Pile electrice Moroianu Luciana Cls a IX a E
Introducere
Randamentul superior vor face din ele mijlocul de producere al energiei electrice privilegiat al secolului. Realizatorii de telefoane mobile sau de microcalculatoare portabile, visează de ani de zile: pila de combustie ar fi principalul mijloc de a creşte autonomia produselor în mod considerabil. Şi industria automobilelor se interesează de această sursă de energie "curată". Hidrogenul este energia viitorului? Un lucru este sigur: nu există petrol la nesfârşit. Domeniul nuclear este "delicat", şi unora le-ar plăcea să renunţe le el. Principalul interes: pilele de combustie nu poluează aproape deloc, pentru că nu ard carburant, ci îşi recombină atomii. Singurele lor subproduse sunt apa şi dioxidul de carbon, acest ultim element fiind din nefericire dăunător pentru echilibrul termic al planetei. Aceste generatoare electrice sunt lipsite de elemente mecanice. Sunt deci foarte fiabile şi silenţioase.
Elementul galvanic
Pilele electrochimice (sau pilele galvanice) sunt sisteme in care energia chimica este transformata in energie electrica. Componenta: 2 electrozi, punte de sare, voltmetru, conductor metalic exterior.
Electrodul: la nivelul lui are loc oxidarea (in cazul anodului) sau reducerea (in cazul catodului). Combinarile dintre metalele care sunt folosite drept electrozi sunt date de seria de reactivitate.
Anodul - electrodul de Zn
masa electrodului de Zn scade;
concentratia ionilor Zn2+ in solutie creste;
ionii Cl- (din puntea de sare) se orienteaza spre aceasta semicelula spre a compensa nivelul ridicat al sarcinilor pozitive;
Catodul - electrodul de Cu
masa placutei de Cu creste;
concentratia ionilor sulfat (SO4) 2- din solutie creste;
ionii K+ din puntea de sare se orienteaza spre aceasta semicelula spre a compensa nivelul ridicat al sarcinilor negative; Reactia globala generatoare de curent
Puntea de sare: are rolul de a asigura neutralitatea solutiilor sarurilor celor doua metale care joaca rol de electrozi.
Voltmetru: demonstreaza diferenta de potential dintre cele doua semicelule.
Conductorul metalic exterior: asigura transportul electronilor intre cele doua semicelule.
Cum functioneaza?
Nu are importanţă dacă carburantul este lichid sau gazos, trebuie să fie bogat în atomi de hidrogen. Secretul pilelor de combustie? Să se separe electronul şi protonul fiecărui atom de hidrogen şi apoi să ia un drum diferit. Dupa ce hidrogenul este extras din carburant, traversează un catalizator care scindează atomii de hidrogen în electroni şi protoni. Aceste sarcini se îndreaptă spre un electrolit sau o membrană, după tipul pilei, care nu lasă să treacă decât protonii. Electronii sunt deci excedentari pe una dintre feţele filtrului, care se încarcă negativ. Electrozii, cel mai adesea din carbon sau siliciu, încadrează filtrul şi recuperează sarcinile electrice. Sunt bornele pilei. Când circulă curentul, electronii ajung la electrodul pozitiv. Ei se recombină cu protonii şi oxigenul din aer, formând vapori de apă. Cataliza este însoţită de o puternică degajare de căldură. Bilanţul energetic este repartizat astfel: 40% electricitate şi 60% căldură. Pilele de combustie oferă simultan electricitate şi căldură. Degajarea căldurii ridică însă probleme atunci când se doreşte numai obţinerea de energie electrică. Este cazul automobilului. Deja anumite soluţii de recuperare şi reciclare a căldurii permit obţinerea randamentelor de 80%. Oricare ar fi randamentul pilelor este deja net superior celui de grupuri electrogene tradiţionale care este de 20%. Ele încep să ia locul acestora pentru aprovizionarea cu electricitate a zonelor izolate. Aşadar, pilele de combustie permit producerea de electricitate şi căldură cu un randament superior şi slabe emisii poluante.
Clasificarea pilelor electrice
Pile primare: - Pila Daniell
- Pila Leclanche - Pile alcaline - Pile Wenston - Bateria cu mercur Pile secundare, acumulatori
Pila Daniell
Pila Leclanché Cea mai comuna forma de pila galvanica este pila Leclanche inventata de chimistul francez Georges Leclanch în 1860. In limbaj popular este numita pila uscata sau baterie proiectoare. Pila Leclanche utilizata ln zilele noastre este foarte similara inventiei originale. Electrolitul consta dintr-un amestec de clorura de amoniu si clorura de zinc facuta pasta. Electrodul negativ este facut din zinc ca si carcasa externa a pilei, iar electrodul pozitiv, o tija de carbune înconjurata de un amestec de carbon si dioxid de mangan. Pila Leclanche produce circa 1.5V. Pila Leclanché este frecvent utilizata pentru alimentarea aparatelor de radio cu tranzistori, a lanternelor de buzunar, la instalatii de semnalizare etc.
Forta electromotoare a acestei pile este de 1,5 - 1 ,65 V, si scade pe masura ce pila se descarca. In mod frecvent, se leaga in serie mai multe astfel de baterii. O alta întrebuintare este in bateriile de acumulatoare. Astfel de baterii sunt dezvoltate pentru uz electric pentru a fi folosite ca nivelatoare de încarcatura, pentru a compensa fluctuatiile momentane de capacitate ale sistemului. Astfel de baterii ar putea fl instalate aproape de locurile cu cerinte speciale. Acestea cauzeaza putine probleme de mediu si ocupa putin spatiu.
Pile alcaline Pilele alcaline sunt de dimensiuni foarte mici. Sunt utilizate la ceasuri, aparate auditive, camere video, minicalculatoare. Pila voltaica (Wentston) Pila voltaica standard, numita pila Wentston, a folosit la definirea voltului ca unitate de masura. Aceasta are poli din amalgam de cadmiu si sulfat de mercur si ca electrolit sulfat de cadmiu. Bateria cu mercur O alta pila galvanica folosita pe scara larga este bateria cu mercur. Poate lua forma unui disc mic si plat si este folosita în aceasta forma în aparate pentru auz, celule fotoelectrice si ceasuri de mana electrice. Electrodul negativ este din zinc, cel pozitiv din oxid de mercur, iar electrolitul este o solutie de hidroxid de potasiu. Bateria de mercur produce circa 1.34V.
Pile secundare, acumulatori Bateria de acid de plumb Acumulatorul care poate fi reîncarcat prin in versarea reactiei chimice, a fost inventat in 1859 de fizicianul francez Gaston Plante. Bateria lui Plante era una din acid de pl umb, un tip larg folosit astazi. Bateria de acid de plumb, care consta din trei sau sase baterii conectate în serie, este folosita la automobile, camioane si alte vehicule, marele ei avantaj este ca poate transmite un curent puternic de electricitate pentru a porni un motor, insa se descarca repede. Electrolitul este o solutie diluata de acid sulfuric, electrodul negativ este din plumb si cel pozitiv din dioxid de plumb. Bateria de acid de plumb are o functionare buna timp de aproape 4 ani si produce 2V pe c elula. Bateria Edison Un alt acumulator mult folosit este bateria alcalina sau bateria nichel - fier, dezvoltata de inventatorul american Thomas Edison în 1 900. Electrodul negativ din fier, cel pozitiv din oxid de nichel si electrolitul este o solutie de hidroxid de potasiu. Are dezavantajul de a emana hidrogen in timpul încarcarii. Aceasta baterie este folosita în principal in aplicatii în industria grea. Bateria Edison functioneaza bine timp de 10 ani si produce circa 1.15V. O baterie alcalina similara bateriei Edison este celula nichel-cadmiu sau bateria de cadmiu, în care electrodul de fier este înlocuit cu unul din cadmiu. Functioneaza timp de 25 de ani si produce circa 1.15 V. Un numar de noi tipuri de baterii a fost creat pentru utilizarea în vehiculele electrice. Versiuni imbunatatite ale bateriilor de stocare conventionale au fost dezvoltate pentru masini electrice, dar au dezavantajele de a avea fie o raza scurta sau cost ridicat, fie greutate mare sau probleme legate de mediu. Baterii avansate care par promitatoare pentru utilizatea în vehicule electrice sunt cele litiu sulfat de fier, zinc - clor, natriu - sulf, nichel-hidrura de metal
