunun kimyasal olarak inert ağır katkılı p-yarı iletken yapılmış elektrolit anyon, elektrokimyasal oksidasyon reaksiyonunun meydana yüzeyi üzerinde, 4 bir çözeltisi ile temas ettirilir. metalize harici bir gerilim kaynağı, bağlamadan anot parçası; 3 - macroion su içinde ayrışan katot alanı, polielektrolit eriyiğinin, negatif yüklü bir R- ve pozitif yüklü karşı-küçük bir K + (mevcut örnekte hidrojen iyonu, H + 'dır); 4 - pozitif yüklü macroion R + ve negatif yüklü karşıiyonlarla küçük A halinde çözüşmesinin su içinde anot bölmesi polielektrolit çözeltisi (bu örnekte bu hidroksit iyonları OH); 5 - membran (diyafram), makro moleküllerin (macroion) polielektrolitlere geçirmeyen, ama küçük karşı iyonlar K + A- ve su molekülleri paylaşılan alan 3 ve 4'e tamamen geçirgen olduğu; Evnesh - Harici gerilim kaynağı.

eMF Donnan etkisiyle

Sulu poliosnovaniya (R + OH) - Açıklık için, katot (. 3, Şekil 1) elektrolit sulu poliasit çözeltisi (R-H +), elektrolit ve (1 'deki 4) anot bölmesine seçilir. katot bölmesindeki ayrışma poliasitlerin bir sonucu olarak, katot (1, Şek. 1) yüzeyine yakın olarak, H + iyonlarının yüksek bir yoğunlukta mevcuttur. Katot yüzeyinde bitişiğinde görünen pozitif yük beri, eksi yüklü macroions R- telafi edilmez (Ayrıntılar için bakınız. Makalenin üçüncü bölümünün Ek №1 yılında Açıklaması Donnan etkisi) onlar kalması durumunda boyut ve pozitif yüklü iyonik atmosferin varlığından katot yüzeyine yakın gelemiyorum. Bu nedenle, doğrudan doğruya katot yüzeyi ile temas halinde olan bir çözeltinin sınır tabakası pozitif bir yüke sahiptir. Bunun bir sonucu olarak, katot yüzeyinde elektrostatik indüksiyonlu bir çözelti ile bitişik, iletim elektron negatif yük vardır. yani katot yüzeyi ve DES çözeltisi arasındaki ara yüzeyde oluşur. DES alan katot elektronları iter - solüsyona ilave edilir.

Benzer şekilde, doğrudan doğruya anot yüzeyi ile temas içinde anot (2, Şek. 1), anot bölmesindeki çözeltinin sınır tabakasına (4, Şek. 1) bir negatif yüke sahiptir ve anot yüzeyi üzerinde, çözelti ile bitişik bir pozitif yük vardır. yani anot yüzeyi ve çözelti arasındaki ara yüzeyde de DES oluşur. bir anot - DES alan çözeltisi elektronları iter.

Bu durumda, solüsyon ile katot ve anot arayüzlerinde DES alan destekli termal çözüm iyonu difüzyonu, yani bir dış kaynaktan birlikte hareket eden, iki dahili emk kaynağı, saat yönünün döngüde olumsuz ücretleri iterek.

. Ayrıca ayrışma poliosnovaniya poliasitler ve katodik alan zar (5, Şekil 1) H + iyonları ile termal difüzyon neden olur - anoda ve anot bölmesinden OH iyonları - bir katot. aşırı pozitif yük, yani, - burada bir fazla negatif yük ve anodik boşluğundan katot bu böyle Macroion R + ve R- polielektrolitler, membrandan hareket edemez Başka DPP Donnan etkisine bağlı bulunmaktadır. Bu nedenle, membran ayrıca, ısı difüzyon bir dış kaynaktan birlikte hareket eden, emk içinde oluşur ve iyon solüsyonu muhafaza.

Örneğimizde, zar boyunca gerilim olarak, 0,83 volt ulaşabilir anot bölmesinin katot bölmesi asitli bir ortam içinde alkali ortamda geçişte 0.83 0 volt - Bu standart hidrojen elektrodu potansiyeli bir değişikliğe karşılık gelir. Ayrıntılar için maddenin üçüncü bölümünün Ek №1 yılında. bkz.

eMF İçten PKK

Eleman emf Bu harici voltaj kaynağına bağlanmak için hizmet bunların metal parçalarına temas yarı iletken anot ve katot olarak da dahil olmak üzere, meydana gelir. Bu emf İç PKK nedeniyle. İç IF iletişim iletkenleri çevreleyen alanda dış alan aksine, yaratmaz, yani Bu iletkenler dışında yüklü parçacıkların hareketini etkilemez. Yapı, n-iletken / metal / p-yarı iletken yeterince bilinmektedir ve, örneğin, bir termoelektrik kullanılır Peltier modülü. emk büyüklüğü 0.6 Volt [5, p - oda sıcaklığında böyle bir yapı 0,4 kadar yüksek değerlere ulaşabilir. 459; 2, s. 552]. rehber alanlar, döngü içinde saat yönünün tersine elektronları itme öyle bir şekilde, yani, içinde yönlendirilir dış kaynaktan ile uyum içinde hareket eder. elektronlar Peltier ısı emici orta enerji seviyesini yükseltmek.

İç elektrodlar ve çözeltinin temas alanları elektronların difüzyon nedeniyle ortaya çıkan IF, tam tersine, döngü içinde saat yönünde elektronları iter. yani saat yönünün bu kişileri Element'te elektronların hareketi Peltier ısı tahsis edilmelidir. Ama nedeniyle çözelti içine ve anot çözeltinin katottan elektron transferi zorunlu olarak hidrojen ve oksijen üreten bir endotermik reaksiyon eşlik eder, Peltier ısı ortamına salınan ve endotermik etkisini azaltmak için olması halinde, diğer bir deyişle gibi, hidrojen ve oksijenin oluşumu entalpi "korunmuş". Ayrıntılar için bkz. Makalenin üçüncü bölümünde №2 Ek olarak.

taşıyıcılar (elektronlar, iyonlar) kapalı yol, elemanda herhangi bir ücret kapalı bir devre içinde hareket değildir olmayan eleman devre hareket eder. Her bir elektron anot (oksijen moleküllerine OH- iyonlarının oksidasyonu sırasında) çözeltisi elde edilen ve katoda bir dış devreye geçirildi, (iyon H + iyileşme sürecinde) hidrojen molekülleri ile birlikte uçucu hale gelir. Benzer bir şekilde OH ve H +, ancak sadece ilgili elektrot, bir kapalı devre içinde hareket edebilir ve daha sonra, moleküler oksijen ve hidrojen biçiminde buharlaşmaz iyonlar bulunmaktadır. yani ve iyonlar ve her bir DES hızlandırıcı alandaki ortamda hareket elektronlar, ve yolun sonunda, bu elektrot yüzeyi tüm depolanan enerji dönüştürme, molekül içinde bir araya getirilmiştir ulaştıklarında - kimyasal bir bağın enerji ve döngünün!

emk iç kaynaklarının tamamı Eleman, azaltmak su elektroliz için dış kaynak maliyeti. Bu durumda, DES difüzyonunu korumak için çalışması sırasında soğuran elementler, çevre ısısı, yani bir dış kaynaktan maliyetini azaltmak için, Bu elektroliz verimini artırır.

herhangi bir harici kaynaktan Suyun elektrolizi.

incelerken işlemler Şekil l'de gösterilen elemanda meydana gelen. 1, harici bir kaynak parametreleri dikkate alınmamaktadır. İç direnç Rd eşittir ve 0 bir voltaj O varsayalım Evnesh Eleman elektrotlar pasif yük kısa devre (Şek. 5). Bu durumda, öğelerinde arayüzde ortaya çıkan DES alanının yönü ve büyüklüğü aynı kalır.

Şek. 5. yerine Evnesh (Şek. 1), pasif yük RL dahil olmak üzere.

Bu elemanda spontan akım akışının koşullarını belirler. maddenin üçüncü bölümünün Ek №1 formül (1) 'e göre, Gibbs potansiyelini değiştirme:

Δ G arr = (Δ * H arr - n) + Q mod

Eğer p> Δ * H + Q mod mod = 284,5-47,2 = 237.3 (kJ / mol) = 1.23 (eV / molekülü)

Δ G varış <0 ve kendiliğinden işlem mümkündür.

Bu elemanlar, hidrojen üretim reaksiyonu, bir alkali (0.4 volt elektrot potansiyeli) 'de asidik bir ortamda (elektrot 0 volt potansiyeli) ve oksijen oluşur daha dikkate alınacaktır. Bu elektrot potansiyelleri bir membran (5, Şek. 5), bu 0.83 volt olması gereken voltajı sağlar. yani hidrojen ve oksijen oluşumu için gerekli olan enerji 0.83 (eV / molekül) ile azaltılır. Sonra kendiliğinden süreç olasılığı koşulu olacak:

P> 1,23-0,83 = 0.4 (eV / molekül) = 77.2 (kJ / mol) (2)

Biz bulmak hidrojen ve oksijen moleküllerinin enerji bariyeri önlenebilir ve harici bir gerilim kaynağı kullanarak olmadan. yani Hatta, n = 0.4 (eV / molekül), yani en zaman iç elektrot HPDC 0.4 volt, eleman dinamik bir denge durumunda olacaktır, ve denge koşulları herhangi bir (hatta küçük) değişim devresindeki akım neden olur.

elektrotlarda reaksiyonlar için başka bir engel aktivasyon enerjisi, ancak ortadan kaldırılan , tünel etkisi elektrotlar ve çözelti [7, s arasındaki boşluğun küçüklüğü nedeniyle ortaya çıkan. 147-149].

Bu nedenle, enerji faktörleri esas biz Şekil l'de gösterilen öğesinde olduğu kendiliğinden akım sonucuna varılmıştır. 5, bu mümkün. Ama fiziksel hangi sebeplerle bu akıma neden olabilir? Bu nedenler aşağıda sıralanmıştır:

1. çözelti içine anot geçişin olasılığı daha yüksek çözelti içine katottan elektron geçiş olasılığı, çünkü n-iletken katot serbest yüksek enerji seviyesine sahip elektronların ve p-yarı iletken anodun çok - sadece "delik", bu "delik" katot elektron altında bir enerji seviyesinde olan;

2. zar bir asidik ortamın katot desteklenir ve anot olduğu - alkalin. Parçalar soy elektrotlar sözkonusu bu bir katot elektrot potansiyeli anot daha büyük olduğu gerçeğine yol açar. Sonuç olarak, elektronlar anottan katoda bir harici devre içinden geçmelidir;

3. Donnan etkisi nedeniyle ortaya çıkan polielektrolit çözeltilerin yüzey yükü, katotta alan çözelti içine katottan elektron verimi gerçekleştirebilecek tarzda elektrot / çözelti alanda oluşturur ve anot saha - çözeltiden anot haline elektron girişi;

İleri 4. denge ve elektrot tepkimeleri (değişim akımlar) H doğru eğilimli + iyonları anotta katot ve OH- iyonlarının oksitlenmesi ile doğrudan indirgeme reaksiyonları, çünkü ters kolayca reaksiyon bölgesini terk edebilen gazı (H2 ve O2) (LeChâtelier Prensibi) oluşumu eşlik eder.

Deneyler.

aktive karbon ve anyon reçine AB-17-8 dış grafit elektrot ile bir karışımı - Donnan etkisi ile yük boyunca gerilim niceliksel değerlendirilmesi için, bir deney içinde katod Eleman dış grafit elektrot ve bir anot ile aktive edilmiş karbon oluşuyordu gerçekleştirilmiştir. Elektrolit - sulu NaOH çözeltisi, anod ve katod alanlarda sentetik keçe ile ayrılır. Bu elemanın açık dış elektrotlar üzerinde yaklaşık 50 mV voltaj vardı. dış yük 10 bir unsuru bağlandığında ohm 500 mikroamper akım sabit. dış elektrota 20 gerilim 0C 30 ila ortam sıcaklığı artar mV 54'e zaman. çevre sıcaklığında geriliminin artması teyit emk kaynağı difüzyon, yani parçacıkların termal hareket.

Dış grafit elektrot ile boron karbit (B4C, p-yarı iletken) 'in bir toz - iç HPDC metal / yarı-iletken bir deneyden yük boyunca gerilim nicel olarak değerlendirilmesi için pili katot dış grafit elektrot ve bir anot sentetik grafit tozu oluştuğu yürütülmüştür. Elektrolit - sulu NaOH çözeltisi, anod ve katod alanlarda sentetik keçe ile ayrılır. eleman voltajının açık dış elektrotlar üzerinde yaklaşık 150 mV. elemanı 50 kOh gerilime dış yük bağlarken 35'e düştü mV. nedeniyle Bunun bir sonucu olarak, yüksek iç dirençli bir eleman olarak düşük intrinsik boron karbit ve Böyle güçlü bir voltaj düşmesi. bu yapının, bir element için sıcaklığa karşı incelenmesi gerilimi gerçekleştirilir değildir. Bunun nedeni, yarı iletken, camın kimyasal kompozisyonuna bağlı olarak, aslında için, doping ve diğer özellikleri derecesi, Fermi düzeyini etkileyebilir farklı şekillerde sıcaklık değişimi. yani emk sıcaklığın etkisi Eleman (artış veya azalma), bu durumda kullanılan malzemelere bağlıdır, bu nedenle bu gösterge deney değildir.

Şu anda, Element'in katotunun harici bir paslanmaz çelik elektrot ile aktifleştirilmiş karbon tozu ve katiyonit KU-2-8'den ve aktifleştirilmiş karbon tozu ve aniyonit AB-17-8'den oluşan bir anodun harici bir elektrod ile bir karışımından yapıldığı başka bir deney devam etmektedir Paslanmaz çelik. Elektrolit - sulu bir NaCl solüsyonudur, anodik ve katodik alanlar sentetik keçe ile ayrılmıştır. Ekim 2011'den bu yana, bu Eleman'ın dış elektrotları, pasif bir ampermetre ile kısa devre durumundaymış. Açıldıktan yaklaşık bir gün sonra ampermetreyi gösteren akım, 1 mA'dan 100 mkA'ya düştü (görünüşe göre elektrodların kutuplaşmasına bağlı) ve o zamandan beri değişmedi.

Yukarıda açıklanan pratik deneylerde, daha verimli materyallerin erişilememesi ile bağlantılı olarak elde edilen sonuçlar, teorik olarak mümkün olanın çok altındadır. Buna ek olarak, toplam iç emfin bir kısmının hesaba katılması gerekir. Eleman her zaman elektrot reaksiyonlarını (hidrojen ve oksijen üretimi) sağlamak için tüketilir ve harici bir devrede ölçülemez.

Sonuç .

Yukarıda özetlemek gerekirse, doğanın, bir "buzdolabı" bulundurmamak ve çevreyi "ısıtıcı" olarak kullanırken, doğanın bize ısı enerjisini faydalı enerjiye veya işe dönüştürmemize izin vermesi sonucuna varabiliriz. Böylece, Donnan etkisi ve iç IFR, yüklü parçacıkların hareketinin termal enerjisini DES'nin elektrik alanının enerjisine dönüştürür ve endotermik reaksiyonlar termal enerjiyi kimyasal enerjiye dönüştürür.

Tarafımızdan kabul edilen Element, çevreden ısı ve su tüketir, ancak elektrik, hidrojen ve oksijeni serbest bırakır! Ayrıca, elektrik tüketimi süreci ve yakıt olarak hidrojenin kullanılması, su ve ısıyı çevreye geri döndürür!

Bölüm 3. Başvurular.

Bu bölümde Donnan'ın dengesi, iç IFR'nin metal / yarı iletken arayüz üzerindeki etkisi ve Element'deki redoks reaksiyonları ve elektrot potansiyelleri üzerindeki Peltier ısısı daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Donnan'ın Potansiyeli (Ek 1)

Donen potansiyelinin polielektrolit için ortaya çıkma mekanizmasını ele alalım. Polielektrolitin ayrışmasından sonra, küçük karşı iyonları, difüzyon eylemi altında makromolekülün hacmini terk etmeye başlar. Polielektrolit macromolekülünün hacminden küçük karşıtiyonların yönlendirici difüzyonu, çözeltinin geri kalanına kıyasla macromolekülün hacmindeki artmış konsantrasyonundan ötürü meydana gelir. Ayrıca, örneğin, küçük karşıiyonlar negatif yüklü ise, makromolekülün iç kısımlarının pozitif bir yük kazandığı ve macromolekülün hacmine doğrudan bitişik olan çözüm olumsuzluğa neden olur. yani Bir makroyonun pozitif yüklü hacmi civarında olduğu gibi, küçük karşıiyonların "iyonik bir atmosferi" de negatif yüklü görünüyor. İyonik atmosferin yükünün büyümesinin sonlanması, iyonik atmosfer ile makroyonun hacmi arasındaki elektrostatik alan , küçük karşıiyonların termal difüzyonunu dengelediğinde ortaya çıkar. İyonik atmosfer ile makrozon arasındaki dengenin potansiyel farkı Donnan'ın potansiyeli. Potansiyel Donnan, zar potansiyeli olarak da bilinir , çünkü Benzer bir durum, yarı geçirgen bir zar üzerinde, örneğin, saf bir çözücüden geçebilen ve bunlardan geçemeyen iki türden iyonun bulunduğu bir elektrolit çözeltisini ayırdığında oluşur.

Potansiyel Donnan, iyonlardan birinin hareketliliği (makro olgularımızda) sıfır olduğunda, difüzyon potansiyelinin sınırlayıcı durumu olarak düşünülebilir. Sonra, [1, s. 535] karşıtlık yükünü birliğe eşit tutarak:

E d = ( RT / F ) Ln ( a1 / a2 ), burada

Ed Donnan'ın potansiyeli;

R - Evrensel gaz sabiti;

T - Termodinamik sıcaklık;

F - Faraday sabiti;

A1 , a2 - temas halindeki karşıiyonların faaliyeti.

Zarın, poli-baz çözeltilerini (pH = Lg a 1 = 14) ve poliasitler (pH = Lg a 2 = 0) ayırdığı Element'imizde oda sıcaklığında ( T = 300 0K) membrandaki Donnan potansiyeli:

E = ( RT / F ) (Lg a 1 - Lg a 2 ) Ln (10) = (8.3 * 300/96500) * (14-0) * Ln (10) = 0.83 Volta

Potansiyel Donnan, sıcaklık artışıyla doğrudan orantılı olarak artar. Bir difüzyon hücresi için, Peltier ısısı yararlı işin üretilmesi için tek kaynaktır, bu yüzden bu tür elemanlar için emf. Artan sıcaklık ile artar. Difüzyon unsurlarında, işin üretimi için Peltier'in ısısı daima çevreden alınır. Akım, Don alanının olumlu yönde (yani DES alanı pozitif iş taahhüdünde) denk gelecek şekilde Donnan efekti tarafından oluşturulan DPS'ye aktığında, bu işi üretmek için ortamdan emilir.

Ancak, difüzyon elementinde, kuasistatik akımlarda iyon konsantrasyonunun bir zamanlar belirli bir değere ulaştığı Donnan dengesinin aksine, iyon konsantrasyonlarında sürekli olarak konsantrasyonların dengelenmesine ve duran difüzyona neden olan sürekli ve tek yönlü bir değişim vardır .

Şekilde. Şekil 2, çözeltinin asiditesinde bir değişiklik ile hidrojen ve oksijen oluşum reaksiyonlarının oksidasyon-redüksiyon potansiyellerinde meydana gelen değişikliğin diyagramıdır. Diyagram, OH- iyonlarının yokluğunda oksijen oluşumunun elektrot potansiyelinin (asit ortamında 1.23 Volt), yüksek konsantrasyonda (alkalin ortamda 0.4 Volt) 0.83 Volt ile aynı potansiyelden farklı olduğunu açıkça göstermektedir. Benzer şekilde, H + iyonlarının yokluğunda hidrojen oluşumunun elektrot potansiyeli (alkalin ortamda -0.83 Volt), aynı zamanda yüksek konsantrasyonlarında (asit ortamda 0 Volt), aynı zamanda 0.83 Volt'da [4, p.] Aynı potansiyelden farklıdır. 66-67]. yani Sudaki ilgili iyonların yüksek bir konsantrasyonunu elde etmek için 0.83 Voltun gerektiği açıktır. Bu, nötr su moleküllerinin H + ve OH-iyonlarına kütle ayrılması için 0.83 volt gerektiği anlamına gelir. Bu nedenle eğer Eleman zarının katot boşluğunda asidik bir ortamı koruduğu ve anotun alkalin olması durumunda, DEL voltajı 0.83 Volt'a ulaşabilir ve bu daha önce verilen teorik hesaplamayı iyi kabul eder. Böyle bir voltaj, içindeki suyun iyonlara ayrışması nedeniyle DEL membranının alanının yüksek iletkenliğini sağlar.

Şek. 2. Reaksiyonun oksidasyon-indirgenme potansiyellerinin diyagramı

Su ve hidrojen ve oksijene H + ve OH- iyonlarının ayrışması.

KPI ve Peltier ısısı (Ek No. 2)

"Peltier etkisinin nedeni, çeşitli iletkenlerde elektrik iletkenliğinde yer alan yük taşıyıcıların ortalama enerjisinin (elektronların kesinlik kazanması için) farklı olmasıdır: Bir iletkenten diğerine geçerken, elektronlar fazladan enerjiyi ızgaraya iletirler ya da masraflar pahasına enerji eksikliğini giderirler (Akım yönüne bağlı olarak).

Şek. 3. Metal ve n-yarı iletken temasında Peltier etkisi: ԐF - Fermi seviyesi; ԐC yarıiletken iletken bandın dibidir; ԐV - değerlik bandının tavan; I - pozitif akım yönü; Oklu olan daireler koşullu olarak elektronları gösterir.

İlk durumda temas noktasının yakınında izole edilir ve ikinci durumda da, Peltier ısı. Örneğin, yarıiletken metal temasında (Şekil 3), bir n-tipi yarı iletkenden bir metale (sol temas) geçen elektronların enerjisi, Fermi enerjisi ԐF'den çok daha yüksektir. Bu nedenle, metalin termal dengesini ihlal ediyorlar. Denge, elektronların termalleştiği, fazla enerjiyi kristalize verdiği çarpışmalar sonucunda eski haline getirilir. ızgara. Metalden yarı iletken içine yalnızca en enerjik elektronlar girebilir (sağdaki temas), bunun sonucunda metaldeki elektron gazı soğur. Örgü titreşimlerinin enerjisi denge dağılımını düzeltmek için kullanılır "[2, p. 552].

Bir metal / p-yarı iletken teması için durum benzerdir. çünkü P-yarı iletken iletkenliği, değerlik bandı için Fermi seviyesinin altında delikler açar ve ardından elektronların p-yarı iletkeninden metale geçtiği bir temas soğutulur. Peltier ısı, iki iletkenin teması ile serbest bırakılır veya absorbe edilir, iç IF'nin negatif veya pozitif performansı oluşur.

Elektrolitik bir pil, örneğin bir sulu NaOH çözeltisi olan Peltier'in ısısını üreten sol kontağı (Şekil 3) açarız (Şekil 4) ve metal ve n-yarıiletken kimyasal olarak inerttir.

Şek. 4. N-yarı iletken ile metalin sol teması açılır ve bu boşluğa bir elektrolit çözeltisi yerleştirilir. Gösterim Şekil 7'deki ile aynıdır. 3.

N-yarıiletkeninden akım " I " aktığı zaman, çözeltiyi metalin içine bırakmaktan daha yüksek enerjili elektronlar çözeltiye girdiğinden, bu fazla enerji (Peltier ısı) hücrede bırakılmalıdır.

Hücrenin içinden geçen akım, yalnızca içerisinde meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar durumunda gidebilir. Hücredeki reaksiyonlar ekzotermik ise, hücrede Peltier ısı salınır, çünkü Kaybolması için daha fazla yer yok. Hücredeki reaksiyonlar endotermik ise, Peltier'in ısısı, endotermik etkinin telafi edilmesi için tamamen veya kısmen gider; Reaksiyon ürünlerinin oluşumu üzerine. Örneğimizde toplam hücre tepkisi: 2H2O → 2H2 ↑ + O2 ↑ endotermiktir, bu nedenle Peltier'in ısısı elektrolitler üzerinde H2 ve O2 moleküllerinin oluşmasına neden olur. Böylece, doğru n-yarı iletken / metal temas ortamından alınan Peltier ısısının ortama geri bırakılmadığını, ancak hidrojen ve oksijen moleküllerinin kimyasal enerji formunda kaldıklarını görüyoruz. Açıkçası, bu durumda suyun elektrolizi için harcanan harici bir voltaj kaynağının çalışması, Peltier etkisine neden olmayan özdeş elektrotları kullanmaktan daha az olacaktır.

Elektrotların özelliklerine bakılmaksızın, elektrolitik hücre kendisinden bir akım geçtiğinde Peltier ısısını emebilir veya serbest bırakabilir. Yarı statik koşullar altında bir hücrenin Gibbs potansiyelindeki değişim [4, p. 60]:

Δ G = Δ H - T Δ S , burada

Δ H , hücrenin entalpideki değişimi;

T - Termodinamik sıcaklık;

Δ S - hücre entropisinin değişimi;

Q = - T Δ S - Peltier hücre ısısı.

T = 298 (K) 'da bir hidrojen-oksijen hücresi için, entalpi değişimi ΔHpr = -284.5 (kJ / mol) [8, p. 120], Gibbs potansiyelindeki değişim [4. a. 60]:

ΔGpr = -zFE = 2 * 96485 * 1.23 = -23.7.3 (kJ / mol), burada

Z molekül başına elektron sayısıdır;

F , Faraday sabitidir;

E - emf Galvanik hücre.

bu nedenle

Q pr = - T Δ S pr = ΔG pr - Δ H pr = - 237.3 + 284.5 = 47.2 (kJ / mol)> 0,

yani Hidrojen oksijen hücresi ortamdaki Peltier ısısını yayınlarken, entropisini arttırarak kendi enerjisini düşürür. Ardından ters süreçte, sudaki elektroliz ile örneğimizde olan şey, Peltier Q obr'un ısısıdır = - Q pr = - 47,3 (kJ / mol) dış ortamdan elektrolitle emilir.

N-yarı iletken / metalin sağ taraftaki temasında ortamdan seçilen Peltier ısısı P olsun. Isı P > 0 hücrede öne çıkmalıdır, Hücredeki su ayrışma reaksiyonu endotermik ( ΔH > 0), daha sonra Peltier ısı P reaksiyonun termal etkisini telafi etmek için kullanılır:

Δ G temsilcisi = ( ΔH obre - П ) + Q обр                                                                        (1)

Q sadece elektrolit bileşimine bağlıdır. İnert elektrodları olan bir elektrolitik hücrenin bir özelliği vardır ve II sadece elektrotların malzemelerine bağlıdır.

Eşitlik (1), Peltier ısı P'nin yanı sıra Peltier ısı Q da yararlı işler üretmek için kullanıldığını göstermektedir. yani Isı Peltier ortamdan seçilen, elektroliz için gerekli olan harici bir elektrik kaynağının maliyetini düşürür. Ortamın ısısı yararlı işin üretimi için bir enerji kaynağı olduğu durum, tüm difüzyonun yanı sıra birçok elektrokimyasal element için karakteristik olduğu için bu elementlerin örnekleri [3, p. 248-249].

Referanslar

1. Gerasimov Ya.I. Fiziksel Kimya Kursu. Ders Kitabı: Üniversiteler için. 2 ton T.II'de - 2. baskı, Rev. - Moskova: KİMYA, Moskova, 1973 - 624 s.
2. Dashevsky 3. M. Peltier etkisi. // Fiziksel ansiklopedi. 5 volta T. III. Magnetoplasma - Poyntinga teoremi. / Ch. Ed. A. M. Prokhorov. Ed. sayın. D. M. Alekseev, A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich, A. S. Borovik-Romanov ve diğerleri - Moskova: Büyük Rus Ansiklopedisi, 1992. - 672 s. - ISBN 5-85270-019-3 (v. 3); ISBN 5-85270-034-7.
3. Krasnov KS Fiziksel kimya. 2 kitapta. Vol. 1. Maddenin yapısı. Termodinamik: Proc. Üniversiteler için; K. S. Krasnov, N. K. Vorobiev, I. N. Godnev ve diğerleri - 3. baskı, Corr. - Bayan: Yüksek öğrenim. Шк., 2001. - 512 ile. - ISBN 5-06-004025-9.
4. Krasnov KS Fiziksel kimya. 2 kitapta. Vol. 2. Elektrokimya. Kimyasal kinetik ve kataliz: Proc. Üniversiteler için; K. S. Krasnov, N. K. Vorobyev, I. N. Godnev ve diğerleri, 3. baskı, Corr. - Bayan: Yüksek öğrenim. Shk., 2001. - 319 s. - ISBN 5-06-004026-7.
5. Sivukhin DV Genel fizik dersi. Ders Kitabı: Üniversiteler için. 5 ton içinde, III. Cilt. Elektrik. - 4. baskı, Stereo. - Moskova: FIZMATLIT; MIPT Yayınevi, 2004. - 656 s. - ISBN 5-9221-0227-3 (v. 3); 5-89155-086-5.
6. Tager A. A. Polimerlerin fizikokimyası. - Moskova: KİMYA, Moskova, 1968 - 536 s.
7. Fetter K. Elektrokimyasal kinetik, Cor dini tarafından Rus baskısı için yazar eklemeleri ile birlikte Almanca dilinden çeviri. Bir SSSR prof. Kolotyrkina Ya.M. - Moskova: KİMYA, Moskova, 1967. - 856 s.
8. Etkinler P. Fiziksel kimya. 2 ciltte, T.I., İngilizce dilden Kimya Bilimleri Doktoru Butina K.P tarafından çeviri. - Moskova: DÜNYA Moskova, 1980. - 580 p.