Электролиз и нагрев воды ответы на вопросы

ЭЛЕКТРОЛИЗ И НАГРЕВ ВОДЫ – ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
Канарёв Ф.М.

[email protected]
Анонс. Вода уже давно служит источником энергии, но все её потенциальные энергетические возможности ещё не раскрыты. Покажем это на конкретных экспериментальных данных и на их интерпретации, базирующейся на новой теории микромира.
1467. Какие структуры молекул воды могут формироваться из атомов кислорода и водорода? Новая теория микромира допускает формирование линейной (рис. 145, а и b) и уголковой (рис. 145, с и d) молекул воды.


Рис. 145. а), b) - схема линейной молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода; _ - ядра атомов водорода (протоны);

_и _ - номера электронов атомов водорода;

с), d) структура уголковой молекулы воды с углом 105_между атомами водорода;

е) структура линейной молекулы воды со структурами

ядер атомов водорода и кислорода и их электронов
Символами _ и _ обозначены электроны атомов водорода и символами _ и _ - протоны атомов водорода. Энергии связи между осевыми электронами атома кислорода и атомов водорода показаны на рис. 145, b. Левые их значения соответствуют энергиям механического разрыва связей, а правые - энергиям термического разрыва связей.

1468. На каких энергетических уровнях находятся электроны атомов водорода в молекулах воды и на какую величину изменяется энергия связи между атомами водорода и кислорода в молекулах воды при нагревании её на один градус? Осевые электроны молекулы воды находятся между вторыми и третьими энергетическими уровнями атомарного состояния (рис. 145, а и b) Известно, что при нагревании одного литра воды от 20_С до 100_С затрачивается 335,2 кДж энергии. В расчете на одну молекулу это составит _. Это - величина энергии, на которую изменится энергия связи молекул воды в кластерах, если нагреть её от 20_С до 100_С. Разделив 0,063 eV на 80, получим величину, на которую изменяется энергия связи между молекулами воды в кластерах при нагревании её на один градус. Она оказывается равной 0,00078 eV. Эта энергия соответствует фотонам реликтового диапазона.

1469. Если молекулы воды объединяют в кластеры протоны атомов водорода то, на сколько порядков геометрический размер такого контакта меньше размера двух молекул воды, объединённых в кластер, если представлять их сферическими? Размер протона, примерно, на 6-7 порядков меньше размера молекулы воды, если считать, что она имеет сферическую форму.

1470. Если размер контакта двух молекул на 6-7 порядков меньше размера самих молекул, то не является ли это главной причиной текучести молекул воды? Да, имеются все основания для такой гипотезы.

1471. Сколько молекул может быть в кластере воды? Пока нет точного ответа на этот вопрос.

1472. Как изменяются энергии связи в кластере молекул воды? Энергии связи между молекулами в кластере воды уменьшаются от центра кластера к его периферии.

1473. Почему при замерзании воды она расширяется? Потому что, кольцевые электроны атома кислорода (рис. 145, а), охлаждаясь, излучают фотоны, опускаются на нижние энергетические уровни и своим суммарным электростатическим полем удаляют от ядра атома осевые электроны, увеличивая длину молекулы воды и её кластеров.

1474. Процесс образования кластеров эндотермический или экзотермический? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Есть формы кластеров, которые для своего формирования требуют дополнительную энергию, и есть формы, которые выделяют её при синтезе кластера.

1475. Химики, изучавшие кристаллы льда, установили, что молекулы воды имеют уголковую форму (рис. 145, с). Возможно ли образование такой молекулы воды из её линейной структуры (рис. 145, а)? Да, такая возможность существует. Если один из атомов водорода присоединится не к осевому, а к кольцевому электрону, то образуется уголковая молекула воды (рис. 145, с).

1476. В каких случаях формируются уголковые молекулы воды? Как отмечают экспериментаторы, уголковые молекулы воды образуется у кластеров молекул воды, когда она замерзает и превращается в лёд. Есть основания полагать, что электростатические силы отталкивания, действующие между первым (e1, P1) и вторым (e2, P2) атомами водорода (145, с), формируют угол _.

1477. Почему электрическое сопротивление чистой воды очень большое? Ответ на этот вопрос следует из структуры молекулы воды (рис. 145). Нетрудно видеть, что на концах осевой линии молекулы воды расположены протоны атомов водорода. Одинаковая, положительная электрическая полярность на концах оси симметрии молекулы воды формирует однополярность всей молекулы и её кластеров. В результате молекулы чистой воды и её кластеров не могут сформировать электрическую цепь. Электрическая цепь из кластеров воды может образоваться только тогда, когда на концах оси молекулы воды будут противоположные электрические заряды – на одном конце электрон, а на другом – протон. Это и есть главная причина большого электрического сопротивления чистой воды. Она почти не электропроводна.

1478. Что нужно сделать, чтобы вода стала электропроводной? Чтобы вода стала электропроводной, надо создать условия, при которых в ней появляются ионы с разной электрической полярностью на концах этих ионов.

1479. Какие химические вещества увеличивают электропроводность воды и почему? Электропроводность воды увеличивают главным образом щёлочи и кислоты, которые приводят к формированию ионов – образований с разной электрической полярностью на их концах.

1480. Можно ли привести структуру какого-нибудь иона воды и прокомментировать её? На рис. 146 представлена структура иона _, а на рис. 147, а – кластер из двух ионов _. Нетрудно видеть, что у иона и у кластера ионов на концах их центральных осей разноимённые электрические заряды: электрон и протон. В результате кластер иона ориентируется так, что положительный его конец оказывается у катода, а отрицательный – у анода. Это - идеальная электрическая цепь подобная проводу, но существующая в растворе воды.

Рис. 146. Схема модели гидроксила _

Рис. 147: Кластер ионов _ в электрическом поле: _ – протон атома водорода

в зоне катода; е6 – электрон атома кислорода в зоне анода
1481. В чём химическая и физическая сущности нашей платы за ускорение процесса электролиза воды и как представить её наглядно? Она на рис. 148. Напомним, что числом Фарадея F называется величина, равная произведению числа Авагадро N на заряд электрона. Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества (рис. 148, формула 1). Если электролиз идет при напряжении 1,70V, то на получение одного моля водорода будет израсходовано 91,12 Ватт-час (рис. 148, формула 2) а на получение _ - 4,10кВтч (рис. 148, формула 3).

Рис. 148.

1482. Чему равна средняя мощность Рс на клеммах электролизёра? Она равна произведению средней величины напряжения Uc на клеммах электролизёра на среднюю величину тока Ic, то есть _.

1483. А если напряжение подавать в электролизёр импульсами то, что покажет вольтметр, подключённый к его клеммам? Он покажет тоже, что и при непрерывном процессе подачи напряжения (рис. 149).

1484. Значит ли это, что показания вольтметра будут ошибочные? Конечно, значит.

1485. В чём суть этой ошибки? Внимательный анализ осциллограммы напряжения и тока, подаваемых на клеммы электролизёра импульсами (рис. 149), показывает, что импульсы напряжения _ увеличивают уже имеющийся средний потенциал _ на клеммах электролизёра. После подачи импульса напряжения _, амплитуда которого больше среднего напряжения на клеммах электролизёра (_>_), величина напряжения вначале увеличивается, а потом начинает уменьшаться (рис. 149). Второй импульс напряжения вновь восстанавливает его до средней величины. Обратим внимание на то, что импульс тока _ полностью совпадает с импульсом напряжения _ и оба они имеют одинаковую длительность _.


Рис. 149.

1486. Чему равна скважность импульсов на осциллограмме (рис. 149)? Импульсы напряжения и тока в данном случае можно считать прямоугольными. С учетом этого, скважность импульсов будет равна _.

1487. Чему равно среднее напряжение _, подаваемое на клеммы электролизёра? Оно равно амплитудному значению напряжения _, делённому на скважность импульсов _(рис. 149, формула (2)).

1488. Чему равен средний ток на клеммах электролизёра? Он равен амплитудному значению _, делённому на скважность _импульсов (рис. 149, формула 3).

1489. Чему равна средняя мощность на клеммах электролизёра? Вполне естественно, что она равна

_. (1)
1490. Значит ли это, что если электролизёр подключён к аккумулятору, то аккумулятор будет реализовывать свою мощность по формуле (1)? Ответ однозначный, значит и его достоверность уже доказана теоретически и экспериментально.

1491. А что покажут приборы, подключённые к клеммам электролизёра? Вольтметр покажет среднее напряжение _на клеммах электролизёра, которое будет несколько меньше его амплитудного значения _, но почти в 10 раз больше истинного среднего значения напряжения _, подаваемого на клеммы электролизёра.

1492. Почему возникают такие противоречия? Потому, что вольтметр, подключённый к клеммам электролизёра, не сможет усреднять истинное импульсное напряжение, средняя величина _ которого участвует в процессе электролиза воды. Он будет показывать среднее напряжение _ на клеммах электролизёра, величина которого почти в 10 раз больше истинного среднего напряжения _, участвующего в процессе электролиза воды.

1493. Обращали ли исследователи внимание на описанные противоречия? Нет, не обращали. Они с полным доверием относились и относятся к показаниям электроприборов, учитывающих расход электроэнергии на электролиз воды.

1494. Если электролизёр подключить к общей сети то, что покажет счётчик электроэнергии? Он покажет, что мощность на клеммах электролизёра равна
_. (2)
1495. Поскольку скважность импульсов в рассматриваемом примере равна _, то значит ли это, что счётчик электроэнергии завышает реальный расход электроэнергии на электролиз с помощью, анализируемой ячейки, в 10 раз? Ответ однозначный, значит.

1496. Почему показания счётчика электроэнергии завышают истинный расход электроэнергии в данном конкретном случае в количество раз, равное скважности импульсов напряжения и тока? Потому, что в сети напряжение не импульсное, а непрерывное, равное 220В. Счётчик сделан так, что он усредняет только импульсы тока, а напряжение оставляет таким, какое есть в сети, то есть все современные счётчики электроэнергии не учитывают скважность импульсов напряжения.

1497. Значит ли это, что счётчики электроэнергии правильно учитывают непрерывное напряжение и ошибаются при учёте импульсного напряжения? Ответ однозначный, значит. Его достоверность уже доказана теоретически и экспериментально.

1498. Можно ли привести здесь это доказательство? Приводим, начиная с анализа математической модели для расчёта средней электрической мощности, которая реализуется почти во всех современных приборах, измеряющих величину мощности и величину электрической энергии на клеммах потребителя.
_. (3)

Отметим особо. Математическое содержание формулы (3) безупречно, но только при условии непрерывности изменения функций напряжения _ и тока _, например, переменного синусоидального напряжения и тока.

1499. Если источник питания выдаёт постоянное напряжение и постоянный ток, которые подаются на клеммы потребителя, то какой вид принимает формула (3)? Для постоянного напряжения и тока она принимает простой вид

_ (4)

и результат расчёта по этой формуле совпадает с показаниями всех приборов (рис. 150). Никаких противоречий в показаниях приборов в этом случае нет.


Рис. 150. Схема для измерения напряжения, тока и мощности,

реализуемой аккумулятором на непрерывное питание лампочки
1500. Какой вид принимает схема (рис. 150), если электроэнергию из аккумулятора подавать лампочке импульсами? Введём в схему (рис. 150) электронный ключ _ (рис. 151, a), который будет подавать на клеммы лампочки импульсы напряжения с амплитудами _, а они будут формировать импульсы тока с амплитудами _ (рис. 151, b).

а) схема для измерения напряжения, тока и мощности, реализумых аккумулятором на импульсное питание лампочки

b) осциллограмма, снятая с клемм аккумулятора, питавшего лампочку импульсами напряжения  и тока 

Рис. 151. Схема подачи электроэнергии на клеммы лампочки импульсами и

осциллограмма напряжения и тока на клеммах лампочки
1501. Помогает ли осциллограмма напряжения и тока понять глубже процесс формирования мощности на клеммах потребителя? Без осциллограммы невозможно понять тонкости процесса формирования мощности на клеммах потребителя. Все рассуждения на эту тему с привлечением формул превращаются в пустое словоблудие.

1502. Позволяет ли осциллограмма понять ошибки учёта средней величины импульсной мощности, заложенные в формуле (3)? Конечно, позволяет. Формула (3) неспособна рассчитать среднюю мощность _, реализуемую аккумулятором не непрерывно, а импульсами, так как при импульсном потреблении электроэнергии функции напряжения _ и тока _ в формуле (3) теряют свой аналитический вид непрерывных функций. В результате полностью исключается возможность аналитического расчёта величины мощности по этой формуле.

1503. В чём суть физико-математической ошибки, заложенной в формуле (3)? Обращаем внимание читателей на то, что это центральный вопрос тупиковой современной энергетики и неоспоримое преимущество будущей импульсной энергетики. Поэтому есть основания уделить особое внимание представляемому нами анализу, чтобы понять его.

На осциллограмме (рис. 151, b) явно видны прямоугольные импульсы напряжения и тока длительностью _, которая значительно меньше длительности периода _. Для определения средней величины импульсной мощности математики разработали графоаналитический метод, основанный на графическом решении уравнения (3). Этому способствовали возможности современных приборов представлять графически закономерности изменения напряжения и тока (рис. 151, b). Однако, перевод аналитического метода решения уравнения (3) в графоаналитический требовал основательных знаний по физике и, особенно по электротехнике, которых у математиков не оказалось. Они не задумывались о физической сути процесса генерации средней величины импульсной мощности. В результате физико-математическая ошибка, допущенная математиками и не обнаруженная инженерами-электриками, задержала развитие экономной импульсной энергетики почти на 100лет. Вот физическая суть этой ошибки.

При составлении программы для графоаналитического решения уравнения (3) с целью определения средней величины импульсной мощности _, реализуемой первичным источником питания, в данном случае, - аккумулятором, роль ориентира выполняло математическое уравнение (3), которое предназначено для вычисления средней мощности, генерируемой непрерывно меняющимися функциями напряжения _ и тока _. В формуле (3) перемножаются результаты интегрирования функций напряжения и тока. При графоаналитическом методе решения этого уравнения перемножаются ординаты напряжения и тока. Затем полученные произведения складываются и делятся на общее количество произведений в интервале периода _. В результате получается средняя (назовём её старой) величина электрической мощности _, математическая формула, для расчёта которой принимает вид, представленный в конце формулы (5).
_. (5)
Символ _ в формуле (5) – скважность импульсов. Если импульсы напряжения и тока прямоугольные, то скважность определяется путём деления периода _ следования импульсов на их длительность _ (_). Проследим за процессом появления в знаменателе формулы (5) математического символа _ - скважности импульсов.

Электроника, реализующая математические программы, заложенные в современные электронные электроизмерительные приборы, способна измерять в секунду десятки тысяч ординат функций напряжения и тока, перемножать их и выдавать среднее значение мощности с большой точностью. Проследим, как они делают это. Для этого внимательно присмотримся к осциллограмме на рис. 151, b. Измеряется ордината импульса напряжения _ и ордината импульса тока _. Затем они перемножаются, полученные произведения складываются, и учитывается общее количество полученных произведений в интервале периода _. Вот тут и начинается процесс формирования физико-математических ошибок. Когда ординаты напряжения и тока снимаются в интервале длительности их импульсов _, то физико-математические законы не нарушаются, так как процесс генерирования напряжения и тока в интервале длительности импульса непрерывный. Как только закончился интервал _ длительности импульса, то ток исчезает из электрической цепи и процесс генерирования мощности, реализуемой аккумулятором, прекращается до следующего импульса.

А теперь обратим внимание на главное (рис. 151, b). После прекращения действия импульса тока с амплитудой _, напряжение на клеммах аккумулятора не падает до нуля, а восстанавливается до своего номинального значения и прекращает своё участие в процессе генерации средней величины импульсной мощности _ в интервале _ (рис. 151, b). Но, вольтметр, подключённый к клеммам лампочки, продолжает показывать среднее напряжение на клеммах и лампочки, и аккумулятора, и таким образом - учитывать и ту часть напряжения, которая, остаётся на клеммах аккумулятора, но не участвует в формировании средней величины мощности на клеммах лампочки, когда прерывается импульс, то есть в интервале _, а математическая формула (5) пытается убедить нас в том, что амплитудное значение напряжения участвует в формировании мощности в интервале всего периода _ непрерывно. Программа продолжает в интервале отсутствия импульсов _ (и напряжения и тока), перемножать нулевые значения ординат тока и полные ординаты номинального напряжения на клеммах аккумулятора. В результате количество произведений с нулевыми значениями тока и не нулевыми значениями напряжения входит в общее количество этих произведений за период _.

Далее, программа делит сумму произведений амплитудных значений напряжения и тока, полученных в интервале длительности импульса _, на общее количество произведений, полученных за весь период _. Так как количество произведений амплитудных значений напряжения и тока за период _больше, чем за длительность _ импульса в количество раз, равное _, то в итоге получается произведение амплитудных значений напряжения и тока, разделённое на скважность импульсов _ (см. конец формулы (5) и формулу 2). Математики-прикладники, не мудрствуя лукаво, сразу дают, по их мнению, очень убедительную интерпретацию полученному результату (2).

Они объясняют электротехникам достоверность полученного результата следующим образом. Есть напряжение и ток (интервал _), есть мощность, нет тока (интервал _) – нет мощности, а величина напряжения, которое присутствует в момент, когда ток равен нулю (в интервале _), не играет никакой роли. С виду, очень убедительное объяснение, а при тщательном анализе, который мы привели, – фундаментальная ошибка с глобальными последствиями. Вот её суть.

Система СИ требует непрерывного участия напряжения и тока в формировании мощности в интервале каждого периода, а значит и каждой секунды. Часть _ формулы (2) строго соответствует этому требованию, так как из неё следует, средняя величина тока _, действующего непрерывно в интервале всего периода. Она показана на рис. 151, b и равна

_. (6)
А теперь посмотрим внимательно ещё раз на осциллограмму (рис. 151, b) и обратим внимание на физическую суть, содержащуюся в формуле (5). Она заключается в том, что вертикальный прямоугольный импульс тока с амплитудой _ и длительностью _ превратился в горизонтальный прямоугольник с амплитудой _, заполняющий длительность всего периода _. Это полностью соответствует системе СИ, требующей непрерывного участия тока в формировании мощности в интервале всего периода, а значит и – секунды.

Теперь проследим за участием напряжения в формировании средней импульсной мощности. В формулах (2 и 5) амплитудное значение напряжения _ участвует в формировании средней величины импульсной мощности своей полной величиной _ в интервале всего периода _, а осциллограмма (рис. 151, b) отрицает этот факт. Из неё следует, что напряжение со своим амплитудным значением _ участвует в формировании средней величины импульсной мощности только в интервале длительности импульса _, а во всём остальном интервале _ оно не участвует в формировании средней величины импульсной мощности, так как в этом интервале (_) цепь разомкнута и на клеммах лампочки нет напряжения. Оно присутствует только на клеммах аккумулятора и равно своему номинальному значению, а в формулах (2 и 5) оно участвует своей полной амплитудной величиной _ в формировании средней величины импульсной мощности весь период _.

В результате этой физико-математической ошибки величина средней импульсной мощности на питание лампочки, реализуемой аккумулятором, увеличивается в количество раз равное скважности импульсов напряжения. Удивительно то, что этот ключевой момент оказывается непонятным и большинству инженеров-электриков.

Отметим попутно, что описанная ошибка тесно связана с главной аксиомой Естествознания - аксиомой Единства пространства-материи-времени. Ошибочная формула (2 и 5) учитывает процесс формирования средней импульсной мощности только в интервале длительности импульса _ и прекращает этот учет в оставшейся части периода _. Это явно противоречит аксиоме Единства, из которой следует, что напряжение и ток должны оставаться функциями времени непрерывно в интервале всего периода формирования мощности. Нельзя останавливать процесс их участия в формировании мощности в заданном интервале времени – секунде, а значит и периода, так как это означает остановку времени участия напряжения в процессе формирования средней величины импульсной мощности. Формула (2) игнорирует это требование аксиомы Единства. Амплитудное значение напряжения _, стоящее в этой формуле, также реально участвует в формировании средней величины импульсной мощности только в интервале длительности импульса _ и не участвует в остальной части периода _, так как в этой части периода потребитель (лампочка) импульсов напряжения отключён. В этой процедуре и заложен процесс остановки времени, чего в реальности не бывает.