Значит, если не прибегать к специальным сложным устройствам (например, к холодильникам), то для охлаждения какого-либо тела надо иметь другое тело — более холодное. В лабораториях учёных с помощью сложных приборов и больших затрат энергии удалось получить температуру, близкую к абсолютному нулю. Но это в лаборатории, где имеют дело с граммами вещества. А как же быть на теплоэлектростанции, где нужно охлаждать сотни тонн пара в час? Здесь пар охлаждается в конденсаторах, через которые пропускается обычная вода. Но так как даже в самые сильные морозы температура охлаждающей воды гораздо выше абсолютного нуля, то с её помощью не удаётся охладить пар настолько, чтобы отобрать у него хотя бы половину энергии. Другой путь — повышение температуры теплоносителя — также имеет предел.
Что же это за процесс — горения и получения теплоты, — который является столь расточительным?
Горение — это процесс окисления, то есть присоединение кислорода к углероду в том случае, если сжигается уголь. Но так как и кислород и углерод состоят из атомов, то есть мельчайших своих частичек, а атомы, в свою очередь, имеют электроны, то есть ещё более мелкие, чем атом, частички, заряженные отрицательным электричеством, то можно сказать, что горение — это обмен электронами между кислородом и углеродом. Атомы углерода при нагревании теряют электроны, атомы кислорода присоединяют их. Таким образом, происходит движение электронов, а это уже электрический ток.
В процессе горения миллиарды электронов переходят из углерода в кислород, но вся беда в том, что эти электроны движутся беспорядочно, в разные стороны. Электрический же ток — упорядоченный поток электронов. Процесс горения можно сравнить с движением горного потока, который бесцельно тратит свою энергию. Если же горный поток заключить в трубы и заставить его течь в нужном направлении, то он сможет вращать колёса турбин, орошать поля и т. д. Так и поток электронов при горении мог бы не разогревать топливо, а стать источником электрического тока. Но как это сделать, как заставить огромное количество электронов двигаться в определённом порядке, как сделать их «послушными»?
Всем, конечно, знакома обыкновенная батарейка от карманного фонаря. В батарейке происходят те же явления, что и при горении угля. Батарейка, или, что одно и то же, гальванический элемент, состоит из двух разных стержней (электродов), помещённых в электролит, то есть в среду, проводящую электрический ток. Один электрод цинковый, а другой — угольный. Цинк, растворяясь в электролите, теряет электроны, уголь же их присоединяет. Если соединить полюса батарейки проводником, то по нему потёчет электрический ток.
Отличие этого процесса от горения угля в прямом смысле заключается в том, что при горении угля обмен электронами между углеродом и кислородом происходит сразу во всём пространстве. В батарейке же процесс обмена электронами между цинком и углём происходит в двух строго определённых местах: на поверхности отрицательного цинкового электрода и положительного угольного. Благодаря этому в батарейке создаётся порядок в движении электронов, то есть электрический ток.
Батарейка — очень удобный источник энергии. Он в особенности незаменим в тех случаях, когда потребляется мало электрической энергии, причём не непрерывно, а время от времени. А почему бы не построить уже сейчас электростанцию, работающую от батарей из таких элементов? Ведь их коэффициент полезного действия очень высок! К сожалению, сделать это нельзя, так как срок службы элементов невелик.
Идея создания электрического элемента возникла давно. Ещё в 1802 году изобретатель безопасной шахтёрской лампы Хэмфри Дэви высказал предположение, что химическую энергию, высвобождающуюся при окислении угля, можно непосредственно преобразовать в электрическую. К сожалению, Дэви не удалось изготовить такое устройство. Зато уже в 1839 году была продемонстрирована первая так называемая газовая батарея. В ней энергия реакции окисления водорода преобразовывалась непосредственно в электрический ток. Газовая батарея — это первый топливный элемент, где химическая энергия топлива непосредственно превращалась в электрическую.
Конечно, первый топливный элемент был очень несовершенен и обладал малой мощностью. Работы продолжались. И лишь совсем недавно были созданы промышленные топливные элементы. Какие же внутренние процессы сопровождают их работу?
Можно ли совершенно чистую воду, очень плохой проводник электрического тока, превратить в хороший проводник? Можно, и это очень легко сделать. Необходимо только растворить в ней небольшое количество поваренной соли. Водопроводная вода только кажется абсолютно чистой. На самом же деле она содержит небольшие количества растворённых солей, что и помогает ей проводить электрический ток. Вот почему иногда «дёргает» человека, прикоснувшегося мокрой рукой к электрическому выключателю, в особенности если выключатель в металлическом корпусе.
Водные растворы, которые проводят электрический ток, называются электролитами. Если через них пропускать электрический ток, то можно наблюдать различные интересные явления. Представьте себе, что в сосуд с электролитом из раствора сульфата меди опущены два медных электрода, присоединённых к электрической цепи с батареей. Один из электродов, тот, что соединён с отрицательным полюсом батареи, назван катодом. А тот, что с положительным — анодом. При пропускании электрического тока через некоторое время на катоде появится свежий слой меди, а анод постепенно будет растворяться. Может быть и по-другому: медь по-прежнему будет осаждаться на катоде, а на аноде появятся пузырьки кислорода. Всё зависит от материала анода, катода и от состава электролита.
Особый интерес представляет случай, когда электролит — раствор серной кислоты в воде, а электроды сделаны из платины. При пропускании электрического тока у электродов выделяются газы, причём у катода — водород, у анода — кислород. По мере течения процесса уровень электролита непрерывно понижается, то есть концентрация серной кислоты возрастает. В конце концов остаётся чистая серная кислота. Куда же делась вода?
Оказывается, в процессе электролиза она разложилась на составные элементы — водород и кислород, которые и выделялись у электродов.
Долгое время оставалось неясным: каким образом переносятся электрические заряды в электролитах? Объяснение было найдено в 1887 году, когда известный шведский химик Аррениус разработал свою знаменитую теорию электролитической диссоциации.
Основной смысл этой теории в том, что при растворении вещества, например серной кислоты, в воде в получившемся электролите образуется огромное количество положительно и отрицательно заряженных частичек — ионов. Если этот электролит подключить к электрической цепи с батареей, ионы приходят в движение, причём положительные движутся к катоду, а отрицательные к аноду. А это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток. И вот ионы, эти электрические «странники», прибыли к «месту назначения»: один к аноду, другой к катоду. Что же происходит дальше? В результате химической реакции на аноде образуется кислород. На катоде — водород.
Теперь ясно, что конечный результат электролиза водного раствора серной кислоты — разложение воды на кислород и водород. Энергия для этого берётся от внешнего источника тока, то есть от батареи.
А возможен ли обратный процесс: соединение водорода с кислородом с образованием воды? Да, возможен. Химики знают: если поджечь смесь этих газов, то раздастся сильный взрыв. Химическая энергия выделится в виде теплоты и звука. Но если этот же процесс будет протекать в электрохимических элементах, то химическая энергия будет непосредственно превращаться в электрическую. В этом-то и состоит принцип действия так называемого водородно-кислородного топливного элемента.