Батерии и редокс - Site de science physique de M

I- Преобразуване на енергия и транспорт

1) Преобразуване на енергия

Какво е общото между електрическия мотор, кана, лампа или мобилен телефон? ?
Тези, които са преобразуватели електрическа енергия:
- двигателят преобразува електрическото в механично,
- чайникът преобразува електричеството в етермално,
- лампата преобразува електричеството в осветително,
- телефонът преобразува електричеството в електромагнитно (комуникация), осветяващо (екран) и емеханика (звук, вибратор).

Ето как представяме преобразувателя.

2) Конверсионни загуби

Когато използвате телефона си твърде дълго или го заредите, може да откриете, че е загрял. И все пак в момента не искаме да произвеждаме топлина.
Това се обяснява с факта, че е почти невъзможно да се извърши преобразуване на енергия, без да се загуби част от нея под формата на топлина: двигателят винаги ще се загрява, тъй като механичното триене е неизбежно и електрическата верига ще направи същото от Ефект на Джоул, защото само свръхпроводниците са способни да провеждат електричество без никакво съпротивление и следователно без ефект на Джоул.
Освен това устройствата не винаги са перфектни и може да присъстват други видове загуби.

Ефективността на преобразуването се определя като съотношение между полезната енергия и доставената енергия.

ρ = Δ E u t i l e Δ E f o u r n i e

ρ е без единица.

Приложение:
Електричеството се транспортира на големи разстояния по линии 400kV. Съпротивлението на кабел на една от тези линии е 0,5Ω.km -1. Интензитетът на протичащия през него електрически ток е 50А.
1- Изчислете полезната енергия, доставяна от линията за високо напрежение.
2- Изчислете електрическото съпротивление на линията, свързваща атомната електроцентрала Фламанвил (Манш) с Лавал (Майен) (270 км).
3- Изчислете загубите на тази линия чрез ефекта на Джоул.
4- Изчислете ефективността на тази линия.
5- Има и 60kV линии. Като повтаряте въпроси 1 → 4, оправдайте използването на линия 400kV за дълги разстояния.

1- P = U × I = 4 × 10 5 × 50 = 2 × 10 7 W .
2- Съпротивлението е 0,5Ω.km -1, така че за разстояние от 270km, това представлява съпротивление от 135Ω.
3- Използваме връзката, видяна в предишната глава:
P = R × I2 = 135 × 50 2 = 337 500 W .
Забележка: не можем да използваме отношението P = U 2 R, тъй като за това би било необходимо напрежението на клемите на линията да бъде 400kV, но това не е така, тази стойност, представляваща напрежението на клемите на трансформатора към която линията е свързана. От друга страна, интензивността, преминаваща по линията, е непременно същата като тази, която влиза в трансформатора.
4- ρ = P u t i l e P f o u r n i e = P u t i l e P f o u r n i e + P d i s s i p é e = 2 × 10 7 2 × 10 7 + 337500 = 98. 3%
5- а. Изчисляваме интензивността, която трябва да пресече линията, така че мощността да е еднаква: U1 × I1 = U2 × I2
I 2 = U 1 × I 1 U 2 = 400 × 50 60 = 333 A
б. Следователно линейните загуби от ефекта на Джоул сега са P = R × I 2 = 135 × 333 2 = 1.50.10 7 .
срещу. Доходността е сега:
ρ = P u t i l e P f o u r n i e = P u t i l e P f o u r n i e + P d i s s i p é e = 2 × 10 7 2 × 10 7 + 1. 50 × 10 7 = 57. 1%
д. Следователно можем да видим ползата от използването на 400kV линии за дълги разстояния: загубената енергия е много по-малка.

3) Единици

Ето сметката за електроенергия, можем да видим, че количеството консумирана електрическа енергия не се изразява в джаули, а в киловатчаса (kW.h) .
По дефиниция 1J = 1W.s следователно 1W.h = 3600J и 1kW.h = 3.6 × 10 6 J .
Консумация от 1095kW.h = 3,94 × 10 9 J.

II- Батерии и редокс

1) Опит

Ако вземем разтвор на меден сулфат (Cu 2+, SO4 2-) и потопим железен пирон в него, много бързо ще наблюдаваме оранжево отлагане на мед около нокътя.
Ако заменим нокътя с железен прах, той ще придобие червеникав оттенък, но преди всичко синият цвят на разтвора ще изчезне.
И накрая, добавянето на няколко капки сода към филтрата на предишния разтвор ще доведе до появата на тъмнозелена утайка от железен (II) хидроксид.
(ако е необходимо, вижте видеото за характеристичните тестове на йони във 2-ро).
Металното желязо Fe се трансформира в железен (II) Fe 2+ йон, докато обратното се получава при медни (II) Cu 2+ йони, които се трансформират в метална медна Cu.
Следователно е възможно да се напише уравнението на реакцията:

C u 2 + + F e → C u + F e 2 +

2) Полууравнения и редокс двойки

Предишният опит показва, че Cu 2+ йоните са в състояние да „откраднат“ 2 електрона от атомите на желязото, за да се превърнат в медни атоми.

---