春季文明，3/5

第三部分。春季文明

^{[图片来源：Lothar Spurzem-自己的作品，CC BY-SA 2.0 de， commons.wikimedia.org / w / index.php？curid = 39574590 ]}

上一部分 。 先前系列的摘要。

那么，除了化学燃料以外，还有什么其他方式来存储能量？ 即使不是为了火箭，但总的来说呢？

让我们从电池开始。 至少是锂离子。 能量从何而来？

很简单，发生^{[ 210 ]}电化学反应：

LiC ₆ + CoO ₂ <-> C ₆ + LiCoO ₂

转到左侧- 歌曲正在充电。 右侧排出。

您当然已经猜到了。 由于我们知道化学反应的能量强度极限（≈20-30MJ / kg），因此任何电池/蓄电池的最大能量密度是相同的。 至少铅，至少镍镉，至少硫钠。 简单地看一下Wikipedia ^{[ 340 ]}上不同类型电池的特性^就足以证实这一推测。 并看到：就能量含量而言，即使是最好的电池（1-3 MJ / kg）也尚未达到理论极限。 每公斤焦耳的电池不会打败汽油，也永远不会打败汽油，但是它仍有很大的发展空间。

好，让我们尝试一些根本不同的东西。 根本不像电池。 好吧，至少是春天。 能量如何存储在其中？

负载已施加到材料上。 负载使原子相对于彼此移动。 由于位移，外部价电子的电子云将重新分布，并稍微改变其形状...停止！ “ 看来……今天我已经说过…… ”


^{[图片来源：电影选举日[ 630 ]]}

是的，完全正确。 弹性能主要存储在外部电子的电场中。 这意味着她具有相同的限制：≈20-30MJ / kg，或每个原子3-4 eV，对应于价电子和一个原子（共价和离子晶格）或具有电子“液体”的原子的结合能分布的电子（在金属中，实际上实际上一切都更复杂，我在这里切了几个角度，但这并没有从根本上影响答案）。

如何检查这个结论？ 借助燃料，发热量值可在任何目录中找到。 弹簧材料的什么物理参数可以衡量最大存储能量？


答案：每千克弹性能的极限密度不超过w≈σ / 2ρ ，其中σ是材料承受的没有不可逆变形的极限压力，而ρ是其密度。 并且，如果我们在分子水平上的理解至少近似为真，则该比率应不超过≈30 MJ / kg。 我们来看^{[ 350 ] [ 355 ]}材料的优势，我们比较：

材质	极限拉伸载荷 σ，GPa（屈服强度）	密度，kg / m 3	w = σ/ 2ρ ，MJ每千克
不锈钢材质	0.505	8000	0.031
Beta C钛合金	1.25	4810	0.13
铍	0.345	1840年	0.19
马氏体时效钢[2800马氏体时效钢]	2.617	8000	0.33
金钻	1.6	2800	0.57
凯夫拉尔	3.62	2514	1.25
碳纤维东丽T1100G	7.0	1790年	2.96

仅此而已。 而且，大多数结构材料没有达到1-3个数量级的极限。 对于晶格中的真实材料而言，总是存在许多缺陷，这些缺陷使它们甚至无法获得其原子和分子原则上能够提供的强度。 但是，真正的弹簧反过来甚至没有达到缺陷的极限，因为它们已经以很小的相对变形“浮动”了。

石墨烯^{[ 95 ]} ，你问吗？ 石墨烯的特征^{[ 355 ]}为65 MJ / kg，该怎么办？ 还有各种各样的“巨大的纳米管”？ 我们将在第四部分中讨论它们。 同时，我们仅限于以下声明：在几个非常具体的分段例外之后，固体物质弹性能消耗的限制实际上并未超过≈30 MJ / kg。

^{本文是为网站https://habr.com撰写的。 复制时，请参阅来源。 本文的作者是Evgeny Bobukh 。}

但是也许弹簧的问题在于它不能被压缩到材料的抗拉强度以上？ 但是，这可以用气体来完成！ 如果能量存储在压缩气体中怎么办？

因此，给出：半径为r的球面圆柱体，由强度为σ的金属制成且壁薄。 在压力p下将气体泵入其中。 壁应厚到使气球不撕裂的程度？ 最简单的计算表明该厚度为δ =（ r / 2）*（ p / σ ）。 这样的瓶子重多少？ m = ρV = ρ *4πr 2δ=2πρr ³ p / σ。 它存储了多少能量？ E≈pV =4πr ³ p / 3。 气体本​​身的质量被忽略。 扩展损失也很大。 每公斤多少焦耳？ 用E除以圆柱体的质量m ，我们得到...

w = 2σ / 3ρ

同一个春天。 具有相同的基本弹簧极限， 与气缸压力无关 。 当然，由于狡猾的几何形状或较厚的墙壁，您可能可以将其挤压几次。 但肯定不是几百...

飞轮？ 其极限取决于材料抵抗由向心加速度产生的离心力所产生的载荷的能力。 很容易证明，由于几何形状，此处的能量密度最多会^{[ 640 ]}等于σ / ρ几次。 没错，实际上，对于飞轮来说，该极限不取决于失效前的伸长率，因此，与弹簧不同，该极限几乎（几乎）完全达到了。

让我们放弃机制。 有更多的现代电力，让我们存储能量吗？

假设是真空电容器。 最简单：两块板，两块板之间有电场。 众所周知^{[360，p。106]} ，每立方厘米的电场都存储E ² /8π能量单位（在GHS中，我曾用它来计算其中的电量）。 每公斤多少钱？ 由于电容器需要强度，因此不可避免地会产生千克。 板相互吸引。 它们被吸引，好像它们正经历电场的负压一样。 等于^[360]相同的E ² /8π！ 即，该任务等同于具有负压的气瓶的问题，该负压的气瓶不会由于壁的强度而破裂。 我们刚刚解决了这个问题。 答案是已知的：所有相同的不幸σ / ρ加或减几次。

如果电容器不是真空的？ 是否充满电介质？ 他将承担部分负担。 并且它将使体积能量密度增加ε倍，因为在电介质中它等于^{[ 650 ]} ED /8π= εE ² /8π。 看来，这就是幸福吗？ 但可惜的是，在内部E固定的情况下，电容器上的压缩压力也会增加ε倍，这就是它的方法。 但是我们仍然忽略了电气故障。 一旦电场E变得与由外价电子产生的原子间场具有可比性，则该概率急剧增加。 也就是说，这里的一切都取决于弹簧极限。

那么，具有多达数百个法拉的疯狂容量的超级电容器^{[ 220 ]}呢？ las，什么都没有。 根据作用原理，它们分为两类。 电化学实际上是氧化还原电池，以化学形式存储能量，速度非常快。 静电在通常意义上更像电容器，但“电极”之间只有很小的间隙，只有几个分子宽。 在前者中，能量的供应显然取决于化学。 第二-击穿电场量。 用力不能明显超过保持物质完整的原子间电场。 这些是每个原子大小的eV相同的单位。 因此，超级电容器的能量存储也受到约30 MJ / kg的限制。 Wikipedia作证^{[ 22 3 ]} ：这些设备都没有一个接近能量密度的极限。 而且，根据我们的理解，它不会。

在我们最后一次尝试通过静电力超越该极限的过程中，让我们看一下真空中的球形电容器：



取半径为r的光滑金属球。 将其冷却至（几乎）绝对零。 我们进入了无限深远的真空中。 并被很远的电子束发射。 当电子撞击球体时，它们会给它带一个电荷q，并且（可以计算）总能量W = q 2/2 r 。 它似乎与球体的质量无关。 是???

las，这样的电容器不能无限充电。 但是直到他在表面附近产生的电场的强度才可以与原子之间的电场相提并论。 如果您用负电荷接近该值，则将开始狂放的电子发射（[ 390 ，第13页]，[ 400 ]），并且电荷将在几分钟内飞到周围的真空中。 如果为正，则电容器的晶格将失去强度，该物质将“蒸发”或完全崩溃。 我很容易地花了一天的时间来计算 ，在第一种情况下，每公斤的能量密度仅为≈20 KJ / kg。 在第二个-10-30 MJ / kg已经为我们所熟悉。 最后，如果球体是空心的，则极限由其抗张强度确定。

如果磁场不是电而是磁场？ 好吧，他们从半径为R的超导体上取了一个环，导线的厚度为2r ，以I的力向其中发射了电流，然后对其进行了冷却-并请注意：电流永远绕一圈运行，磁场中的能量正在等待使用。 什么不是理想的电池？



但是请记住，方向相反的电流会互相排斥。 因此，拉力将作用在环上。 为了解决这个问题，您必须具有一定的质量和弹性。 让读者放心了计算的细节之后，我将通知您，这里存储在环中的能量大约等于相同的σ / ρ比。

在这里，有知识的人们可能会想到：“无能为力的配置！ 但是无能为力的配置呢？！” 有^{[ 380 ]}这样的事情。 只有在磁场作用下，才能形成一个狡猾的几何形状，其中磁场与系统中的电流平行 -因此不会对该电流施加任何力。 在此配置的最简单版本中，电流缠绕成螺旋形，磁场缠绕成相同方向，并且电线上的力（几乎）不起作用：



^{[图片来源：Szabolcs Rembeczki，力减小高磁场的设计和优化，[ 370 ]]}

乍一看，这样的设计最终将普通物质从弹簧的作用中去除，并越过了弹簧极限。 但是，确实如此。 全面而准确的分析^{[ 370 ]}表明，首先，只有在空间的各个点才可能实现无能为力的状态，而并非在所有空间中都是如此。 其次， 有限规模的无能系统仍然需要外部支持。 此外，Szabolcs Rembeczki给出了另一位作者（GE March）1996年的确切结果，该系统将这种系统中的总能量储备与这些支撑的弹性能进行了比较：


^{[图片来源：Szabolcs Rembeczki，力减小高磁场的设计和优化，[ 370 ]]}

稍微重写最后一个表达式，我们得到： E / M≤σ / ρ 。 也就是说，质量能仍未超过弹簧极限。

最后，简要介绍一下熔融盐，因为该主题很受欢迎。 一公斤熔体可以存储多少能量？ 显然，这是加热到熔化温度所需的能量，加上该熔化本身的比热。 两者中的第一个可以忽略不计：因为在此上的1 eV为11,600度，那么很显然，没有一个固体可以包含超过≈0.4 eV /个以上的热原子。 第二个是由固体晶格的结合能决定的，因此不超过每个原子eV的单位。 例如，在氯化钠NaCl （接近完全离子化且相对无害的物质）中，熔化热为^{[ 660 ]} 0.52 MJ / kg，或每个原子约0.3 eV。 关于什么可以关闭这个话题。

结果令人难过，有点滑稽。

尽管千禧工程取得了进展； 尽管存在巨大的看似各种各样的能量存储方式，但是这些方法大多数都基于相同的原理。 设备的基本原理，我们已经知道了数百年了。

该装置是弹簧：



我们是温泉的文明。

我们的火箭弹既昂贵又沉重，因为事实上，弹簧存储着能量，其密度不足以克服地球的重力。 弹簧极限确定了火箭的机械强度，与充注的化学燃料弹簧的质量相反。 弹簧极限决定了我们建筑物的最大高度，桥跨的长度，电池容量和卡车车体的厚度。

在外部电场，普通价电子的重新分布中存储能量的一切都取决于弹簧极限：每个原子3-4 eV，或20-30 MJ / kg。 我们每天使用的东西就像贪婪的经纪人。 所有交易都严格通过它：能量=>物质=>电场=>物质=>能量。 但是经纪人禁止在一个账户上每个原子存储超过3-4电子伏特，并且它与每个账户以重原子质量的形式对抗巨大的佣金。

尽管原子的内部电子具有成千上万个电子伏特的结合能，而原子核具有成千上万亿个原子，但是我们几乎还没有开始使用这些力。 到目前为止，我们已经学会了仅操纵原子的薄外壳。 它以电场强度的形式存储着我们文明几乎所有的能量储备。

您会发现，一些火星人意识到了这一点，便早就放弃了伪足病。 但是，我们将在下一节中看到自然界提供什么样的路径来绕过弹簧极限。 其实，让我们看看。

待续 。