Как найти работу водорода

В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н₂, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:

Из уравнения процесса разложения следует, что из 2 моль воды образуются 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Следовательно, и соотношение объемов этих газов также равно:

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН₄) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH₃. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в

кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 ^оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Краткие выводы урока:

1. В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
2. В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
3. Водород — это перспективный источник энергии XXI в.

Надеюсь урок 26 «Получение водорода и его применение» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.

Условие задачи:

Какую работу совершил водород массой 3 г при изобарном нагревании на 100 К?

Задача №5.4.21 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(m=3) г, (p=const), (Delta T=100) К, (A-?)

Решение задачи:

Если газ нагревать изобарно, то его объем будет увеличиваться – это можно доказать с помощью закона Гей-Люссака, но мы предлагаем читателю проделать это самостоятельно. Работу газа (A) при изобарном расширении можно найти по формуле:

[A = pleft( {{V_2} – {V_1}} right) = p{V_2} – p{V_1};;;;(1)]

Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева для начального и конечного состояния газа:

[left{ begin{gathered}
p{V_1} = frac{m}{M}R{T_1} hfill \
p{V_2} = frac{m}{M}R{T_2} hfill \
end{gathered} right.]

Молярная масса водорода (M) равна 2 г/моль или 0,002 кг/моль.

Если учесть эти два уравнения, то формулу (1) можно записать в виде:

[A = frac{m}{M}R{T_2} – frac{m}{M}R{T_1} = frac{m}{M}Rleft( {{T_2} – {T_1}} right)]

[A = frac{m}{M}RDelta T]

Переведём массу газа (m) в систему СИ:

[3;г = 0,003;кг]

Посчитаем ответ:

[A = frac{{0,003}}{{0,002}} cdot 8,31 cdot 100 = 1246,5;Дж]

Ответ: 1246,5 Дж.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

5.4.20 Один моль газа, имевший начальную температуру 300 К, изобарно расширился
5.4.22 19 м3 воздуха имеют температуру 50 C. Какую работу совершит воздух, расширяясь
5.4.23 В координатах давление-объем график процесса в идеальном одноатомном газе имеет

Внутренняя энергия газа может изменяться в результате совершения газом работы и сообщения ему теплоты. Поэтому принято говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: о теплоте и работе.

Работа газа при произвольном процессе рассчитывается как площадь криволинейной трапеции под графиком p(V). На рис. 6.1 показана произвольная зависимость давления газа p от его объема V (объем газа в начальном состоянии V ₁; объем газа в конечном состоянии V ₂). Площадь заштрихованной фигуры совпадает с работой, совершенной газом.

Если зависимость p(V) представляет собой прямую линию, то работа численно равна площади прямолинейной трапеции.

В Международной системе единиц работа, совершаемая газом, измеряется в джоулях (1 Дж).

Работа газа при изобарном процессе (p = const) может быть вычислена по одной из формул:

A = p∆V, или A = νR∆T,

где p — давление газа; ΔV — изменение объема газа при переходе из начального в конечное состояние, ΔV = V ₂ − V ₁; V ₁ — объем газа в начальном состоянии; V ₂ — объем газа в конечном состоянии; ν — количество вещества (газа); R — универсальная газовая постоянная, R ≈ 8,31 Дж/(моль ⋅ К); ΔT — соответствующее изменение температуры газа, ΔT = T ₂ − T ₁; T ₁ — абсолютная температура начального состояния; T ₂ — абсолютная температура конечного состояния.

Работа газа при изохорном процессе (V = const) не совершается:

Работа газа при круговом (циклическом) процессе рассчитывается как площадь фигуры, ограниченной графиком функции p(V). На рис. 6.2 показан график произвольного кругового процесса; цифрами обозначены: 1 — исходное состояние идеального газа (оно совпадает с конечным); 2, 3 — промежуточные состояния газа.

Площадь заштрихованной фигуры совпадает с работой, совершенной газом при циклическом процессе.

Работа, совершаемая газом за цикл, может быть:

· положительной (прямой цикл);

· отрицательной (обратный цикл).

Пример 3. График циклического процесса, происходящего с некоторой массой идеального газа, в координатах p(V) имеет вид прямых, соединяющих точки (0,0250 м 3 ; 75,0 кПа), (0,0750 м 3 ; 125 кПа), (0,0750 м 3 ; 75,0 кПа). Определить абсолютную величину работы, совершаемой газом за цикл.

Решение. На рисунке изображен график циклического процесса в указанных термодинамических координатах p(V).

Величина искомой работы равна площади треугольника, ограниченного прямыми, соединяющими указанные точки:

A=12(125−75,0)⋅103⋅(0,0750−0,0250)=1,25⋅103 Дж=1,25 кДж.

Газ за цикл совершает работу 1,25 кДж.

Пример 4. Газ, состоящий из смеси 2,0 г водорода и 4,2 г гелия, при изобарном нагревании совершил работу 46 кДж. Во сколько раз увеличился объем газа, если его начальная температура была равна 300 К? Молярные массы водорода и гелия равны 2,0 и 4,0 г/моль соответственно.

Решение. Запишем формулу для расчета работы смеси газов при изобарном процессе:

где p — давление смеси газов (постоянная величина), p = const; V ₁ — объем смеси газов в начальном состоянии; V ₂ — объем смеси газов в конечном состоянии.

Давление смеси газов определяется законом Дальтона:

где p ₁ — парциальное давление водорода; p ₂ — парциальное давление гелия.

Давления указанных газов в смеси определяются следующими выражениями:

· парциальное давление водорода

где m ₁ — масса водорода; M ₁ — молярная масса водорода; T ₁ — температура смеси газов в начальном состоянии; V ₁ — объем смеси газов в начальном состоянии; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К);

· парциальное давление гелия

где m ₂ — масса гелия; M ₂ — молярная масса гелия.

Подстановка закона Дальтона и явного вида выражений для парциальных давлений водорода и гелия в формулу для работы, совершаемой смесью указанных газов, дает

Преобразование данного уравнения к виду

позволяет выразить искомое отношение объемов

Следовательно, при совершении указанной работы объем смеси увеличился в 10 раз.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9364 – | 7304 – или читать все.

78.85.5.224 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Условие задачи:

(V_1=2) л, (V_2=3) л, (p_1=400) кПа. Найти работу газа, совершенную в процессе 1-2-3 (схема к задаче приведена справа).

Задача №5.3.22 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

(V_1=2) л, (V_2=3) л, (p_1=400) кПа, (p_2=600) кПа, (A-?)

Решение задачи:

Работа газа (A), совершенная в процессе 1-2-3, равна сумме работ газа в процессах 1-2 и 2-3.

Процесс 1-2 — изобарный, поэтому работу газа (A_<1 — 2>) в этом процессе следует искать по такой формуле (численно работа равна площади фигуры под графиком процесса, на схеме к решению — заштриховано):

Процесс 2-3 — изохорный, работа газа (A_<2 — 3>) в этом процессе равна нулю, так как газ не изменяет своего объема (площадь фигуры под графиком этого процесса в координатах p-V также равна нулю).

В итоге формула (1) примет такой вид:

Переведём объемы газа (V_1) и (V_2) в систему СИ:

Ответ: 400 Дж.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 3? (Ответ дайте в кДж.)

На диаграмме p—V работе, совершаемой газом при переходе из начального состояния в конечное, соответствует площадь под линией, изображающей процесс перехода.

Для процесса 1—2—3 эта площадь показана на рисунке штриховкой. Таким образом, при переходе из состояния 1 в состояние 3 газ совершает работу

Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 3? (Ответ дайте в кДж.)

На диаграмме p—V работе, совершаемой газом при переходе из начального состояния в конечное, соответствует площадь под линией, изображающей процесс перехода. Для процесса 1—2—3 эта площадь показана на рисунке штриховкой. Таким образом, при переходе из состояния 1 в состояние 3 газ совершает работу

Поясните,почему умножение идет 2х10^5 ,когда газ совершает работу от 1 до 2, вроде должно быть 1х10^5,а по ответу получается от 0 до 2.

На участке 1-2 вообще не совершается работа, так как объем газа на этом этапе не изменяется. Вся работа совершается на участке 2-3. Общее правило следующее, если процесс изображен на диаграмме , то работа равна площади под графиком со знаком плюс, если объем увеличивается, и со знаком минус, если уменьшается. Для тепловой машины, работающей по циклу, полезная работа равна площади ограниченной этим циклом, это укладывается в ранее озвученное правило. Когда мы идем по «верхней» части цикла, работа идет в +, потом возвращаемся по «нижней» в исходную точку, работа теперь идет в -, в результате остается только кусок внутри.

Алексей, вот Вы сказали, что «на участке 1-2 вообще не совершается работа, так как объем газа на этом этапе не изменяется.»

а на участке 2-3 ведь не меняется давление.Так почему работа там совершается? Разве не A=pV ?

Не, не так. Давайте разбираться.

Будем выводить формулу, по которой можно посчитать работу совершенную газом. Когда газ работает? Когда он что-то перемешает. Для этого должен как-то меняться его объем. Например, газ расширяется и толкает поршень вверх, а с ним и какой-то груз, вот Вам и работа. То есть без изменения объема нет работы.

Чтобы вывести формулу, рассмотрим модельную задачу. Рассмотрим цилиндрический сосуд с газом. Пусть сосуд закрыт подвижным поршнем площади . Давление газа равно . Определим, какую работу совершит газ, когда поршень сдвинется на малое расстояние . Так как это работа на малом перемещении, то назовем ее элементарной работой и обозначим через . Работа газа равна произведению силы, с которой он давит на поршень, на перемещение поршня (газ давит нормально, поэтому косинуса не возникает): . Но сила, с которой газ давит на поршень связана с давлением газа соотношением: . Если перемещение поршня мало, то можно считать, что давление газа не изменяется сильно и что оно остается постоянным. Тогда: . Но — это как раз изменение объема газа . Окончательно имеем: .

Получив эту формулу, можно забыть о том, как она выводилась (про сосуд и поршень), она оказывается верной для любого малого изменения объема.

Теперь, чтобы найти работу на конечном изменении объема нужно просуммировать работы по малым изменения, в математике это делается при помощи интеграла: Если внимательно приглядеться, то тут можно как раз увидеть площадь под линией процесса на диаграмме . Вот почему говорят, что для поиска работы надо искать площадь под графиком на этой диаграмме.

Для частных случаев формула приобретает вид:

1) при изобарном процессе давление выносится за знак интеграла и получаем:

2) при изохорном объем не изменяется, поэтому пределы интегрирования совпадают, интеграл равен нулю, работа равна нулю.

3) при изотермическом процессе, давление уже изменяется с объемом, поэтому надо добавить в рассмотрение уравнение Клапейрона-Менделеева: . Следовательно, . А значит работа при изотермическом процессе равна:

В связи с большим практическим прорывом в этой области и появлением множества работающих устройств по расщеплению воды с коэффициентом полезного действия больше единицы, (КПД>100%) мы решили прояснить некоторые моменты для сомневающихся и просто для тех, кто решил заняться практикой и начал сборку подобных устройств. 

Начнем с того, что все расчеты и цифры приведены для нормальных условий, то есть для среднего давления и комнатной температуры. Мы не будем утомлять Вас сложными формулами, а приведем лишь полезные цифры и информацию, которые помогут на практике.

При расщеплении воды может вырабатываться как отдельно кислород и водород, так и их смесь, называемая газом Брауна или гремучим газом (в народе и на СЕ слэнге «гремучка»). В любом случае топливом является только водород и именно его нужно считать и учитывать.

Основным параметром любого топлива, в том числе и водорода, является его теплотворная способность или удельная теплота сгорания топлива, которые показывают сколько джоулей тепловой энергии будет выделено при сгорании определенного веса или объема вещества. Так как водород —  это газ, то нам для расчетов будет удобнее использовать количество Джоулей, выделяемых при сжигании одного литра водорода. То есть Дж/л.  Из справочников мы возьмем минимальное усредненное значение, которое равно 10 800 кДж/м3, что в нашем случае составляет  10800 Дж/л. Теперь нам придется вспомнить, каким образом эти цифры можно сопоставить с привычными нам при расчете энергии. За основу давайте возьмем электричество и соответственно его единицы измерения киловатт часы. Тут все просто, 1 ватт мощности это один Джоуль выделяемый за  секунду. Отсюда мы без труда выводим следующие цифры, которые пригодятся всем практикам в дальнейшем

— 1 киловатт час электроэнергии это 1 Джоуль * 1000 * 3600 = 3,6 Мега Джоуля или 3,6МДж.

— 1 литр водорода при сжигании выделяет в пересчете на электроэнергию 0,003кВт*часа = 3Ватт часа энергии.

— При КПД приблизительно равном 100%, установка потребляющая мощность 1кВт должна вырабатывать 333,(3) литра водорода в час.

— При КПД приблизительно равном 100% установка потребляющая мощность 1кВт, должна вырабатывать 5,(5) литра водорода в минуту.

Дальше все просто! Имея эти цифры мы без труда можем рассчитать КПД любой установки.

Возьмем для примера классические, продаваемые ныне водородные сварки, которые при потреблении 1,8кВт часа электроэнергии, вырабатывают около 6 литров водорода в минуту. Отсюда следует, что работают они с КПД приблизительно равным 60%. Считается это так: мы знаем, что однокиловаттная  установка вырабатывает 5,(5) литра водорода в минуту, а у нас потребление 1,8кВт, значит нам нужно 5,(5) умножить на 1.8, получаем 10. То есть мы выяснили, что для работы со стопроцентным КПД данная установка должна вырабатывать 10 литров водорода, а нам известно со слов производителя, что вырабатывает она максимум 6, значит нам остается только 6 разделить на 10 и умножить на 100%, отсюда и получена цифра в 60%.

С водородом мы разобрались и по-моему тут все просто, теперь давайте сделаем то же самое для газа Брауна или «гремучки». Так как газ Брауна содержит в себе две части водорода и одну часть кислорода, а топливом является только водород, то все наши полученные выше цифры необходимо умножить приблизительно на две третьих (2/3). Отсюда мы получаем:

— 1 литр газа Брауна при сжигании выделяет в пересчете на электроэнергию 0,002кВт*часа = 2Ватт часа энергии.

— При КПД приблизительно равном 100%, установка потребляющая мощность в 1кВт должна вырабатывать 500 литров газа Брауна в час.

— При КПД приблизительно равном 100% установка потребляющая мощность в 1кВт, должна вырабатывать 8,(3) литра газа Брауна в минуту.

Вот и все основные цифры, которые могут понадобиться для приблизительной теоретической оценки вырабатываемого электролизерами газа и его эффективности. Следует также еще раз особо отметить, что цифры даны минимальные и относятся они только к сугубо теоретическим аспектам, которые далеко не всегда подтверждаются на практике. . К ним смело можно прибавить 10%.

Рассмотрим один из недавних примеров, достоверность которого нам известна доподлинно, равно как и все приведенные ниже цифры.

Мы уже публиковали по нему несколько статей и видео, а по последним опытам можем только лишь добавить, что в настоящий момент прототип генератора при потребление от сети тока в девять ампер, вырабатывает в минуту 24 литра газа Брауна. По расчетам получается следующее:

9*220=1,98кВт, таким образом получается, что при 100% КПД выработка газа должна быть 1,98*8,3=16 литров в минуту, а при реальных 24-х литрах установка по всем теоретическим расчетам работает с КПД превышающим 150%, что само по себе не может не радовать. Но все дело в том, что на практике этот КПД еще в несколько раз выше. Рассмотрим еще один вполне конкретный пример.

Были проведены опыты с обычным четырехкиловаттным бензиновым генератором, который был переделан на газ Брауна и был запущен в режиме самозапитки.

На практике были получены следующие основные цифры: на собственную работу, то есть на выработку четырех киловатт энергии генератор тратил только два киловатта вырабатываемой мощности, отдавая оставшиеся два киловатта в полезную нагрузку. При этом электролизер был менее эффективной модели, который от двух киловатт вырабатывал не более 18 литров водорода в минуту и даже меньше, но при этом двигатель все равно устойчиво работал, отдавая в нагрузку два киловатта полезной мощности. Если вспомнить, что КПД классического двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%, то есть всего 30% из подаваемого газа идет на генерацию электроэнергии, то получаются совершенно другие цифры.

На практике получается, что даже этот, далеко не самый эффективный на данный момент электролизер, работает с КПД превышающим 600%!

На вопрос «откуда дровишки», то есть откуда же берется этот самый прирост энергии, мы ответить пока не можем и оставляем его физикам-теоретикам. Мы можем лишь еще раз подтвердить, что все описанное выше имеет место быть в том виде, в котором мы и описали и каждый желающий сможет в этом убедиться. Добавим лишь, что мы не посягаем на правильность первого и второго начала термодинамики и на закон сохранения энергии, находя их вполне адекватными и рабочими, что в нашем случае подразумевает только лишь наличие и использование в данной установке дополнительно какого-либо другого вида энергии, который тем не менее пока не вписывается в рамки классической теоретической физики.

На правах рекламы, продолжаем знакомить Вас с интересными сайтами.

На этом сайте продается Тренинг уверенности в себе со скидкой. К сожалению мы сами не проходили данный курс, по этому ничего о нем сказать не можем, но выглядит красиво.