Tyrėjai sukūrė naują medžiagą, galinčią automobilių variklių skleidžiamą šilumą paversti elektros energija. Savo atradimą mokslininkai aprašo žurnale „Science“. Šios medžiagos efektyvumas dvigubai didesnis už bet kurios panašios šiuo metu siūlomos rinkoje.
Kai kurie ekspertai teigia, kad tik apie 25 proc. įprastinio benzininio variklio pagaminamos energijos yra panaudojama automobiliui varyti, beveik 60 proc. energijos išsklaidoma kaip šiluma. Termoelektrinis įrenginys dalį šilumos galėtų surinkti.
Tokios medžiagos yra vadinamos termoelektrinėmis, o jų efektyvumas yra įvertinamas nustačius, kiek esant tam tikrai temperatūrai šilumos galima paversti elektros energija. Iki tol prekyboje pasirodžiusi didžiausio efektyvumo koeficiento medžiaga - švino telūrido lydinys, legiruotas natriu. Jo efektyvumas įvertintas 0,71.
Pasak projekto vadovo Josepho Heremanso iš Ohajo universiteto (JAV), tą pačią technologiją galima pritaikyti elektros energijos generatoriams bei šilumos siurbliams gaminti. Pasak J. Heremanso, labai svarbu ir tai, kad ši medžiaga efektyviausiai veikia esant 230-510 laipsnių Celcijaus temperatūrai.
Termoelektrinis įrenginys yra ganėtinai paprastos konstrukcijos: neturi judančių dalių, kurios galėtų susidėvėti ar sulūžti. „Visą darbą padaro medžiaga. Ji gamina elektros energiją kaip įprastiniai šiluminiai varikliai (garo, benzininiai ar dyzeliniai), sujungti su elektros generatoriais, tačiau darbinių skysčių ar dujų vietą užima elektronai, tiesiogiai sukuriantys elektros srovę“, - teigia J. Heremansas.
„Termoelektrikai yra labai maži. Tam, kad termoelektrinės medžiagos sukuriama elektros srovė būtų maksimali, reikėtų pabandyti apriboti nesurenkamą šilumos kiekį. Taigi įprastinė strategija - sumažinti medžiagos šiluminį laidumą. Laboratorijoje J. Heremansas medžiagos šiluminį laidumą pabandė sumažinti mažytėmis nanovielomis. Tačiau tokios nanosandaros medžiagos nėra labai stabilios, be to, jas sunku gaminti dideliais kiekiais ir kebloka sujungti su įprastinėmis elektrinėmis grandinėmis bei išoriniais šilumos šaltiniais.
Mokslininkas su kolegomis nusprendė imtis kitokios strategijos: nanostruktūras paliko ramybėje ir didžiausią dėmesį skyrė klausimui, kaip elektros energija paversti maksimalų savaime į medžiagos vidų patekusios šilumos kiekį. Tam prireikė prisiminti šiek tiek kvantinės mechanikos. J. Heremansas pervertė 2006 m. „Physics Review Letters“ žurnale išspausdintą straipsnį, kuriame buvo pasiūlyta idėja, jog tokių elementų kaip talis ar telūras sąveiką galima aprašyti kvantine mechanika, pagal kurią, priklausomai nuo atomų tarpusavio ryšių, susidarytų rezonansas tarp talio ir švino telūrido termoelektrinės medžiagos elektronų. „Talio atomo elektronai ima keistokai elgtis, kai jų kaimynais tampa telūro atomai. Mes dešimt metų ne itin sėkmingai tokį elgesį bandėme išgauti naudodami įvairias nanostruktūras. Kai pamačiau šį straipsnį, supratau, kad mes tą patį galime padaryti su normalaus dydžio puslaidininkiu“, - sako J. Heremansas.
Mokslininkas naująją medžiagą sukūrė kartu su doktorantu Vladimiru Jovovicu. Jie įrodė, kad jų pasiūlytas fizikinis mechanizmas iš tikrųjų veikia. J. Heremanso komanda toliau tęsia pradėtus tyrimus. „Tikimės pasiekti dar daugiau. Manau, pritaikius kitas nanotechnologijų idėjas visai įmanoma efektyvumo koeficientą dar kartą padvigubinti. To dabar ir siekiame“, - optimistiškai į ateitį žvelgia mokslininkas.
Šiluminė energija ir jos transformacija
Virimas yra fizikinis reiškinys, kurio metu skystis virsta dujomis (garais) visu tūriu. Tai intensyvus procesas, kurio metu susidaro burbuliukai skysčio viduje. Virimo temperatūra - tai temperatūra, kurioje skystis pradeda virti. Ji priklauso nuo skysčio prigimties ir slėgio. Normaliomis sąlygomis (1 atmosfera) vanduo užverda 100 °C temperatūroje.
Šilumos kiekiu vadinamas vidinės energijos kiekis, kurį kūnas gauna ar kurio netenka šilumos perdavimo būdu. Savitoji šiluma rodo, kiek šilumos reikia 1kg. Medžiagos temperatūrai pakelti 1°C. Apskaičiuojama pagal formulę:
Q = mcΔT
kur:
- $m$ - kūno masė,
- $c$ - savitoji šiluminė talpa (medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia suteikti 1 kg medžiagos, kad jos temperatūra pakiltų 1 K (arba 1 °C)), SI vienetas: J/(kg·K),
- $\Delta T$ - temperatūros pokytis.
Medžiaga gali būti vienoje iš trijų pagrindinių agregatinių būsenų: kietoje, skystoje arba dujinėje. Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vadinamas fazės virsmu. Fazės virsmų metu temperatūra nekinta, nors šiluma ir toliau tiekiama arba atimama. Šiluma, reikalinga fazės virsmui, vadinama latentine šiluma.
Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio visiškai išgarinti virimo temperatūroje, vadinamas savitąja garavimo (virimo) šiluma ($L$). Ji apskaičiuojama pagal formulę:
Q = mL
Savitoji garavimo šiluma priklauso nuo medžiagos prigimties ir temperatūros.
Savitoji kuro degimo šiluma ($q$) rodo, kiek šilumos išsiskiria visiškai sudegus 1 kg kuro. Kai kurių degalų ir kuro šilumingumas (MJ/kg): benzinas - 47,3.
Benzino virimo temperatūra normaliomis sąlygomis yra žemesnė nei vandens. Pagal virimo temperatūrą iš naftos galima išskirti dujas, benziną, žibalą, dyzelinį kurą, tepalus, gudroną, bitumą ir mazutą. Tačiau visų produktų virimo temperatūros persidengia.
95-benzinas - tai angliavandenilių mišinys, kurio atsparumas detonacijai (oktaninis skaičius) yra toks pats, kaip ir mišinio iš 95% izooktano ir 5% T-heptano. Tačiau yra angliavandenilių, kurių atsparumas detonacijai yra gerokai didesnis už izooktano, kaip kad yra angliavandenilių kurių atsparumas detonacijai yra mažesnis už T-heptano. Taigi 0 ir 100 oktanų nėra kažkokios ribos, už kurių neįmanoma išeiti.
62-benzinas natūraliai išdistiliuojamas iš naftos, nenaudojant jokių priedų ir sudėtingų cheminių technologijų. Bet tokiu būdu jo gaunama tik apie 10% nuo naftos kiekio. Katalizatorių pagalba skaidant gudrono-bitumo frakcijas (labai sudėtinga technologija) gaunamas natūralus aukšto oktaninio skaičiaus benzinas (92…98).
Apie detonacija. Oro-kuro mišinį spaudžiant, jis įkaista. Jeigu slėgis viršija kuro atsparumo detonacijai ribą, benzine vyksta cheminiai virsmai, susidaro vandenilio peroksidai, kuras savaime užsidega. Natūraliomis sąlygomis oro-benzino mišinys cilindre dega 20…40 m/s greičiu, švelniai perduodamas slėgimo jėgą į stūmoklį. Detonacijos metu jis dega 800…1200 m/s greičiu, t.y. sprogsta, gaunami stiprūs smūgiai į stūmoklį, ko rezultate variklis greitai sugenda.
Šilumos perdavimas ir jos kaupimas
Šilumos perdavimas skysčių ar dujų srautais vadinama konvekcija. Konvekcija gali būti: laisvoji, priverstinė.
Kai šilumos mainuose dalyvauja keli kūnai izoliuotoje sistemoje (nevyksta šilumos mainai su aplinka), bendras energijos kiekis išlieka pastovus. Šiltesni kūnai atiduoda šilumą ($Q_{atid} < 0$), šaltesni - gauna ($Q_{gav} > 0$). Šilumos balanso lygtis:
$\sum Q_i = 0$
Šilumnešis - tai darbinė medžiaga, naudojama šilumokaičiuose šilumai perduoti iš karštesnės aplinkos šaltesnei. Šilumnešiai gali būti skysti (vanduo, alyva, organiniai junginiai, skystieji metalai, skystosios druskos) arba dujiniai (oras, vandens garai, dujos, degimo produktai). Vanduo: Dažniausiai naudojamas dėl didelio tankio, savitosios šilumos ir šilumos laidumo koeficiento. Tačiau sukelia koroziją ir nusėdusios druskos blogina šilumos perdavimą.
Svarbiausios šilumnešio savybės yra tankis, klampa, savitoji šiluma ir šilumos laidumas.
Šilumingùmas, kaloringùmas, šilumos kiekis, išsiskiriantis visiškai sudegus 1 kg kietojo arba skystojo kuro, arba normaliomis sąlygomis 1 m3 dujinio kuro. Skiriamas naudojamosios masės aukštutinis ir žemutinis šilumingumas. Jie skiriasi tuo, kad į aukštutinį šilumingumą įskaičiuojama šiluma, išsiskirianti kondensuojantis degimo produktuose esantiems vandens garams, o į žemutinį - ne. Įprasta skaičiuoti žemutinį šilumingumą. Tokiu atveju jei šiluminiame agregate susigrąžinama degimo produktuose esančių vandens garų šiluma, agregato šiluminio naudingumo koeficientas gali būti didesnis už vienetą. Šilumingumas matuojamas J/kg arba kWh/kg.
