Томский политехнический университет «утверждаю» icon

Томский политехнический университет «утверждаю»



НазваниеТомский политехнический университет «утверждаю»
Дата конвертации16.06.2013
Размер168.46 Kb.
ТипМетодические указания
скачать >>>


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________________


«УТВЕРЖДАЮ»

Декан ХТФ

______В.М. Погребенков

«____» __________2008г.


К А Ф Е Д Р А О Б Щ Е Й Х И М И Ч Е С К О Й Т Е Х Н О Л О Г И И


Испытание химического источника тока


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»»


Томск 2008

УДК 66.02.(076.1)


Испытание химического источника тока


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»»   Томск: Изд. ТПУ, 2008 – 15 с.


Составитель к.т.н., доц. каф. ОХТ О. И. Налесник


Рецензент к.х.н., доц. каф. ОХТ Ю. Н. Обливанцев





Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры общей химической технологии “____”_________ 2007г.


Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф В.В. Коробочкин

6.3 Порядок выполнения работы 13

8. Литература 14

1. Введение


Химические источники тока (ХИТ) – это устройство для прямого превращения химической энергии в электрическую. По сравнению с сетью переменного тока, обеспечивающей более чем 99 % потребностей человечества в электроэнергии, ХИТ незаменимы как источники электропитания движущихся объектов (все виды транспорта, включая подводные лодки и космические объекты), переносных электронных приборов и бытовой техники (сотовая телефонная связь и компьютерная техника). Простота устройства (отсутствие движущихся и вращающихся деталей) и технологии изготовления (штамповка, прессование, завальцовка) обеспечивают производство и потребление ХИТ разных типов миллионными тиражами.


^ 2. Условия возникновения электрического тока в ХИТ


Химические источники электрической энергии (химические источники или ХИТ) это устройства, в которых химическая энергия самопроизвольно протекающей реакции превращается в электрическую.

Первым условием работы химического источника тока является наличие окислителя и восстановителя (топлива). Но если в стакан с раствором CuSO4 опустить цинковую пластину или железный гвоздь, пойдёт самопроизвольная химическая реакция восстановления ионов меди и окисления цинка (или железа).

Cu2+ + Zn (Fe) = Cu + Zn2+ (Fe2+). (1)

Эта реакция протекает электрохимическим путём, т. е. состоит из одновременно протекающих двух реакций:

Cu2+ + 2е → Cu; (2)

Zn (Fe) → Zn (Fe)2+ + 2е. (3)

При этом происходит обмен электронами на границе контакта металла с раствором CuSO4, но никакой электрической энергии не вырабатывается. Следовательно, требуется особенная организация процессов восстановления окислителя и окисления восстановителя (топлива).

Поэтому вторым условием работы ХИТ является отсутствие прямого контакта окислителя с топливом и протекание стадий окисления топлива и восстановления окислителя на раздельных электродах. Эти стадии называются электродными реакциями, а сумма их токообразующей реакцией.

Точное определение ХИТ – это устройство, в котором химическая энергия (энергия Гиббса) окислительного и восстановительного процесса, протекающих на пространственно разделённых и соприкасающихся с электролитом электродах, превращается в электрическую.

Основными конструктивными составляющими ХИТ являются электроды или полуэлементы.

Для рассмотренного примера электрод с окислителем предстанет в виде Cu2+/ Cu, а электрод с топливом в виде Zn2+/ Zn.

На границе металл – раствор устанавливается равновесные состояния в виде реакций с их потенциалами по водородной шкале

Cu Cu2+ + 2е, (4)

Zn Zn2+ + 2е, (5)

Для создания ХИТ на основе этих электродов необходим также контакт двух электролитов через полупроницаемую мембрану. В общепринятом виде система такого ХИТ запишется:

(–)Zn│ ZnSO4║ CuSO4│Cu(+).

При этом знаки электродов определяются равновесными электродными потенциалами.



Рис. 1. Схема элемента Даниэля-Якоби и его работа:

R – полезная нагрузка (потребитель электроэнергии); 1 – анод Zn2+/Zn; 2 – катод Cu2+/Cu; 3 – полупроницаемая диафрагма.


При разряде элемента вблизи поверхности отрицательного (Zn-) электрода создаётся избыток катионов Zn2+ и недостаток анионов , в результате чего возникает встречная диффузия их. У поверхности положительного (Cu) электрода создаётся недостаток разряжающихся катионов Cu2+ и избыток анионов . Таким образом, при разряде ХИТ в целом происходит перемещение катионов от отрицательного электрода (анода) к положительному (катоду), а анионов – от положительного электрода к отрицательному.

Если электроды замкнуть внешней цепью, поток электронов от более отрицательного электрода к более положительному вызовет сдвиг равновесия на них в сторону окисления топлива (Zn2+/Zn – электрод – анод) и восстановления окислителя (Cu2+/ Cu – электрод – катод).

Zn → Zn2+ + 2е; (6)

Cu2+ + 2е → Cu; (7)

Токообразующая реакция запишется в виде

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu (8)

или

Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu. (9)

Поток электронов по внешней цепи может совершать полезную работу на объекте потребления электрической энергии R.


^ 3. Термодинамические характеристики ХИТ


К термодинамическим характеристикам ХИТ относятся энергия Гиббса и Э.Д.С. (Е0,Дж), а также потенциалы электродов.

Энергия Гиббса токообразующей реакции (ΔG0) определяется из выражения

(10)

где: - энергия Гиббса продуктов реакции;

- энергия Гиббса исходных веществ токообразующей реакции, которые называются активными материалами.

Стандартная электродвижущая сила (Э.д.с.) ХИТ вычисляется по соотношению:

(11)

где: F – число Фарадея (F = 96498 кулонов);

z – число электронов, участвующих в обмене электронами между окислителем и восстановителем.

Э.д.с. ХИТ по физическому смыслу есть разница равновесных потенциалов электродов, т. е.

. (12)

Для рассмотренной электрохимической системы потенциалы положительного и отрицательного определяются уравнением Нернста:

(13)

(14)

а э.д.с. ХИТ (15)


^ 4. Классификация ХИТ и их основные виды


Все реальные химические источники тока имеют один электролит, в который опущены электроды разного знака полярности. При этом число электродов одного знака может достигать десятка и более.

Классифицировать ХИТ можно по нескольким признакам:

  • по природе активных материалов;

  • по конструктивным особенностям (герметичность, число электродов, способ приведения в действие);

  • по силе разрядного тока и назначению;

  • по температурному режиму;

  • по природе электролита и его физическому состоянию.

Однако, главная классификация основана на принципе действия.


4.1. Элементы


Элементы (старое название – гальванические элементы) – это ХИТы одноразового действия или первичные химические источники тока. После использования (разряда) элементы направляются на утилизацию или в отвал. Основное достоинство элементов – готовность большинства из них к использованию (разряду) без всякой подготовки снижается ограниченным временем хранения. Поэтому были разработаны резервные элементы, приводимые легко в действие заливкой электролита или смачиванием водой любого качества (морская, даже из лужи).

Запасённое теоретическое количество электричества в элементе (его ёмкость, С, А.ч.) определяется по формуле.

(16)

где: и - масса и электрохимический эквивалент ограничителя ёмкости (активное вещество, взятое в наименьшем по стехиометрии количестве по сравнению с другими участниками реакции).

Теоретический запас электроэнергии (энергоёмкость WT, Вт·ч.) определяется выражением:



где: Е – э.д.с. токообразующей реакции, В.

Практические значения ёмкости и энергоёмкости определяется выражением:

А.ч. (17)

где: - ток и время разряда ХИТ;

и Вт·ч. (18)

где: - среднее напряжение разряда.

Основные виды элементов и их электрохимические системы приведены в таблице 1.


4.2. Аккумуляторы


Это химические источники тока с регенерацией активных материалов путём заряда, пропускания тока в обратном направлении. Их другое название вторичные источники.

Если срок службы элементов исчисляется временем хранения их на складе в сумме с временем их эксплуатации, то у аккумуляторов срок службы исчисляется числом зарядно – разрядных циклов.

Аккумуляторы характеризуются не только ёмкостью и энергоёмкостью, но и коэффициентами их отдачи:

и , (19)

где: СЗ и WЗ – ёмкость и энергоёмкость заряда.

Коэффициент отдачи энергии аккумулятора – это его к.п.д.

Число зарядно–разрядных циклов у разных аккумуляторов колеблется от нескольких сот до нескольких тысяч, а время службы – от нескольких лет до десяти и больше. По суммарной ёмкости производства и эксплуатации аккумуляторы являются самыми массовыми ХИТ.

Основные виды аккумуляторов приведены в таблице 1.

В последние десятилетия были изобретены и производятся для компьютерной техники и сетевых телефонов аккумуляторы на основе сложных электрохимических систем с высокой удельной ёмкостью и энергоёмкостью.


4.3. Топливные элементы


Это ХИТ с непрерывным подводом топлива и окислителя к определённой конструкции элемента. Такой ХИТ работает по принципу топки: пока подаётся топливо и окислитель – элемент работает. Достоинства топливного элемента кроются в длительной эксплуатации одной и той же конструкции с оптимальным режимом протекания токообразующей реакции. Топливные элементы позволяют осуществлять прямое превращение химической энергии в электрическую с высоким к.п.д. (до 70 % и более). Они незаменимы в случаях невозможности использования других источников (например, в длительных космических экспедициях).

Наиболее изученными и конструктивно разработанными, имеющими применение в космосе, а также в земных условиях, являются водородно-кислородные топливные элементы (см. табл. 1).

^ 5. Основные электрические характеристики ХИТ


Использование ХИТ основано на возможностях их удовлетворять требования потребления. Потребителя прежде всего интересует ёмкость и рабочее напряжение источника. Именно они определяют энергоёмкость ХИТ (см. раздел 2.1).

Теоретическая ёмкость является недостижимой вследствие многих причин:

- неполное использование активных материалов из-за затруднений протекания электрохимических реакций в толще электродов;

- расход активных материалов на прямое химическое взаимодействие друг с другом;

- расход активных материалов на прямое взаимодействие с водой и с атмосферным кислородом.


5.1. Рабочее напряжение и внутреннее сопротивление


При работе ХИТ неизбежной является потеря напряжения. Реальное рабочее напряжение (UP) меньше теоретического (ЕТ).

(20)

где: и – поляризация (+) и (–) электродов, В;

– падение напряжения в ХИТ из-за его омического сопротивления (сопротивление электролита и электродов).

. (21)

Поляризация электродов определяется по электродным поляризационным кривым.

В соответствии со сказанным напряжение заряда аккумулятора выразится уравнением:

. (22)

Величина поляризации каждого из электродов и их суммарная поляризация пропорциональна силе разрядного или зарядного тока.

и , (23)

где: ^ K – коэффициент пропорциональности может быть воспринят как поляризационное сопротивление rпол.

Тогда уравнение можно записать в виде

, (24)

А также в виде , (25)

где: - есть полное внутреннее сопротивление r.

В соответствии с этим напряжение заряда и разряда можно выразить

(26)

Полное внутреннее сопротивление при разряде ХИТ может быть найдено из выражения , а при разряде . (27)

Вычисление полного внутреннего сопротивления ХИТа требует знания э.д.с. и какого-либо режима разряда (JP, UP) или заряда (JЗ, UЗ).

Также полное внутреннее сопротивление может быть найдено по параметрам двух режимов разряда или заряда. Формула справедлива для любого режима разряда ХИТ. Тогда

(28)

Если вычесть одно выражение из другого и преобразовать, получим

. (29)


5.2. Вольт – амперная характеристика


Одной из важных характеристик, показывающих работоспособность (возможности) аккумулятора, является вольт – амперная кривая, т.е. падение рабочего напряжения при увеличении разрядного тока

Из двух видов (см. рис.2) вольт - амперная кривая 1 свидетельствует о более высоком рабочем напряжении при любом рабочем токе по сравнению с кривой 2. Более крутопадающая характеристика говорит о большем внутреннем сопротивлении источника.

Вольт - амперные характеристики используются для выяснения возможностей источника тока.



Рис. 2. Вольт – амперные характеристики ХИТ.


5.3. Разрядные кривые


Каждый химический источник тока, в том числе аккумуляторы, разработаны и производятся для определенного режима разряда, характеризующегося достаточно узким интервалом разрядного тока (обычно для конкретного сопротивления нагрузки). При этом работоспособность и качество



Рис.3. Разрядные кривые ХИТ


источника тока оценивается зависимостью рабочего напряжения от времени разряда (или от количества разрядного электричества). На рис. 3 приведены разрядная кривая свежезаряженного аккумулятора (кривая 1) и частично разряженного аккумулятора (кривая 2). На кривых 1 и 2 Uk – конечное напряжение разряда, ниже которого использование ХИТа невозможно.

Аккумуляторы характеризуются зарядно-разрядными кривыми (рис.4). Напряжения заряда и разряда оцениваются уравнениями (20) и (22).



Рис. 4. Общий вид зарядно-разрядных кривых аккумуляторов.


5.4. Емкость и энергоемкость


Емкость ХИТа - количество электричества, полученное при его разряде (А.ч.). Номинальная емкость гарантируется заводом изготовителем и входит в маркировку аккумуляторов (6СТ — 75; ТЖН – 550).

Теоретическая емкость любого ХИТа определяется количеством активного вещества, взятого в наименьшем количестве (ограничитель емкости):

А.ч. (30)

где: mогр и qогр – масса и электрохимический эквивалент ограничителя емкости. Практическая емкость:

А.ч. (31)

где: - средний разрядный ток, А;

Использование ХИТ характеризуется коэффициентом отдачи емкости:

(32)

Остальные активные материалы используются при разряде не полностью. Коэффициенты их использования определяются выражением:

(33)

где: - теоретическая емкость любого активного материала.

Для аккумуляторов коэффициент отдачи емкости (к.п.д. емкостное) определяется формулой:

(34)

Энергоемкость - количество электроэнергии (W), полученное при разряде ХИТа:

Bт.ч. (35)

Рабочий к.п.д. аккумулятора (ηраб) определяется по формуле:

(36)

Удельная емкость и энергоемкость - количество электричества и электроэнергии, полученное от единицы массы ХИТа:

А.ч./кг (37)

Вт.ч. (38)

Удельные характеристики используются для оценки совершен­ства конструкции и условий эксплуатации.


5.5. Мощность ХИТа


Является важнейшей характеристикой стартерных аккумуляторов (для запуска двигателей автомобилей, самолётов и др.).

Мощность полезная:

Вт. (39)

является частью полной теоретической мощности:

. (40)

Вторая её составляющая – мощность потерь (Ртеор):

(41)

(42)

Прировняв к нулю её производную

(43)

и заменив , найдём, что максимум полезной мощности наблюдается при равенстве сопротивления внешней цепи R полному внутреннему сопротивлению r (рис. 4).



Рис.4. Соотношение полезной и теряемой мощностей ХИТ при разных режимах разряда


^ 6. Экспериментальная часть


6.1. Цель работы


Разобрать механизм токообразования ХИТа и определить его основные характеристики: э.д.с., вольт - амперную характеристику, внутреннее сопротивление.


6.2. Схема установки




Рис. 5. Схема лабораторного испытания ХИТ:

1 – источник тока; 2 – магазин сопротивления 3 – миллиамперметр; 4 – вольтметр;

^

6.3 Порядок выполнения работы





  1. Измерить э.д.с. ХИТа и сравнить ее с рассчитанным по энергии Гиббса значением;

  2. Снять вольтамперную кривую, увеличивая силу разрядного тока от миллиамперов до нескольких амперов (для больших аккумуляторов – до десятков ампер). Должно быть снято не менее 10 точек, уменьшая сопротивление магазина и замыкая цепь на несколько секунд. Каждая точка снимается быстро, особенно при больших токах (при 1 > 0,5 А) цепь держать замкнутой несколько секунд) Занести результаты в табл. 1. Построить вольтамперную кривую. Разбить вольтамперную кривую на несколько участков.

  3. Вычислить полное внутреннее сопротивление ХИТ на этих участках. Занести результаты в табл. 1. Построить зависимость r=f(I).

4. Вычислить полезную мощность и мощность потерь для отдельных участков вольт - амперной кривой. Занести результаты в табл.1.

Построить зависимости Рполезная=f(I) и Pтep=f(I).

Таблица 1

Измеряемые величины и расчетные характеристики ХИТа




R, Ом

I, mА

U, B

r

Рт

Рполез.

Ртер.

1

2

…..

n























^ 7. Оформление отчета


  1. Механизм токообразования испытываемого источника тока.

  2. Особенности устройства, состав активных масс электродов.

  3. Расчет электрохимического эквивалента системы (суммы активных материалов, взятых в стехиометрическом соотношении).

  4. Расчет э.д.с. ХИТа.

  5. Измерительная схема.

  6. Результаты испытания.

Излагаются в соответствии с ходом эксперимента. Измеряемые и расчетные величины заносят в табл. 1, и строят графики.

7. Выводы должны содержать рекомендации по режиму эксплуатации ХИТ (диапазоны разрядного тока и напряжения).

8. Литература


  1. Дасоян М.А., Новодережкин В.В.: Томашевский Ф.Ф. Производство электрических аккумуляторов. - М.: Высшая школа, 1998.-381 с.

  2. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П.- 3-е изд. - М: Химия, 1984. - с. 40-53, с. 99-111.

  3. Налесник О.И. Общая теория химических источников тока: Уч. пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1985. - 94 с.



Испытание химического источника тока


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»» – Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 15с.


Составитель к.т.н., доц. каф. ОХТ О. И. Налесник


Рецензент к.х.н., доц. каф. ОХТ Ю. Н. Обливанцев


Подписано к печати 13.03.08.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная.

Печать RISO. Усл. печ. л. . Уч. - изд. л.

Тираж экз. Заказ Цена свободная.

Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина 30.





Нажми чтобы узнать.

Похожие:

Томский политехнический университет «утверждаю» iconТомский политехнический университет утверждаю

Томский политехнический университет «утверждаю» icon«томский политехнический университет» О. В. Ротарь введение в специальность
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «томский политехнический университет»
Томский политехнический университет «утверждаю» icon«национальный исследовательский томский политехнический университет» «утверждаю»

Томский политехнический университет «утверждаю» icon«национальный исследовательский томский политехнический университет» «утверждаю»

Томский политехнический университет «утверждаю» icon«национальный исследовательский томский политехнический университет» Организационное поведение и управление персоналом
О-641 пособие / автор сост.: Н. Ю. Шрайбер.; Томский политехнический университет – Томск: Институт инженерного предпринимательства...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института неразрушающего контроля Клименова Василия Александровича...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института природных ресурсов Дмитриева Андрея Юрьевича и  
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института неразрушающего контроля Клименова Василия Александровича...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института неразрушающего контроля Клименова Василия Александровича...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconК трудовому договору №       от             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института кибернетики Замятина Александра Владимировича и  
Томский политехнический университет «утверждаю» iconК трудовому договору №       от             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Физико-технического института Долматова Олега Юрьевича и    
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы