khimie.ru

Нернст (1864—1941), немецкий физик и физико-химик (почетный член Академии наук СССР, 1927). Сын судьи, родился в Восточной Пруссии (примерно там же, где и Коперник). Учился в университетах Цюриха, Берлина, Граца и Вюрцбурга, в последнем в 1887 году получил свою summa сum 1аudе — докторскую степень. В 1896 году основал при Геттингенском университете физико-химический институт, после переезда в Берлин — директор Института химии (1905—1922), затем — Института физики (1924—1933). Наиболее важное открытие Нернста — формулировка третьего закона термодинамики (1906), или принципа, который был затем назван именем Нернста. Суть принципа: достичь абсолютного нуля температур невозможно. Набравшись бесконечного терпения, вооружившись самым совершенным оборудованием, проявив сверхизобретательность, потратив массу средств, можно добраться до температур, отличающихся от абсолютного нуля лишь на миллионные доли градуса, однако дотронуться до истинного температурного дна невозможно! Эти работы были в 1920 году увенчаны Нобелевской премией по химии. Нернст известен также как изобретатель, например, он сконструировал электрическое фортепьяно. Однако главное достижение Нернста-изобретателя — его лампа накаливания (1900). В ней нить была из тугоплавкой магнезии: она начинала действовать только после предварительного разогрева (стоило лишь подержать около нити зажженную спичку, и она начинала ярко светиться). Лампа Нернста (ее зажигание длилось 30-45 секунд), как и свеча Яблочкова, была вытеснена лампой Эдисона: однако в той борьбе «моральная» победа осталась за Нернстом. Эдисон твердо верил, что все профессора — непрактичные мечтатели; и вот, к его великому изумлению, профессор Нернст, продав патент своей лампы, получил за него миллион марок! (Нернст вообще проповедовал изобретательское отношение к научным занятиям, по его мнению, Рентгену следовало бы запатентовать свои знаненитые Х-лучи, с тем чтобы позднее превратить открытие в деньги, чего Рентген, конечно же, не сделал.)

Вот и приспело нам время вернуться к судьбе топливных элементов. Теперь мы уже в состоянии оценить это новшество. А поможет нам в этом Вальтер Фридрих Герман Нернст. Поможет своими научными трудами.

Вскоре после окончания университетского образования физик Нернст знакомится с физико-химиком Сванте Арреннусом, тогда уже (хоть был всего лишь на пять лет старше Нернста) доктором наук и автором нашумевшей теории электролитической диссоциации.

Смелые идеи шведа увлекли Нернста, и он решил оставить «чистую» физику ради пышно расцветавшей тогда новой науки — физической химии. «Счастливые новые мысли,— писал позднее Нернст,— всегда действуют плодотворно: ведь следствием их является стремление к творчеству».

В 1887 году в Лейпциге по рекомендации Аррениуса Нернст становится ассистентом Оствальда — идейного вождя физикохимиков тех времен. И все же Нернст остался физиком. Первое, что он сделал,— приложил принципы термодинамики (науки физической) к гальваническим элементам — тем самым электрохимическим источникам тока, в семью которых входит и топливный элемент. И добился здесь большого успеха.

Впервые со времен Вольты, который изобрел гальванический элемент примерно столетие назад, нашелся человек, способный дать разумное истолкование возникавшей в этом источнике тока разности потенциалов. В 1893 году Нернст вывел теоретически уравнение (оно носит его имя), определяющее величину электродвижущей силы (Е) электрохимического элемента. Вот эта формула:

E = (RT/nF)ln(C₁/C₂)

Внешне она кажется простой, так же как и формула Карно. Однако простота эта обманчива.

Та пора науки, когда еще можно было открывать в природе самые простые связи-закономерности, заканчивалась. Ом, вольт, ампер — все это отголоски тех более ранних времен.

Прежде отделенные одна от другой науки начали взаимно переплетаться (физическая химия), диффундировать, проникать друг в друга. И может быть, как раз этой тоской по утраченной чистоте научных взглядов и понятий, их целостности, ясным пониманием грядущей сложности — всем этим и обусловлена большая язвительность Нернста, проявлявшаяся, например, в его неодобрительном отношении к новым терминам.

Рассказывают, что, когда в науке была введена новая единица частоты — герц, Нернст иронически заметил:

— Я тоже предлагаю новую единицу. Она будет означать скорость перехода жидкости из сосуда в сосуд — один литр за одну секунду. Я назвал бы эту единицу сфальстаф»: если верить Шекспиру, этот персонаж был великий мастер по части вливания в себя доброго английского эля…

Мы не будем обсуждать формулу Нернста. Нам важно другое: те выводы, которые ученый из нее сделал. Он численно рассчитал количество электрической энергии, которое получается при электрохимическом соединении угля с кислородом.

Результат был ошеломляющим. Нернст показал, что если бы удалось превратить химическую энергию угля в электричество электрохимическим путем, то максимальный теоретический кпд такого процесса составил бы 99,75 процента.

Почти сто процентов. Вот оно — первое из многих достоинств топливных элементов! Они, оказывается, не подчиняются ограничению Карно. В них в отличие от паровой и прочих тепловых машин энергия вроде бы практически не теряется.

К разговору о кпд топливных элементов стоит прибавить еще несколько подробностей. Как следует из термодинамики, для топливных элементов:

кпд = 1−Т(∆S/∆H)

здесь T — температура окружающей среды, а ∆S и ∆H — приращения соответственно энтропии и энтальпии, термодинамических характеристик системы. Для реакций с выделением энергии ∆Н отрицательно, а ∆S (мера неупорядоченности состояния молекул вещества) бывает и больше и меньше нуля. Поэтому у топливных элементов кпд может даже в некоторых случаях превышать (?!) единицу.

Приведем примеры. Кпд процесса сгорания угля (С + O₂ = СО₂) близок к единице: количество молекул газа (эта фаза отвечает максимально неупорядоченному состоянию материи) в ходе реакции не изменилось, поэтому можно считать, что практически ∆S = 0, и тогда кпд = 1 (это и показал в свое время Нернст).

Напротив, при неполном сгорании угля (2С + O₂ = 2СO) число молей газа в результате реакции возрастает (∆S больше нуля), и поэтому кпд будет больше 1; так, при Т = 1200 К кпд равен 200 процентам.

Никаких чудес в этом нет: тут топливный элемент работал бы по принципу теплового насоса, преобразуя в электроэнергию тепло, поступающее из окружающей среды.

Таким образом, в топливных элементах заложены не только возможности высокоэффективного метода преобразования энергии, но и пути поглощения избыточного тепла из окружающей среды. А это очень важно в экологическом плане, поскольку позволяет бороться с тепловыми загрязнениями биосферы.