Kerja berguna oleh panas dari Lingkungan

Bagian 1. Beberapa istilah dan definisi.

Gaya gerak listrik (ggl) adalah bagian bidang kekuatan eksternal yang tidak terpisahkan yang terdiri dari sumber arus ... kekuatan eksternal bertindak dalam elektroplating sel pada batas antara elektrolit dan elektroda. Mereka juga beroperasi di perbatasan antara dua logam berbeda dan menentukan kontak beda potensial diantaranya [5, p. 193, 191]. Jumlah melompat potensi pada semua permukaan bagian sirkuit adalah sama dengan perbedaan potensial antara konduktor, yang terletak di ujung rantai, dan disebut elektro angkatan emf konduktor sirkuit ... rantai hanya terdiri dari konduktor jenis pertama adalah sama dengan melompat potensial antara pertama dan konduktor terakhir di langsung menghubungi mereka (hukum Volta) ... Jika rangkaian adalah benar terbuka, emf yang sirkuit ini adalah nol. Untuk memperbaiki konduktor sirkuit terbuka, yang mencakup setidaknya satu elektrolit, volt hukum yang berlaku ... Jelas, hanya konduktor rangkaian yang terdiri dari setidaknya satu konduktor dari jenis kedua adalah sel elektrokimia (atau rantai elemen elektrokimia) [1, p. 490-491].

Polielektrolit adalah polimer mampu memisahkan menjadi ion dalam larutan, sehingga dalam makromolekul yang sama, sejumlah besar biaya ... polielektrolit silang (penukar ion, berulang resin pertukaran ion) tidak larut, hanya membengkak, sementara tetap mempertahankan kemampuan untuk memisahkan [6, p. 320-321]. Polielektrolit terdisosiasi menjadi macroion bermuatan negatif dan ion H + disebut polyacids dan terdisosiasi menjadi ion bermuatan positif dan OH- macroion disebut poliosnovaniyami.

Donnan potensial kesetimbangan adalah perbedaan potensial yang terjadi pada batas fase antara dua elektrolit jika batas ini tidak permeabel untuk semua ion. batas impermeabilitas untuk beberapa ion dapat disebabkan, misalnya, kehadiran membran dengan pori-pori yang sangat sempit yang dilalui untuk partikel di atas ukuran tertentu. permeabilitas selektif dari antarmuka terjadi dan jika ion apapun sehingga sangat terkait dengan salah satu tahapan yang meninggalkan umumnya tidak bisa. Tepat berperilaku resin pertukaran ion ion, atau kelompok pertukaran ion tetap obligasi homopolar dalam kisi molekul atau matriks. Solusinya, berada di dalam bentuk matriks seperti bersama-sama dengan itu satu fase; solusi, terletak di luar, - yang kedua [7. 77].

Lapisan ganda listrik (EDL) terjadi pada antarmuka dari dua fase mengatur lapisan malah dibebankan dibuang pada jarak tertentu dari satu sama lain [7. 96].

Peltier efek isolasi ini atau penyerapan panas pada kontak dari dua konduktor yang berbeda tergantung pada arah arus listrik yang mengalir melalui kontak [2, p. 552].

Bagian 2: Menggunakan media panas dalam elektrolisis air.

Pertimbangkan mekanisme terjadinya rangkaian sel elektrokimia (selanjutnya elemen), ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1, lebih emf karena perbedaan potensial kontak internal yang (PKK) dan efek Donnan (deskripsi singkat tentang esensi dari efek Donnan, PKK internal dan terkait panas Peltier disediakan dalam bagian ketiga dari artikel).

Gambar. 1. Skema representasi dari sel elektrokimia: 1 - katoda dikontakkan dengan larutan 3, reaksi reduksi elektrokimia dari kation elektrolit terjadi pada permukaannya, terbuat dari kimia inert doping berat n-semikonduktor. Bagian dari katoda menghubungkannya ke sumber tegangan eksternal, metalisasi; 2 - anoda dikontakkan dengan larutan 4, di permukaan daripadanya terjadi reaksi oksidasi elektrokimia dari anion elektrolit, terbuat dari kimia inert doping berat p-semikonduktor. Bagian dari anoda menghubungkannya ke sumber tegangan eksternal, metalisasi; 3 - ruang katoda, solusi polielektrolit, memisahkan dalam air pada macroion R- bermuatan negatif dan ion lawan bermuatan positif K kecil + (dalam contoh ini adalah ion hidrogen H +); 4 - anoda solusi kompartemen polielektrolit dalam air disosiasi menjadi bermuatan positif macroion R + dan counterions bermuatan negatif A- kecil (dalam contoh ini hidroksida ion OH-); 5 - membran (diafragma), kedap makromolekul (macroion) polielektrolit, tapi benar-benar permeabel untuk ion lawan kecil K +, A-, dan molekul air bersama ruang 3 dan 4; Evnesh - sumber tegangan eksternal.

emf oleh efek Donnan

Untuk kejelasan, elektrolit dari ruang katoda (. 3, Gambar 1) dipilih larutan poli (R-H +), elektrolit dan anoda (4, ara 1.) - poliosnovaniya air (R + OH-). Sebagai hasil dari polyacids disosiasi di kompartemen katoda, dekat permukaan katoda (1, Gambar. 1), ada peningkatan konsentrasi H + ion. muatan positif muncul di sekitar permukaan katoda tidak dikompensasi bermuatan negatif macroions R-, karena mereka tidak dapat datang dekat dengan permukaan katoda karena ukuran dan adanya suasana ion bermuatan positif (untuk rinciannya lihat. Keterangan efek Donnan dalam Lampiran №1 dari bagian ketiga dari artikel). Dengan demikian, lapisan batas dari solusi langsung bersentuhan dengan permukaan katoda memiliki muatan positif. Akibatnya, induksi elektrostatik pada permukaan katoda, berdekatan dengan solusi, ada muatan negatif dari elektron konduksi. yaitu pada antarmuka antara permukaan katoda dan solusi DES terjadi. Bidang DES mendorong elektron dari katoda - untuk solusi.

Demikian pula, pada anoda (2, Gambar. 1), lapisan batas dari solusi dalam kompartemen anoda (4, Gambar. 1) langsung bersentuhan dengan permukaan anoda memiliki muatan negatif, dan pada permukaan anoda, berdekatan dengan solusi, ada muatan positif. yaitu pada antarmuka antara permukaan anoda dan solusinya juga terjadi DES. Bidang DES mendorong elektron dari solusi - anoda.

Dengan demikian, bidang DES pada antarmuka dari katoda dan anoda dengan solusi, didukung termal solusi ion difusi, dua sumber emf internal bertindak dalam konser dengan sumber eksternal, yaitu, mendorong muatan negatif dalam lingkaran berlawanan.

polyacids disosiasi poliosnovaniya dan juga menyebabkan difusi termal melalui membran (5, Gambar 1) H + ion dari ruang katodik -. ke anoda, dan ion OH- dari kompartemen anoda - katoda. Macroion R + dan R polielektrolit tidak bisa bergerak melalui membran, sehingga dari ruang katoda ada muatan negatif berlebih, dan dari ruang anoda - biaya kelebihan positif, yaitu, ada DPP lain karena efek Donnan. Dengan demikian, membran juga terjadi di dalam emf, bertindak dalam konser dengan sumber eksternal difusi panas dan dipelihara solusi ion.

Dalam contoh kita, tegangan melintasi membran bisa mencapai 0,83 volt, sebagai ini sesuai dengan perubahan potensial dari elektroda hidrogen standar dari - 0,83-0 volt pada transisi dari media basa dalam kompartemen anoda katoda lingkungan asam. Untuk detail, lihat. Dalam Lampiran №1 dari bagian ketiga dari artikel.

emf PKK dari dalam

Elemen emf Hal ini terjadi, termasuk di anoda kontak semikonduktor dan katoda ke bagian logam mereka melayani untuk menghubungkan sumber tegangan eksternal. emf ini karena PKK internal. Internal JIKA tidak menciptakan, berbeda dengan bidang eksternal dalam ruang yang mengelilingi konduktor kontak, yaitu Ini tidak mempengaruhi gerak partikel bermuatan luar konduktor. Konstruksi n-semikonduktor / metal / p-semikonduktor cukup dikenal dan digunakan, misalnya, termoelektrik modul Peltier. Besarnya emf yang struktur seperti pada suhu kamar dapat mencapai nilai-nilai dari urutan 0,4-0,6 Volt [5, p. 459; 2, p. 552]. Bidang dalam kontak diarahkan sedemikian rupa bahwa mereka mendorong elektron berlawanan dalam lingkaran, yaitu tindakan dalam konser dengan sumber eksternal. Elektron meningkatkan tingkat energi medium menyerap panas dari Peltier.

Internal JIKA timbul karena difusi elektron di bidang kontak dari elektroda dan solusi, sebaliknya, mendorong elektron dalam arah jarum jam dalam lingkaran. yaitu gerak elektron dalam Elemen berlawanan dalam kontak ini harus dialokasikan Peltier panas. tetapi karena transfer elektron dari katoda ke dalam larutan dan larutan di anoda adalah tentu disertai dengan reaksi endotermik menghasilkan hidrogen dan oksigen, panas dari Peltier tidak dirilis ke media, dan untuk mengurangi efek endotermik, yaitu seperti "dilestarikan" di entalpi pembentukan hidrogen dan oksigen. Untuk detail, lihat. Dalam Lampiran №2 bagian ketiga dari artikel.

operator (elektron dan ion) bergerak di Elemen sirkuit tidak jalan tertutup, tanpa biaya dalam elemen tersebut tidak bergerak dalam sirkuit tertutup. Setiap anoda elektron diperoleh dari solusi (dalam proses oksidasi ion OH- ke molekul oksigen), dan melewati sirkuit eksternal ke katoda, yang diuapkan bersama-sama dengan molekul hidrogen (dalam proses pemulihan ion H +). Demikian pula ion OH- dan H + tidak bergerak dalam sirkuit tertutup, tetapi hanya untuk elektroda yang sesuai, dan kemudian menguap dalam bentuk molekul hidrogen dan oksigen. yaitu dan ion dan elektron masing-masing bergerak dalam lingkungannya di bidang percepatan DES, dan ujung jalan, ketika mereka mencapai permukaan elektroda digabungkan dalam molekul, mengubah seluruh energi yang tersimpan - energi ikatan kimia, dan keluar dari loop!

Semua sumber internal emf Elemen, mengurangi biaya sumber eksternal untuk elektrolisis air. Dengan demikian, panas ambien menyerap unsur-unsur selama operasi untuk mempertahankan difusi DES, adalah untuk mengurangi biaya sumber eksternal, yaitu, Hal ini meningkatkan efisiensi elektrolisis.

Elektrolisis air tanpa sumber eksternal.

Dalam meninjau proses yang terjadi dalam elemen ditunjukkan pada Gambar. 1, sebuah parameter sumber eksternal tidak diperhitungkan. Misalkan hambatan internal adalah sama dengan Rd dan tegangan 0. Itu Evnesh elektroda elemen korsleting untuk beban pasif (lihat Gambar. 5). Dalam hal ini, arah dan besarnya bidang DES yang timbul pada antarmuka dalam unsur-unsur tetap sama.

Gambar. 5. Sebaliknya Evnesh (Gambar. 1) termasuk beban RL pasif.

Menentukan kondisi aliran arus spontan dalam elemen ini. Mengubah potensi Gibbs, menurut rumus (1) Lampiran №1 dari bagian ketiga dari artikel:

Δ G arr = (H arr Δ - n) + Q mod

Jika P> Δ H + Q mod mod = 284,5-47,2 = 237,3 (kJ / mol) = 1,23 (eV / molekul)

arr Δ G <0 dan proses spontan adalah mungkin.

Kami akan mempertimbangkan lebih lanjut bahwa reaksi unsur generasi hidrogen terjadi di media asam (potensial elektroda 0 volt), dan oksigen dalam (potensial elektroda dari 0,4 volt) basa. potensial elektroda seperti menyediakan membran (5, Gambar. 5), tegangan di mana ini harus 0,83 volt. yaitu energi yang dibutuhkan untuk pembentukan hidrogen dan oksigen berkurang 0,83 (eV / molekul). Kemudian kondisi kemungkinan proses spontan akan:

P> 1,23-0,83 = 0,4 (eV / molekul) = 77,2 (kJ / mol) (2)

Kami menemukan bahwa hambatan energi dari molekul hidrogen dan oksigen dihindari dan tanpa menggunakan sumber tegangan eksternal. yaitu bahkan pada n = 0,4 (eV / molekul), yaitu ketika elektroda dalam HPDC 0,4 volt, elemen akan berada dalam keadaan keseimbangan dinamis, dan perubahan (bahkan kecil) dari kondisi keseimbangan akan menyebabkan arus dalam sirkuit.

Kendala lain untuk reaksi pada elektroda adalah energi aktivasi, tetapi dihilangkan dengan efek terowongan, yang timbul karena kecilnya kesenjangan antara elektroda dan solusi [7, p. 147-149].

Dengan demikian, atas dasar pertimbangan energi, kami menyimpulkan bahwa saat ini spontan dalam elemen ditunjukkan pada Gambar. 5, adalah mungkin. Tapi apa alasan fisik dapat menyebabkan saat ini? Alasan-alasan ini tercantum di bawah ini:

1. Probabilitas transisi elektron dari katoda ke dalam larutan lebih tinggi dari probabilitas transisi dari anoda ke dalam larutan, karena n-semikonduktor katoda memiliki banyak elektron bebas dengan tingkat energi yang tinggi, dan anoda p-semikonduktor - hanya "lubang", dan ini "lubang" berada pada tingkat energi di bawah elektron katoda;

2. Membran didukung dalam ruang katoda dari lingkungan asam, dan di anoda - basa. Dalam kasus elektroda inert, ini mengarah pada fakta bahwa potensi katoda elektroda menjadi lebih besar dari anoda. Akibatnya, elektron harus bergerak melalui sebuah sirkuit eksternal dari anoda ke katoda;

3. muatan permukaan dari solusi polielektrolit yang timbul karena efek Donnan, menciptakan pada elektroda / bidang solusi tersebut bahwa bidang di katoda mempromosikan hasil elektron dari katoda ke dalam larutan, dan lapangan di anoda - masuknya elektron ke anoda dari solusi;

4. keseimbangan maju dan mundur reaksi pada elektroda (arus pertukaran) condong ke H + ion reaksi reduksi langsung pada katoda dan oksidasi ion OH- pada anoda, karena mereka ditemani oleh pembentukan gas (H2 dan O2) mampu dengan mudah meninggalkan zona reaksi (Prinsip Le Chatelier).

Percobaan.

Untuk evaluasi kuantitatif dari tegangan beban dengan efek Donnan, percobaan dilakukan di mana Element katoda terdiri dari karbon aktif dengan elektroda grafit luar dan anoda - campuran karbon aktif dan resin anion AB-17-8 dengan elektroda grafit luar. Elektrolit - larutan NaOH encer, anoda dan katoda ruang dipisahkan oleh merasa sintetis. Pada elektroda eksternal terbuka elemen ini memiliki tegangan sekitar 50 mV. Ketika terhubung ke sebuah elemen dari beban eksternal 10 ohm tetap saat ini sekitar 500 microamps. Ketika ambient peningkatan suhu dari 20 sampai 30 0C tegangan ke elektroda eksternal meningkat menjadi 54 mV. Meningkatkan tegangan pada suhu ambien menegaskan bahwa sumber emf adalah difusi, yaitu gerak termal dari partikel.

Untuk evaluasi kuantitatif dari tegangan beban dari percobaan logam / semikonduktor HPDC batin dilakukan di mana katoda sel terdiri dari bubuk grafit sintetik dengan elektroda grafit luar dan anoda - serbuk boron karbida (B4C, p-semikonduktor) dengan elektroda grafit luar. Elektrolit - larutan NaOH encer, anoda dan katoda ruang dipisahkan oleh merasa sintetis. Pada elektroda eksternal terbuka tegangan elemen adalah sekitar 150 mV. Ketika menghubungkan beban eksternal untuk tegangan elemen 50 kOhm turun ke 35 mV., Seperti penurunan tegangan yang kuat karena rendah karbida boron intrinsik dan, sebagai akibat, internal Element resistensi yang tinggi. tegangan penyelidikan versus suhu untuk unsur struktur tersebut tidak dilakukan. Hal ini disebabkan fakta bahwa, untuk semikonduktor, tergantung pada komposisi kimia, tingkat doping dan properti lainnya, perubahan suhu dengan cara yang berbeda dapat mempengaruhi tingkat Fermi-nya. yaitu efek suhu pada emf Elemen (kenaikan atau penurunan), dalam hal ini tergantung pada bahan yang digunakan, jadi ini bukan percobaan indikatif.

Pada saat ini, percobaan lain berlanjut, di mana katoda Elemen dibuat dari campuran bubuk karbon aktif dan Kation K1-2-8 dengan elektroda stainless steel eksternal, dan anoda dari campuran bubuk karbon aktif dan anionite AB-17-8 dengan elektroda eksternal dari Baja tahan karat Elektrolit - larutan NaCl berair, ruang anodik dan katodik dipisahkan oleh nuansa sintetis. Sejak Oktober 2011, elektroda eksternal Elemen ini telah dalam kondisi hubung singkat dengan ammeter pasif. Arus, yang menunjukkan ammeter, sekitar satu hari setelah dinyalakan, menurun dari 1 mA - menjadi 100 mkA (yang ternyata berhubungan dengan polarisasi elektroda), dan belum berubah sejak saat itu.

Dalam percobaan praktis yang dijelaskan di atas, sehubungan dengan tidak dapat diaksesnya bahan yang lebih efisien, hasil yang diperoleh secara substansial lebih rendah dari pada teori. Selain itu, perlu diperhitungkan bahwa bagian dari total internal emf. Elemen selalu dikonsumsi untuk mempertahankan reaksi elektroda (produksi hidrogen dan oksigen) dan tidak bisa diukur di sirkuit eksternal.

Kesimpulan .

Meringkas hal di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa alam memungkinkan kita untuk mengubah energi panas menjadi energi atau pekerjaan yang berguna, sambil menggunakan sebagai "pemanas" lingkungan dan tidak memiliki "lemari es". Dengan demikian, efek Donnan dan IFR internal mengubah energi termal gerak partikel bermuatan menjadi energi medan listrik DES, dan reaksi endoterm mengubah energi panas menjadi energi kimia.

Elemen, yang dipertimbangkan oleh kita, mengkonsumsi panas dan air dari lingkungan, namun melepaskan listrik, hidrogen dan oksigen! Apalagi proses konsumsi listrik, dan penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar, mengembalikan air dan panas kembali ke lingkungan!

Bagian 3. Aplikasi.

Pada bagian ini, dampak ekuilibrium Donnan, IFR internal pada antarmuka logam / semikonduktor, dan panas Peltier terhadap reaksi redoks dan potensi elektroda pada Elemen dibahas secara lebih rinci.

Potensi Donnan (Lampiran No. 1)

Mari kita pertimbangkan mekanisme munculnya potensi Donnan untuk polyelectrolyte. Setelah disosiasi polielektrolit, konter kecilnya dimulai, di bawah aksi difusi, untuk meninggalkan volume yang ditempati oleh makromolekul. Difusi langsung dari ion-ion kecil dari volume makromolekul polielektrolit sampai pelarut terjadi karena konsentrasi meningkat dalam jumlah besar makromolekul dibandingkan dengan sisa larutan. Selanjutnya, jika, misalnya, penghitung kecil bermuatan negatif, ini menyebabkan fakta bahwa bagian dalam makromolekul memperoleh muatan positif, dan solusinya yang bersebelahan dengan volume makromolekul adalah negatif. Yaitu. Sekitar volume makro yang bermuatan positif, tampaknya ada "atmosfir ionik" dari counter-counter kecil yang bermuatan negatif. Penghentian pertumbuhan muatan atmosfer ionik terjadi ketika medan elektrostatik antara atmosfir ionik dan volume makro equilibrat difusi termal dari ion-ion kecil. Perbedaan potensial ekuilibrium yang dihasilkan antara atmosfir ionik dan makro adalah potensial Donnan. Potensi Donnan juga disebut potensial membran, karena Situasi serupa terjadi pada membran semipermeabel, misalnya bila ia memisahkan larutan elektrolit di mana ada dua jenis ion - mampu dan tidak mampu melewatinya, dari pelarut murni.

Potensi Donnan dapat dianggap sebagai faktor pembatas potensial difusi, bila mobilitas salah satu ion (dalam kasus kita makro) adalah nol. Kemudian, menurut [1, hlm. 535], mengambil muatan balasan sama dengan persatuan:

E d = ( RT / F ) Ln ( a1 / a2 ), dimana

Ed adalah potensi Donnan;

R - Konstanta gas universal;

Suhu T - termodinamika;

Konstanta F - Faraday;

A1 , a2 - aktivitas ion balik dalam fase penghubung.

Di Elemen kita, di mana membran memisahkan larutan poli-basa (pH = Lg a 1 = 14) dan poliakida (pH = Lg a 2 = 0), potensial Donnan pada membran pada suhu kamar ( T = 300 0K) adalah:

E = ( RT / F ) (Lg a 1 - Lg a 2 ) Ln (10) = (8.3 * 300/96500) * (14 - 0) * Ln (10) = 0,83 Volta

Potensi Donnan meningkat secara proporsional dengan kenaikan suhu. Untuk sel difusi, panas Peltier adalah satu-satunya sumber untuk produksi karya yang berguna, jadi tidak mengherankan bahwa untuk elemen tersebut, ggl. Meningkat dengan meningkatnya suhu. Pada elemen difusi, untuk produksi kerja, panas Peltier selalu diambil dari lingkungan. Ketika arus mengalir melalui DELP yang dihasilkan oleh efek Donnan, ke arah yang bertepatan dengan arah positif medan DEL (yaitu, ketika bidang DES melakukan kerja positif), panas diserap dari medium untuk menghasilkan karya ini.

Tetapi dalam elemen difusi, terjadi perubahan konsentrasi kontinyu dan searah dalam konsentrasi ion, yang pada akhirnya menyebabkan pemerataan konsentrasi dan penghentian difusi yang diarahkan, berbeda dengan keseimbangan Donnan, dimana, dalam kasus arus quasistatik, konsentrasi ion yang pernah mencapai nilai tertentu tetap tidak berubah. .

Pada Gambar. Gambar 2 adalah diagram perubahan potensial reduksi oksidasi dari reaksi pembentukan hidrogen dan oksigen dengan perubahan keasaman larutan. Diagram tersebut dengan jelas menunjukkan bahwa potensial elektroda pembentukan oksigen dengan tidak adanya ion OHS (1,23 Vol dalam media asam) berbeda dari potensial yang sama pada konsentrasi tinggi (0,4 Volts dalam medium alkali) sebesar 0,83 Volts. Demikian pula, potensial elektroda pembentukan hidrogen tanpa ion H + (-0,83 Volt dalam medium alkali) berbeda dari potensial yang sama pada konsentrasi tinggi (0 Volts dalam medium asam), juga pada 0,83 Volts [4, hal. 66-67]. Yaitu. Jelas bahwa 0,83 Volt diperlukan untuk mendapatkan konsentrasi tinggi ion yang sesuai dalam air. Ini berarti bahwa 0,83 volt diperlukan untuk pemisahan massa molekul air netral menjadi ion H + dan OH. Jadi, jika membran Elemen kita mempertahankan media asam di dalam ruang katoda, dan anodanya basa, voltase DELnya bisa mencapai 0,83 Volts, yang sesuai dengan perhitungan teoritis yang diberikan sebelumnya. Tegangan tersebut memberikan konduktivitas yang tinggi dari ruang membran DEL karena disosiasinya air di dalamnya menjadi ion.

Gambar. 2. Diagram potensi reduksi oksidasi reaksi

Dekomposisi air, serta ion H + dan OH menjadi hidrogen dan oksigen.

Panas KPI dan Peltier (Lampiran No. 2)

"Alasan efek Peltier adalah bahwa energi rata-rata pembawa muatan (demi kepastian elektron) yang terlibat dalam konduktivitas listrik di berbagai konduktor berbeda ... Ketika berpindah dari satu konduktor ke konduktor lainnya, elektron mentransmisikan energi berlebih ke jaringan, atau menambah kekurangan energi dengan biaya. (Bergantung pada arah arus).

Gambar. 3. Efek peltier pada kontak logam dan n-semikonduktor: ԐF - tingkat Fermi; ԐC adalah bagian bawah pita konduksi semikonduktor; ԐV - langit-langit pita valensi; Saya - arah arus positif; Lingkaran dengan panah secara kondisional menunjukkan elektron.

Dalam kasus pertama, di dekat kontak, terisolasi, dan dalam kasus kedua, Panas Peltier Misalnya, pada kontak logam semikonduktor (Gambar 3), energi elektron yang melewati semikonduktor tipe-n ke logam (kontak kiri) jauh lebih tinggi daripada energi Fermi ԐF. Oleh karena itu, mereka melanggar ekuilibrium termal dalam logam. Ekuilibrium dipulihkan sebagai hasil tumbukan, di mana elektron termal, memberikan energi berlebih ke kristal. Grating. Hanya elektron yang paling energik yang bisa masuk ke semikonduktor dari logam (kontak kanan), akibatnya gas elektron di logam mendingin. Energi getaran kisi digunakan untuk mengembalikan distribusi kesetimbangan "[2, p. 552].

Untuk kontak logam / p-semikonduktor, situasinya serupa. Karena Konduktivitas p-semikonduktor memberikan lubang untuk pita valensinya di bawah tingkat Fermi, maka kontak akan didinginkan dimana elektron bergerak dari semikonduktor-p ke logam. Peltier panas, dilepaskan atau diserap oleh kontak kedua konduktor, ini disebabkan oleh produksi negatif atau positif dari internal IF.

Kami menghidupkan kontak kiri (Gambar 3), yang menghasilkan panas Peltier, sel elektrolitik, misalnya larutan air NaOH (Gambar 4), dan logam dan n-semikonduktor bersifat inert kimiawi.

Gambar. 4. Kontak kiri dari n-semikonduktor dan logam dibuka, dan larutan elektrolit diletakkan di celah ini. Notasi itu sama seperti pada Gambar. 3.

Karena, ketika arus " I " mengalir dari n-semikonduktor, elektron dengan energi lebih tinggi memasuki larutan daripada membiarkan larutan ke logam, energi berlebih ini (Peltier heat) harus dilepaskan di dalam sel.

Arus melalui sel bisa masuk hanya dalam kasus reaksi elektrokimia yang terjadi di dalamnya. Jika reaksi di dalam sel bersifat eksotermik , panas Peltier dilepaskan di dalam sel, karena Lebih untuk menghilang tidak ada tempat. Jika reaksi di dalam sel bersifat endotermik, maka panas Peltier berjalan seluruhnya atau sebagian untuk mengimbangi efek endotermik, i. Pada formasi produk reaksi. Dalam contoh kita, respons sel total: 2H2O → 2H2 ↑ + O2 ↑ bersifat endotermik, sehingga panas (energi) peltier menuju pembentukan molekul H2 dan O2 yang terbentuk pada elektroda. Dengan demikian, kita mendapatkan bahwa panas Peltier, yang diambil dari media kontak n-semikonduktor / logam kanan, tidak dilepaskan kembali ke medium, namun dipertahankan dalam bentuk energi kimia dari molekul hidrogen dan oksigen. Jelas, hasil kerja dari sumber tegangan eksternal, yang digunakan untuk elektrolisis air, dalam hal ini akan kurang dari pada kasus menggunakan elektroda identik yang tidak menyebabkan efek Peltier.

Terlepas dari sifat elektroda, sel elektrolitik itu sendiri dapat menyerap atau melepaskan panas Peltier saat arus melewatinya. Dalam kondisi kuasi-statis, perubahan potensial Gibbs pada sel [4, hal. 60]:

Δ G = Δ H - T Δ S , dimana

Δ H adalah perubahan entalpi sel;

Suhu T - termodinamika;

Δ S - perubahan entropi sel;

Q = - T Δ S - Peltier panas sel.

Untuk sel hidrogen-oksigen pada T = 298 (K), perubahan entalpi ΔHpr = -284,5 (kJ / mol) [8, hal. 120], perubahan potensi Gibbs [4. Dengan 60]:

ΔGpr = - zFE = 2 * 96485 * 1.23 = - 237.3 (kJ / mol), dimana

Z adalah jumlah elektron per molekul;

F adalah konstanta Faraday;

E - emf Sel galvanik

Oleh karena itu

Q pr = - T Δ S pr = Δ G pr - Δ H pr = - 237,3 + 284,5 = 47,2 (kJ / mol)> 0,

Yaitu. Sel hidrogen-oksigen memancarkan panas Peltier ke medium, sambil meningkatkan entropinya dan menurunkannya sendiri. Kemudian dalam proses sebaliknya, dengan elektrolisis air, itulah yang terjadi pada contoh kita, panasnya Peltier Q obr. = - Q pr = - 47,3 (kJ / mol) akan diserap oleh elektrolit dari lingkungan luar.

Misalkan P adalah panas Peltier yang dipilih dari media kontak tangan kanan dari n-semikonduktor / logam. Panas P > 0 harus menonjol di dalam sel, tapi karena Reaksi dekomposisi air dalam sel adalah endotermik ( ΔH > 0), kemudian panas Peltier P digunakan untuk mengkompensasi efek termal reaksi:

Δ G rep = ( ΔH obre - П ) + Q обр                                                                        (1)

Q hanya bergantung pada komposisi elektrolit. Merupakan karakteristik sel elektrolitik dengan elektroda inert, dan II hanya bergantung pada bahan elektroda.

Persamaan (1) menunjukkan bahwa panas Peltier P , dan juga panas Peltier Q , digunakan untuk menghasilkan pekerjaan yang bermanfaat. Yaitu. Peltier Panas yang dipilih dari lingkungan mengurangi biaya sumber listrik eksternal, yang diperlukan untuk elektrolisis. Situasi dimana panas medium merupakan sumber energi untuk produksi karya yang berguna merupakan karakteristik dari semua difusi dan juga untuk banyak elemen elektrokimia, contoh elemen tersebut diberikan pada [3, hal. 248-249].

Referensi

1. Gerasimov Ya.I. Kursus Kimia Fisika. Buku teks: Untuk universitas. Dalam 2 ton T.II. - 2 ed, pendeta - Moskow: CHEMISTRY Moscow, 1973. - 624 hal.
2. Dashevsky 3. Efek M. Peltier. // Ensiklopedia Fisik. Dalam 5 jilid T. III. Magnetoplasma - teorema Poyntinga. / Ch. Ed. A. M. Prokhorov. Ed. Kolonel D. M. Alekseev, A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich, A. S. Borovik-Romanov , dll - Moskow: Ensiklopedi Rusia Agung, 1992. - 672 hal. - ISBN 5-85270-019-3 (ayat 3); ISBN 5-85270-034-7.
3. Krasnov KS Kimia fisik. Dalam 2 buku. Buku 1. Struktur materi. Termodinamika: Proc. Untuk universitas; K. S. Krasnov, N. K. Vorobiev, I. N. Godnev, dan lain-lain - edisi ke-3, Corr. - M.: Pendidikan tinggi. Шк., 2001. - 512 dengan. - ISBN 5-06-004025-9.
4. Krasnov KS Kimia fisik. Dalam 2 buku. Buku 2. Elektrokimia. Kinetika kimia dan katalisis: Proc. Untuk universitas; K. S. Krasnov, N. K. Vorobyev, I. N. Godnev dan lain-lain. - M.: Pendidikan tinggi. Shk., 2001. - 319 hal. - ISBN 5-06-004026-7.
5. Kursus fisika Sivukhin DV . Buku teks: Untuk universitas. Dalam 5 ton. Listrik. - ed. Ke-4, Stereo. - Moskow: FIZMATLIT; Penerbitan rumah MIPT, 2004. - 656 hal. - ISBN 5-9221-0227-3 (ayat 3); 5-89155-086-5.
6. Tager A. A. Fisikokimia polimer. - Moskow: CHEMISTRY Moscow, 1968. - 536 hal.
7. Fetter K. Kinetika elektrokimia, terjemahan dari bahasa Jerman dengan penambahan penulis untuk edisi Rusia, disunting oleh Cor. AN SSSR prof. Kolotyrkina Ya.M. - Moskow: CHEMISTRY Moscow, 1967. - 856 hal.
8. Etkins P. Kimia fisik. Dalam 2 jilid, T.I., terjemahan dari bahasa Inggris oleh Doctor of Chemical Sciences Butina K.P. - Moskow: DUNIA Moskow, 1980. - 580 hal.