Mojawapo ya matatizo ya dharura ni uchafuzi wa mazingira na rasilimali chache za nishati asilia ya kikaboni. Njia ya kuahidi ya kutatua shida hizi ni kutumia hidrojeni kama chanzo cha nishati. Katika makala tutazingatia suala la mwako wa hidrojeni, halijoto na kemia ya mchakato huu.
Hidrojeni ni nini?
Kabla ya kuzingatia swali la ni joto gani la mwako la hidrojeni, ni muhimu kukumbuka dutu hii ni nini.
Hidrojeni ndicho kipengele cha kemikali chepesi zaidi, kinachojumuisha protoni moja tu na elektroni moja. Katika hali ya kawaida (shinikizo 1 atm., halijoto 0 oC) iko katika hali ya gesi. Molekuli yake (H2) huundwa na atomi 2 za kipengele hiki cha kemikali. Hidrojeni ni kipengele cha 3 kwa wingi kwenye sayari yetu, na cha 1 katika Ulimwengu (takriban 90% ya maada yote).
Gesi ya hidrojeni (H2)isiyo na harufu, isiyo na ladha na isiyo na rangi. Hata hivyo, haina sumu wakati maudhui yake katika hewa ya angahewa ni asilimia chache, basi mtu anaweza kukosa hewa kwa sababu ya ukosefu wa oksijeni.
Inashangaza kutambua kwamba ingawa kwa mtazamo wa kemikali, molekuli zote za H2 zinafanana, sifa zake za kimaumbile ni tofauti kwa kiasi fulani. Yote ni juu ya mwelekeo wa spins za elektroni (zinawajibika kwa kuonekana kwa wakati wa sumaku), ambayo inaweza kuwa sambamba na antiparallel, molekuli kama hiyo inaitwa ortho- na parahydrogen, kwa mtiririko huo.
Mtikio wa kemikali ya mwako
Kwa kuzingatia swali la halijoto ya mwako wa hidrojeni na oksijeni, tunawasilisha mmenyuko wa kemikali unaoelezea mchakato huu: 2H2 + O2=> 2H2O. Hiyo ni, molekuli 3 hushiriki katika mmenyuko (hidrojeni mbili na oksijeni moja), na bidhaa ni molekuli mbili za maji. Mwitikio huu unaelezea mwako kutoka kwa mtazamo wa kemikali, na inaweza kuhukumiwa kwamba baada ya kupita kwake, maji safi pekee yanabaki, ambayo hayachafui mazingira, kama hutokea wakati wa mwako wa mafuta ya mafuta (petroli, pombe).
Kwa upande mwingine, mmenyuko huu ni wa joto, yaani, pamoja na maji, hutoa joto fulani ambalo linaweza kutumika kuendesha magari na roketi, na pia kuhamishia kwenye vyanzo vingine vya nishati, kama vile. kama umeme.
Mfumo wa mchakato wa mwako wa hidrojeni
Imefafanuliwa katika yaliyotanguliammenyuko wa kemikali wa aya unajulikana kwa mwanafunzi yeyote wa shule ya upili, lakini ni maelezo magumu sana ya mchakato unaotokea katika uhalisia. Kumbuka kwamba hadi katikati ya karne iliyopita, wanadamu hawakujua jinsi hidrojeni inavyowaka hewani, na mwaka wa 1956 Tuzo ya Nobel ya Kemia ilitolewa kwa utafiti wake.
Kwa hakika, ikiwa O2 na H2 molekuli zitagongana, hakuna athari itakayotokea. Molekuli zote mbili ni thabiti kabisa. Ili mwako kutokea na maji kuunda, radicals huru lazima ziwepo. Hasa, H, O atomi na OH vikundi. Ifuatayo ni mlolongo wa athari ambazo haswa hutokea wakati hidrojeni inapochomwa:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Unaona nini kutokana na maoni haya? Wakati hidrojeni inapoungua, maji huundwa, ndiyo, hiyo ni kweli, lakini hutokea tu wakati kundi la atomi mbili za OH linapokutana na molekuli H2. Kwa kuongeza, athari zote hutokea kwa kuundwa kwa radicals bure, ambayo ina maana kwamba mchakato wa mwako unaojitegemea huanza.
Kwa hivyo ufunguo wa kuanzisha majibu haya ni uundaji wa radicals. Yanaonekana ukileta kiberiti kinachowaka kwenye mchanganyiko wa oksijeni-hidrojeni, au ukipasha joto mchanganyiko huu zaidi ya joto fulani.
Kuanzisha majibu
Kama ilivyobainishwa, kuna njia mbili za kufanya hivi:
- Kwa msaada wa cheche ambayo inapaswa kutoa 0 pekee,02 mJ ya joto. Hii ni thamani ndogo sana ya nishati, kwa kulinganisha, hebu sema kwamba thamani sawa ya mchanganyiko wa petroli ni 0.24 mJ, na kwa methane - 0.29 mJ. Kadiri shinikizo inavyopungua, nishati ya uanzishaji wa mmenyuko huongezeka. Kwa hiyo, kwa 2 kPa, tayari ni 0.56 mJ. Kwa vyovyote vile, hizi ni thamani ndogo sana, kwa hivyo mchanganyiko wa hidrojeni-oksijeni huzingatiwa kuwaka sana.
- Kwa usaidizi wa halijoto. Hiyo ni, mchanganyiko wa oksijeni-hidrojeni unaweza kuwashwa tu, na juu ya joto fulani itawaka yenyewe. Wakati hii inatokea inategemea shinikizo na asilimia ya gesi. Katika aina mbalimbali za viwango vya shinikizo la angahewa, mmenyuko wa papo hapo wa mwako hutokea kwa halijoto inayozidi 773-850 K, yaani, zaidi ya 500-577 oC. Hizi ni thamani za juu kabisa ikilinganishwa na mchanganyiko wa petroli, ambayo huanza kuwaka moja kwa moja kwenye halijoto iliyo chini ya 300 oC.
Asilimia ya gesi katika mchanganyiko unaoweza kuwaka
Akizungumzia halijoto ya mwako wa hidrojeni hewani, ni lazima ieleweke kwamba si kila mchanganyiko wa gesi hizi utaingia katika mchakato unaozingatiwa. Imeanzishwa kwa majaribio kwamba ikiwa kiasi cha oksijeni ni chini ya 6% kwa kiasi, au ikiwa kiasi cha hidrojeni ni chini ya 4% kwa kiasi, basi hakuna majibu yatatokea. Hata hivyo, mipaka ya kuwepo kwa mchanganyiko unaowaka ni pana kabisa. Kwa hewa, asilimia ya hidrojeni inaweza kuanzia 4.1% hadi 74.8%. Kumbuka kwamba thamani ya juu inalingana tu na kiwango cha chini kinachohitajika cha oksijeni.
Kamazingatia mchanganyiko safi wa oksijeni-hidrojeni, kisha mipaka ni pana zaidi hapa: 4, 1-94%.
Kupunguza mgandamizo wa gesi husababisha kupunguzwa kwa vikomo vilivyobainishwa (kikomo cha chini hupanda, cha juu huanguka).
Ni muhimu pia kuelewa kwamba wakati wa mwako wa hidrojeni hewani (oksijeni), bidhaa za mmenyuko (maji) husababisha kupungua kwa mkusanyiko wa vitendanishi, ambayo inaweza kusababisha kusitishwa kwa mchakato wa kemikali..
Usalama wa mwako
Hii ni sifa muhimu ya mchanganyiko unaoweza kuwaka, kwa sababu hukuruhusu kutathmini ikiwa majibu ni tulivu na yanaweza kudhibitiwa, au mchakato huo ni wa kulipuka. Ni nini huamua kiwango cha kuchoma? Bila shaka, juu ya mkusanyiko wa vitendanishi, juu ya shinikizo, na pia juu ya kiasi cha nishati ya "mbegu".
Kwa bahati mbaya, hidrojeni katika viwango mbalimbali vya viwango inaweza kuwaka mwako unaolipuka. Takwimu zifuatazo zinatolewa katika maandiko: 18.5-59% hidrojeni katika mchanganyiko wa hewa. Zaidi ya hayo, kwenye kingo za kikomo hiki, kutokana na mlipuko, kiwango kikubwa zaidi cha nishati kwa kila kitengo hutolewa.
Hali iliyowekwa alama ya mwako inatoa tatizo kubwa kwa kutumia majibu haya kama chanzo kinachodhibitiwa cha nishati.
joto la athari ya mwako
Sasa tunakuja moja kwa moja kwa jibu la swali, ni joto gani la chini kabisa la mwako wa hidrojeni. Ni 2321 K au 2048 oC kwa mchanganyiko wenye 19.6% H2. Hiyo ni, joto la mwako wa hidrojeni katika hewa ni kubwa zaidi2000 oC (kwa viwango vingine inaweza kufikia 2500 oC), na ikilinganishwa na mchanganyiko wa petroli, hii ni takwimu kubwa (kwa petroli takriban 800 oC). Ukichoma hidrojeni katika oksijeni safi, halijoto ya mwali itakuwa kubwa zaidi (hadi 2800 oC).
Joto la juu kama hilo la mwali huleta tatizo lingine katika kutumia majibu haya kama chanzo cha nishati, kwa kuwa kwa sasa hakuna aloi zinazoweza kufanya kazi kwa muda mrefu katika hali mbaya kama hii.
Bila shaka, tatizo hili hutatuliwa kwa kutumia mfumo wa kupozea ulioundwa vizuri kwa chemba ambamo mwako wa hidrojeni hutokea.
Kiasi cha joto kilichotolewa
Kama sehemu ya swali la halijoto ya mwako wa hidrojeni, inavutia pia kutoa data kuhusu kiasi cha nishati ambayo hutolewa wakati wa majibu haya. Kwa hali tofauti na utunzi wa mchanganyiko unaoweza kuwaka, maadili kutoka 119 MJ/kg hadi 141 MJ/kg yalipatikana. Ili kuelewa ni kiasi gani hiki, tunaona kuwa thamani sawa ya mchanganyiko wa petroli ni takriban 40 MJ / kg.
Mavuno ya nishati ya mchanganyiko wa hidrojeni ni ya juu zaidi kuliko kwa petroli, ambayo ni faida kubwa kwa matumizi yake kama mafuta ya injini za mwako ndani. Walakini, sio kila kitu ni rahisi sana hapa pia. Yote ni kuhusu wiani wa hidrojeni, ni chini sana kwa shinikizo la anga. Kwa hivyo, m3 ya gesi hii ina uzito wa gramu 90 pekee. Ukichoma 1 m3 H2, basi takriban 10-11 MJ ya joto itatolewa, ambayo tayari ni chini ya mara 4 kuliko wakati ule. kuchoma petroli ya kilo 1 (zaidi ya lita 1 tu).
Takwimu zilizotolewa zinaonyesha kuwa ili kutumia mmenyuko wa mwako wa hidrojeni, ni muhimu kujifunza jinsi ya kuhifadhi gesi hii kwenye mitungi ya shinikizo la juu, ambayo tayari husababisha matatizo ya ziada, katika masuala ya teknolojia na usalama.
Matumizi ya mchanganyiko wa hidrojeni inayoweza kuwaka katika teknolojia: matatizo
Lazima isemwe mara moja kwamba kwa sasa mchanganyiko unaoweza kuwaka wa hidrojeni tayari unatumika katika baadhi ya maeneo ya shughuli za binadamu. Kwa mfano, kama mafuta ya ziada ya roketi za nafasi, kama vyanzo vya kuzalisha nishati ya umeme, na pia katika mifano ya majaribio ya magari ya kisasa. Hata hivyo, ukubwa wa programu hii ni ndogo ikilinganishwa na ile ya nishati ya kisukuku na kwa ujumla ni ya majaribio katika asili. Sababu ya hii sio tu ugumu wa kudhibiti majibu ya mwako yenyewe, lakini pia katika uhifadhi, usafirishaji na uchimbaji wa H2.
Hidrojeni Duniani kiuhalisia haipo katika umbo lake safi, kwa hivyo lazima ipatikane kutoka kwa misombo mbalimbali. Kwa mfano, kutoka kwa maji. Hii ni njia maarufu kwa sasa, ambayo hufanywa kwa kupitisha mkondo wa umeme kupitia H2O. Shida nzima ni kwamba hii hutumia nishati zaidi kuliko inaweza kupatikana kwa kuchoma H2.
Tatizo lingine muhimu ni usafirishaji na uhifadhi wa hidrojeni. Ukweli ni kwamba gesi hii, kwa sababu ya saizi ndogo ya molekuli zake, ina uwezo wa "kuruka" kutoka kwa kitu chochote.vyombo. Kwa kuongeza, kuingia kwenye kimiani ya chuma ya aloi, husababisha ebrittlement yao. Kwa hivyo, njia bora zaidi ya kuhifadhi H2 ni kutumia atomi za kaboni ambazo zinaweza kufunga gesi "isiyoweza kuepukika".
Kwa hivyo, matumizi ya hidrojeni kama mafuta kwa kiwango kikubwa zaidi au kidogo inawezekana tu ikiwa inatumiwa kama "hifadhi" ya umeme (kwa mfano, kubadilisha nishati ya upepo na jua kuwa hidrojeni kwa kutumia electrolysis ya maji), au ukijifunza wasilisha H2 kutoka angani (ambapo kuna nyingi) hadi Duniani.
