ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ.
Расчет энергозатрат на электролиз воды различным способами:
1. По теплотворной способности водорода. 2. По энергиям связей в молекулах. 3. Из законов электролиза. Выход рекации по току. Миф I. Одноатомный водород. Миф II. Сверхэффективный электролиз. Производительность системы по гидроксигазу. Энергетическая эффективность процесса электролиза (КПД электролизера).
Расчет необходимых энергозатрат на электролиз воды можно вести многими способами. Ограничимся тремя принципиально различными. Во-первых, памятуя о существовании закона сохранения энергии, можно рассчитать энергозатраты на электролиз через данные о теплотворной способности водорода как топлива. Используются результаты, полученные методом калориметрии - сколько энергии выделяется при горении водорода, столько же ее должно быть поглощено при его получении путем электролиза. Во-вторых, расчет энергозатрат можно вести по данным резонансной спектроскопии, поскольку при электролизе разрываются одни связи (с разрушением молекул воды) и замыкаются другие (с образованием молекул газов), а в настоящее время энергии каждого вида связи известны. В-третьих, можно произвести расчет, используя законы электролиза Фарадея и некоторые физические константы. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, а также погрешности.
Первый способ (по теплотворной способности водорода)
Продуктами сгорания любого углеводородного топлива являются углекислый газ и вода. В термодинамике и теплотехнике различают низшую и высшую удельную (т.е. отнесенную к единице количества) теплотворную способность топлив. Низшая теплотворная способность включает в себя тепло, полученное при горения топлива и охлаждения продуктов реакции до температуры топлива без учета теплоты конденсации паров воды. Высшая теплотворная способность включает в себя помимо низшей еще и теплоту конденсации паров воды в жидкую фазу и охлаждения ее до температуры топлива. Температура топлива принимается равной 15°C. Критерий низшей теплотворной способности используется в теплотехнике, поскольку продукты горения топлив как правило удаляются из теплообменников с заведомо высокой температурой и теплота конденсации паров воды для потребителей недоступна. В нашем же случае необходимо воспользоваться критерием высшей теплотворной способности водорода. Логика очевидна – для электролиза мы берем в составе электролита жидкую воду, следовательно после всего круговорота поглощения и выделения энергии мы к ней же должны и вернуться.
Высшая теплотворная способность водорода составляет 33850 ккал/кг = 33850 ккал/кг * 4,2 Дж/кал = 142,2 Мдж/кг (источник). Один килограмм водорода при н.у. (нормальные условия - давление 101325 Па, температура 273,15К) при плотности 0,0899 г/л (источник) имеет объем 11124 литра. Гремучий газ по объему на 2/3 состоит из водорода и на 1/3 из кислорода. Поскольку горючим компонентом является только водород, то при сгорании гремучего газа выделяется энергия = 2/3 * 142,2 Мдж/кг : 11124 л/кг = 8522 Дж / л = 8522 Вт*сек / л = 8522 Вт * (час / 3600) / л = 2,37 Вт*час / л.
Второй способ (по энергиям связей в молекулах).
Энергия связи в молекуле водорода составляет 432 кДж/моль (источник), в молекуле кислорода - 493 кДж/моль (источник). В молекуле воды есть две равноценных связи O-H. При последовательном их разрыве энергия первой разрываемой из них составит 495 кДж/моль, второй – 435 кДж/моль. В расчетах берут среднее значение 465 кДж/моль (источник).
При электролизе 2 моль воды превращаются в 2 моль водорода и 1 моль кислорода - суммарное уравнение реакции:
В двух молекулах воды разрываются 4 связи О-Н, в образовавшихся продуктах замыкаются две связи Н-Н и одна О-О. Уравнение энергобаланса должно выглядеть следующим образом:
Энергия электролиза – Энергия разрыва связей + Энергия образования связей = 0
Энергия электролиза - 2*465 кДж/моль * 2 моль + (432 кДж/моль * 2 моль + 493 кДж/моль * 1 моль) = 0
Энергия электролиза = 503 кДж.
Эта энергия идет на образование гремучего газа (2 моль водорода и 1 моль кислорода). Один моль любого газа при нормальных условиях занимает обьем 22,4 л (источник). Таким образом, суммарный объем гремучего газа, полученного из двух молей воды, составит 2 моль * 22,4 л/моль + 1 моль * 22,4 л/моль = 67,2 л.
Энергия получения гремучего газа = 503 кДж/67,2 л = 7,485 кДж/л = 7,485 * 1000 * Вт * сек / л = 7485 * Вт * (час/3600) / л = 2,08 Вт*час/л.