Номер 10, страница 148, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Тепловые двигатели. Параграф 37. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 10, страница 148.

Условие.

• Вода — топливо будущего.

Решение.

Данное утверждение является популярным, но с научной точки зрения требует существенных уточнений. Вода сама по себе не может служить топливом, однако она является ключевым сырьем для получения перспективного энергоносителя — водорода.

Почему вода не топливо?

Топливом называют вещество, способное вступать в реакцию (чаще всего горения) с выделением большого количества тепловой энергии. Вода, имеющая химическую формулу $H_2O$, является продуктом горения водорода. Это химически очень устойчивое соединение, находящееся на низком энергетическом уровне. Процесс горения водорода, в результате которого образуется вода, выглядит так:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{Энергия}$

Чтобы «сжечь» воду и получить энергию, ее нужно было бы окислить еще сильнее, что невозможно. Пытаться получить энергию из воды — это все равно что пытаться получить энергию из золы, оставшейся после сгорания дров. Согласно фундаментальным законам термодинамики, чтобы извлечь энергию из стабильного соединения, такого как вода, сначала необходимо затратить еще большее количество энергии на разрыв его химических связей.

Как из воды получить энергию? Роль водорода.

Хотя вода не топливо, она содержит водород — элемент, который является отличным топливом. Водород можно извлечь из воды с помощью процесса, называемого электролизом. Под действием электрического тока молекулы воды распадаются на водород и кислород:

$2H_2O + \text{Электрическая энергия} \rightarrow 2H_2 + O_2$

Полученный таким образом газообразный водород ($H_2$) можно хранить, транспортировать и использовать в качестве топлива. При его сгорании в двигателях или при использовании в топливных элементах для выработки электричества единственным продуктом реакции снова будет чистая вода. В этом смысле водород является идеальным экологически чистым топливом. Ключевой момент заключается в том, что водород в этой схеме выступает не как первичный источник энергии, а как энергоноситель или аккумулятор энергии. Энергия, которая высвобождается при сжигании водорода, — это, по сути, та энергия, которая была затрачена на электролиз воды (за вычетом неизбежных потерь).

Перспективы и проблемы.

Идея использования водорода, полученного из воды, как «топлива будущего» имеет огромные перспективы, но и сталкивается с серьезными вызовами. Во-первых, это экологичность производства: чтобы водород был «зеленым», электричество для электролиза должно вырабатываться из возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Во-вторых, это энергоэффективность: весь цикл «электричество-водород-энергия» связан со значительными потерями КПД. В-третьих, это хранение и транспортировка: водород очень легкий и летучий, что требует сложных и дорогих решений для его хранения (баллоны высокого давления, криогенные системы). В-четвертых, это необходимость создания совершенно новой глобальной инфраструктуры.

Ответ: Утверждение «Вода — топливо будущего» является образным выражением. Сама по себе вода ($H_2O$) не является топливом, так как она — стабильный продукт сгорания водорода. Однако вода служит практически неисчерпаемым источником для производства водорода ($H_2$) — высокоэффективного и экологически чистого энергоносителя. Таким образом, не вода, а водород, полученный из нее с помощью чистой энергии, может стать одним из ключевых элементов энергетики будущего. Перспективы этого направления зависят от решения технологических задач, связанных с удешевлением «зеленого» электролиза, а также созданием эффективных и безопасных систем хранения и транспортировки водорода.