الجزء 3. حضارة الربيع
[الائتمان الصورة: بواسطة لوثار Spurzem - العمل الخاص ، CC BY-SA 2.0 دي ، commons.wikimedia.org/w/index.php؟curid=39574590 ]الجزء السابق .
ملخص السلسلة السابقة.ما هي الطرق الأخرى لتخزين الطاقة إلى جانب الوقود الكيميائي؟ حتى لو لم يكن للصواريخ ، ولكن بشكل عام؟
لنبدأ مع البطارية الكهربائية. هذا على الأقل ليثيوم أيون. من أين تأتي الطاقة؟
إنه بسيط ، هناك تفاعل كيميائي
[ 210 ] :
LiC 6 +
CoO 2 <->
C 6 +
LiCoO 2يذهب إلى اليسار -
الأغنية قيد الشحن. إلى اليمين يتم تفريغها.
أنت ، بالطبع ، لقد خمنت بالفعل. نظرًا لأن حد كثافة الطاقة للتفاعل الكيميائي معروف لنا (-30 20-30 MJ / kg) ، فإن كثافة الطاقة القصوى
لأي بطارية / بطارية تراكم هي نفسها. على الأقل الرصاص ، على الأقل النيكل والكادميوم ، على الأقل كبريت الصوديوم. نظرة بسيطة على خصائص أنواع مختلفة من البطاريات على ويكيبيديا
[ 340 ] كافية لتأكيد هذا التخمين. ولاحظ: حتى أفضل البطاريات من حيث محتوى الطاقة (1-3 MJ / kg) لم تصل بعد إلى الحد النظري للحد النظري. البطارية في جول لكل كيلوغرام لا تتفوق على البنزين ولن تتغلب عليه أبدًا - ولكن لا يزال يتعين عليها تطوير الكثير.
حسنًا ، لنجرب شيئًا مختلفًا تمامًا. ليس على الإطلاق مثل البطارية. حسنا ، على الأقل الربيع. كيف يتم تخزين الطاقة فيه؟
يتم تطبيق الحمل على المواد. يحول الحمل الذرات نسبة إلى بعضها البعض. بسبب الإزاحة ، يتم إعادة توزيع السحب الكهربائية للإلكترونات التكافلية وتغيير شكلها قليلاً ... توقف! "
يبدو ... اليوم قلت بالفعل ... "
[صورة الائتمان: يوم الانتخابات الفيلم [ 630 ]]نعم بالضبط يتم تخزين طاقة المرونة بشكل رئيسي في المجال الكهربائي للإلكترونات الخارجية. وهذا يعني أن لديها نفس الحد: -30 20-30 MJ / kg ، أو 3-4 فولت لكل ذرة ، المقابلة للطاقة الملزمة لأي من إلكترونات التكافؤ وذرة (في الشبكات التساهمية والأيونية) ، أو ذرة مع "سائل" إلكتروني الإلكترونات الموزعة (في المعدن ، حيث يكون كل شيء في الواقع أكثر تعقيدًا وقمت بقطع بضع زوايا هنا ، لكن هذا لم يؤثر بشكل جذري على الإجابة).
كيفية التحقق من هذا الاستنتاج؟ مع الوقود بسهولة ، تكون القيمة الحرارية في أي دليل. وما المعلمة المادية للمواد الربيع هو مقياس للحد الأقصى للطاقة المخزنة؟
قليلا من الصيغالنظر في مربع صغير من المواد داخل الربيع. طول ، منطقة
س. المجلد
الخامس =
aS . ويجري امتدت. يمكن القيام بذلك حتى يصل الضغط (الشد) داخل الشريط إلى قوة الشد المشار إليها بالحرف
σ ؛ محاولة لتمتد أكثر سيؤدي إلى تشوه لا رجعة فيه دون تخزين الطاقة. ما مقدار الطاقة في هذا الشريط؟ العمل
A = ∫
F *
dx من صفر إلى
ε *
a ، حيث
ε هو الاستطالة النسبية التي لا يزال التشوه قابلاً للانعكاس فيها. باستثناء المواد التي تشبه المطاط (حيث تعمل آلية مختلفة)
ε << 1 دائمًا - لا يمكن للذرات تغيير مواقعها النسبية على مسافات مماثلة لتلك الموجودة في المسافات الأصلية دون إعادة ترتيب جذرية للشبكة بأكملها. وبالتالي ، فإن الاستطالة صغيرة ، ويمكن اعتبار قوة المقاومة خطية تزداد مع الاستطالة:
F ≈ (
x /
aε ) *
S *
σ . بالتكامل ، نحصل على العمل
A =
x 2 *
S *
σ / 2
aε ، الاستبدال من 0 إلى
aε ، الإجمالي
A =
Saσε / 2 =
σVε / 2. وكم من الطاقة يتم الحصول عليها لكل وحدة الكتلة؟ من الضروري تقسيم
A على m =
ρV . سيكون
w =
εσ / 2
ρ.يمكن تقدير قيمة as كـ
ε ≈
σ /
E ، حيث
E هي معامل Young للمادة. لكننا سنفعل ذلك أسهل. نظرًا لأن
ε أقل من
[ 358 ] وحدة (وحتى أقل من ذلك بكثير) بالنسبة للغالبية العظمى من المواد الإنشائية ، فنحن ببساطة نخفف التقدير من خلال كتابة
w <
σ / 2
ρ . كما اتضح لاحقًا ، هذه الدقة كافية لفهم الصورة.
الإجابة: لا تتجاوز الكثافة القصوى للطاقة المرنة لكل كيلوغرام
w ≈
σ / 2
ρ ، حيث
σ هو الضغط النهائي الذي تتحمله المادة دون تشوه لا رجعة فيه ،
ρ هي كثافته. وإذا كان فهمنا على المستوى الجزيئي صحيحًا على الأقل تقريبًا ، فيجب ألا تزيد هذه النسبة عن 30 MJ / kg. ننظر إلى نقاط القوة في
[ 350 ] [ 355 ] من المواد ، نقارن:
| المواد | تحميل الشد النهائي GP ، GPa (مقاومة الخضوع) | الكثافة ، كجم / م 3 | w = σ / 2 ρ ، MJ لكل كيلوغرام |
| الفولاذ المقاوم للصدأ | 0.505 | 8000 | 0.031 |
| بيتا ج سبائك التيتانيوم | 1.25 | 4810 | 0.13 |
| البريليوم | 0.345 | 1840 | 0.19 |
| Maraging steel [2800 Maraging steel] | 2.617 | 8000 | 0.33 |
| الماس | 1.6 | 2800 | 0.57 |
| كيفلر | 3.62 | 2514 | 1.25 |
| ألياف الكربون توراي T1100G | 7.0 | 1790 | 2.96 |
هذا كل شيء علاوة على ذلك ، فإن معظم المواد الإنشائية لا تصل إلى حد 1-3 أوامر من حيث الحجم. بالنسبة للمواد الحقيقية في المشابك الكريستالية ، يوجد دائمًا عيوب عديدة لا تسمح لها بتحقيق حتى القوة التي تكون ذراتها وجزيئاتها قادرة عليها من حيث المبدأ. لكن الينابيع الحقيقية ، بدورها ، لا تصل إلى حد العيوب - لأنها "تطفو" بالفعل في تشوهات نسبية صغيرة للغاية.
والجرافين
[ 95 ] ، تسأل؟ ماذا عن الجرافين ، مع الخصائص المعلنة
[ 355 ] من 65 MJ / كجم؟ وجميع أنواع "الأنابيب النانوية الهائلة"؟ سنتحدث عنها في الجزء الرابع. في غضون ذلك ، نقتصر على القول بأنه وراء بعض الاستثناءات المحددة للغاية ، لا يتجاوز الحد الأقصى لاستهلاك الطاقة المرنة للمواد الصلبة ≈30 MJ / kg.
وقد كتب المقال لموقع https://habr.com . عند النسخ ، يرجى الرجوع إلى المصدر. مؤلف المقال هو يفغيني بوبوخ .لكن ربما تكون مشكلة الربيع هي أنه لا يمكن ضغطه فوق قوة الشد للمادة؟ ومع ذلك ، يمكن القيام بذلك مع الغازات! ماذا لو تم تخزين الطاقة في الغاز المضغوط؟
لذلك ، يتم إعطاء: أسطوانة كروية نصف قطرها
r مصنوعة من المعدن مع قوة thin مع جدار رقيق. تم ضخ الغاز فيه تحت الضغط
ص . كيف يجب أن يكون الجدار سميكًا حتى لا يمزق البالون؟ أبسط حساب يوضح أن هذا السماكة هو
δ = (
r / 2) * (
p /
σ ). كم تزن هذه الزجاجة؟
m =
ρ V =
ρ * 4π
r 2 δ = 2π
ρ r 3 p /
σ. ما مقدار الطاقة المخزنة فيه؟
E ≈ pV = 4π
r 3 p / 3. كتلة الغاز نفسها مهملة. خسائر على التوسع أيضا. كم جول لكل كيلوغرام؟ قسّم
E على كتلة الأسطوانة ، نحصل على ...
ث = 2
σ / 3
ρنفس الربيع. مع نفس الحد الربيع الأساسي ،
مستقلة عن ضغط الاسطوانة . بالطبع ، بسبب هندسة الماكرة أو الجدران السميكة ، يمكنك على الأرجح الضغط عليها عدة مرات. ولكن بالتأكيد ليس بضع مئات ...
دولاب الموازنة؟ يتم تحديد حده من خلال قدرة المادة على مقاومة الحمل الناتج عن
قوة الطرد المركزي عن طريق التسارع
المركزي . من السهل أن نوضح أن كثافة الطاقة هنا ستكون
[ 640 ] هي نفسها
σ /
ρ تصل إلى عدة مرات بسبب الهندسة. صحيح ، في الممارسة العملية بالنسبة دولاب الموازنة ، هذا الحد
لا يعتمد على الاستطالة قبل الفشل ، وبالتالي ، يتم تحقيقه (تقريبًا) تمامًا ، على عكس الربيع.
دعونا إسقاط الميكانيكا. هناك كهرباء أكثر حداثة ، دعنا نخزن الطاقة فيها؟
دعنا نقول مكثف فراغ. أبسط: اثنين من لوحات ، مجال كهربائي بينهما. كما هو معروف
[360 ، صفحة 106] ، يخزن كل سنتيمتر مكعب من وحدات الطاقة الكهربائية وحدات الطاقة
E 2 / 8π (في نظام GHS ، اعتدت على حساب الكهرباء فيه). كم سيكون للكيلوغرام الواحد؟ والكيلوغرام تنشأ حتما ، لأن المكثف يحتاج إلى قوة. تنجذب اللوحات إلى بعضها البعض. تنجذب كما لو أنها تعاني من ضغط سلبي للحقل الكهربائي. وهو ما يعادل
[360] نفس
E 2 / 8π! أي أن هذه المهمة تعادل مشكلة أسطوانة الغاز ذات الضغط السلبي ، والتي تمنعها من كسر قوة الجدران. ونحن فقط حل هذه المشكلة. الجواب معروف: كل هذا مؤسف
σ /
ρ زائد أو ناقص عدة مرات.
وإذا كان مكثف ليس فراغ؟ إذا مليئة عازلة؟ سوف يأخذ جزء من الحمل. وسيزيد من كثافة الطاقة الكلية بعامل
ε ، لأنه في العزل الكهربائي يساوي
[ 650 ] ED / 8π =
ε E 2 / 8π. يبدو ، هنا هو ، السعادة؟ ولكن للأسف ، يزداد ضغط الضغط على المكثف أيضًا بعامل
ε مع
E داخلي ثابت ، وهذه هي الطريقة التي تسير بها. لكننا ما زلنا نهمل الانهيار الكهربائي. يزداد احتمال حدوث كارثية بمجرد أن يصبح الحقل
E قابلاً للمقارنة مع الحقول interatomic التي أنشأتها إلكترونات التكافؤ الخارجية. وهذا هو ، هنا كل شيء يقع ضد الحد الربيع.
ثم ماذا عن المكثفات الفائقة
[ 220 ] ، بقدرات مجنونة تصل إلى مئات الفراد؟ للأسف ، لا شيء على الإطلاق. وفقًا لمبدأ العمل ، يتم تقسيمهم إلى فئتين. إن المواد الكهروكيميائية هي في الواقع بطاريات الأكسدة التي تخزن الطاقة بشكل كيميائي ، بسرعة كبيرة. والكهرباء ، أشبه المكثفات بالمعنى المعتاد ، فقط مع وجود فجوة رقيقة جدا بين "الأقطاب" ، وعدد قليل من الجزيئات واسعة. في السابق ، من الواضح أن الإمداد بالطاقة يعتمد على الكيمياء. والثاني - في كمية انهيار المجال الكهربائي. والتي لا يمكن أن تتجاوز بشكل كبير بالقوة الحقول الكهربائية بين الذرية التي تحمل المسألة في سلامة. وهذه هي نفس وحدات الجهد الكهربائي لكل حجم ذرة. وبالتالي ، فإن المكثفات الفائقة محدودة أيضًا في تخزين الطاقة بمقدار M30 MJ / kg. تشهد ويكيبيديا
[ 22 3 ] : لا يقترب أي من هذه الأجهزة من الحد الأقصى لكثافة الطاقة. وبناءً على فهمنا ، لن ينجح الأمر.
في محاولتنا الأخيرة للتغلب على هذا الحد من خلال الكهرباء الساكنة ، دعونا نلقي نظرة على مكثف كروي في فراغ:
خذ كرة معدنية ناعمة تمامًا في دائرة نصف قطرها
r . تبريده إلى (تقريبا) الصفر المطلق. نحن نأخذ بعيدا ، بعيدا في فراغ عميق بلا حدود. وأطلقت شعاع الإلكترون ، بعيدا جدا. عندما تضرب الإلكترونات الكرة ، فإنها تعطيها شحنة
q و (كما يمكنك حساب) إجمالي الطاقة
W =
q 2/2 r . يبدو أن تكون مستقلة عن كتلة المجال. هل هو ؟؟
للأسف ، لا يمكن شحن هذا المكثف إلى أجل غير مسمى. ولكن فقط حتى يصبح الحقل الكهربائي الذي أنشأه بالقرب من السطح قابلاً للمقارنة في القوة مع الحقول الكهربائية بين الذرات. إذا اقتربت من هذه القيمة بشحنة سالبة ، فستبدأ الانبعاثات الإلكترونية البرية ([
390 ، ص. 13] ، [
400 ]) وستنطلق الشحنة في الفراغ المحيط في بضع دقائق. إن كانت الشبكة البلورية للمكثف ستفقد قوتها ، فإن المادة "سوف تتبخر" أو تنهار ببساطة.
لقد تطلب
الأمر مني يوميًا
حساب أنه في الحالة الأولى ، ستكون كثافة الطاقة لكل كيلوغرام فقط ≈ 20 KJ / kg. في الثانية - 10-30 MJ / كجم مألوفة بالفعل لنا. أخيرًا ، إذا كانت الكرة مجوفة ، فسيتم تحديد الحد الأقصى من خلال قوة الشد.
وإذا كان الحقل غير كهربائي ، ولكن المغناطيسي؟ حسنًا ، أخذوا حلقة من موصل فائق مع نصف قطر
R ، سمك سلكي
2r ، أطلقوا تيارًا كهربائيًا فيه بقوة
I ، وقاموا بتبريده - والرجاء: أن التيار يعمل في دائرة إلى الأبد ، الطاقة في المجال المغناطيسي تنتظر الاستخدام. ما ليس بطارية مثالية؟
ولكن تذكر أن التيارات الموجهة بعكس اتجاه صد بعضها البعض. لذلك ، ستعمل قوة الشد على الحلبة. لمواجهة الذي يجب أن يكون لديك بعض المرونة والمرونة. بعد أن قرأت القراء من تفاصيل الحساب ، سأعلمكم أن الطاقة المخزنة في الحلبة تساوي تقريبًا نفس النسبة
σ /
ρ .
هنا ، ربما يفكر الأشخاص المطلعون: "تكوين عاجز! ولكن ماذا عن التكوين عاجز؟! " هناك
[ 380 ] شيء من هذا القبيل. من خلال المجال المغناطيسي ، تكون الهندسة الماكرة ممكنة حيث يكون الحقل
موازيا للتيار في النظام - وبالتالي لا يمارس أي قوة على هذا التيار. في أبسط نسخة من هذا التكوين ، يتم لف التيار في دوامة ، يتم لف الحقل في نفس الاتجاه ولا تعمل القوة على الأسلاك (تقريبًا):
[صورة ائتمان: سزابولكس ريمبيكزكي ، تصميم وتحسين مغنطيسات الحقل عالية القوة ، [ 370 ]]هذا التصميم ، للوهلة الأولى ، يزيل أخيرًا المادة العادية من دور الزنبرك ويقفز فوق حد الربيع. ومع ذلك ، كان هناك. يظهر تحليل شامل ودقيق
[ 370 ] ، أولاً ، أن حالة العجز لا يمكن تحقيقها إلا في نقاط فردية في الفضاء - ولكن ليس في كل الفضاء ؛ وثانيا ، لا يزال النظام
الضعيف الحجم
المحدود يتطلب دعما خارجيا لوجوده. علاوة على ذلك ، يعطي Szabolcs Rembeczki النتيجة الدقيقة لمؤلف آخر (GE March) من عام 1996 ، حيث تتم مقارنة إجمالي احتياطي الطاقة في مثل هذا النظام مع الطاقة المرنة لهذه الدعامات:
[صورة ائتمان: سزابولكس ريمبيكزكي ، تصميم وتحسين مغنطيسات الحقل عالية القوة ، [ 370 ]]بعد إعادة كتابة التعبير الأخير قليلاً ، نحصل على:
E /
M ≤
σ /
ρ . أي أن طاقة الكتلة لا تزال لا تتجاوز حد الربيع.
أخيرًا ، المس بإيجاز الملح الملح ، لأن هذا الموضوع شائع. كم من الطاقة يمكن تخزين كيلوغرام من ذوبان؟ من الواضح أن هذه هي الطاقة اللازمة للتدفئة إلى درجة حرارة الانصهار ، بالإضافة إلى الحرارة المحددة لهذا الصهر نفسه. الأول من الاثنين لا يكاد يذكر: نظرًا لأن 1 فولت على هذا تبلغ 11،600 درجة ، فمن الواضح أنه لا يمكن لأي جسم صلب أن يحتوي على أكثر من -0.4 فولت / ذرة من الحرارة. يتم تحديد الثانية من خلال طاقة الربط للشبكة الصلبة ولهذا السبب لا تتجاوز وحدات الجهد الكهربي للذرة. على سبيل المثال ، في كلوريد الصوديوم كلوريد
الصوديوم (مادة قريبة من الأيونية الكاملة وغير ضارة نسبيًا) ، تكون درجة حرارة الانصهار
[ 660 ] 0.52 MJ / كجم ، أو حوالي 0.3 فولت فولت لكل ذرة. على ما هذا الموضوع يمكن أن تكون مغلقة.
والنتيجة حزينة ومضحكة قليلاً.
على الرغم من التقدم الهندسي الألفي ؛ على الرغم من مجموعة طرق تخزين الطاقة الضخمة ، على ما يبدو ، تعتمد معظم هذه الطرق على نفس المبدأ. المبدأ الكامن وراء الجهاز ، المعروف لنا لمئات السنين.
هذا الجهاز هو ربيع:
نحن حضارة الينابيع.
إن صواريخنا غالية الثمن وثقيلة ، لأنه في الواقع ، يخزن الربيع طاقته ، التي تكاد تكون كثافتها كافية للتغلب على بئر الجاذبية الأرضية. يحدد حد الزنبرك القوة الميكانيكية للصواريخ ، ويعارض كتلة زنبرك الوقود الكيميائي المشحون. يحدد الحد الربيعي أقصى ارتفاع لمبانينا وطول امتدادات الجسر وسعة البطارية وسمك أجسام الشاحنات.
كل ما يخزن الطاقة في إعادة توزيع الحقول الكهربائية لإلكترونات التكافؤ من المادة العادية ، يقع على حدود الربيع: 3-4 فولت لكل ذرة ، أو 20-30 ميجا جول / كيلوغرام. الأشياء التي نستخدمها كل يوم مثل الوسيط الجشع. تمر جميع المعاملات بدقة من خلال: الطاقة => المسألة => الحقول الكهربائية => المسألة => الطاقة. لكن السمسار يحظر تخزين أكثر من 3-4 إلكترون فولت لكل ذرة على حساب واحد ، ويحارب عمولة هائلة في شكل كتلة ذرة ثقيلة لكل حساب.
وعلى الرغم من أن الإلكترونات الداخلية للذرة لديها طاقات ملزمة لمئات وآلاف فولت الإلكترون ، وللنواة ملايين ومليارات ، فإننا بالكاد بدأنا العمل مع هذه القوى. لقد تعلمنا حتى الآن التعامل مع الغلاف الخارجي الرقيق للذرة فقط. في ذلك ، في شكل قوة المجال الكهربائي ، يتم تخزين جميع احتياطيات الطاقة في حضارتنا تقريبًا.
بعض المريخ ، كما ترى ، من خلال إدراك هذا الأمر كان من الممكن أن يلقوا
أيديهم الكاذبة لفترة طويلة. لكننا سنرى في القسم التالي أنواع المسارات التي تقدمها الطبيعة لتجاوز حد الربيع. في الواقع ، دعونا نرى.
أن تستمر .