Электр машиналарындағы электрохимиялық қолданыстарды талқылайтын мысал сұрақтар
Пендахулуан
Электрохимия - электр энергиясы мен химиялық өзгерістер арасындағы байланысты зерттейтін химия саласы. Электрохимияның нақты өмірде қолданылуының бірі - электр көліктерінде батареяларды немесе электрохимиялық элементтерді пайдалану. Бұл батареялар электр көліктерінің жұмысын қамтамасыз ететін маңызды компоненттер болып табылады. Келесі мақалада электр көліктеріндегі батареялардың қызметі, сондай-ақ электр көліктерінде электрохимияны қолдануға қатысты бірнеше мысал мәселелер мен талқылаулар түсіндіріледі.
Электр машиналары және электрохимия
Электромобиль – бұл электр энергиясын қуат көзі ретінде пайдаланатын көлік құралы. Бұл электр энергиясы автомобильдің ішіндегі батареяларда немесе электрохимиялық ұяшықтарда сақталады. Электромобиль батареялары, әдетте, жоғары энергия тығыздығына және басқа батарея түрлеріне қарағанда ұзақ қызмет ету мерзіміне ие литий-ионды (Li-ion) батареялар болып табылады.
Электрохимия тұрғысынан литий-ионды аккумуляторлар тотығу-тотықсыздану (тотықсыздану-тотықсыздану) реакциясы негізінде жұмыс істейді. Аккумулятор зарядталған кезде литий иондары катодтан анодқа ауысады. Керісінше, аккумулятор электр көлігін қуаттандыру үшін пайдаланылған кезде, литий иондары анодтан катодқа қайта ауысып, автомобильдің электр қозғалтқышын қуаттандыратын электр тогын тудырады.
Талқылау сұрақтарының үлгісі
Төменде электрохимияны электромобильдерде қолдануға қатысты бірнеше мысал сұрақтар мен талқылаулар берілген.
1-сұрақ: Батареяда сақталған энергияны есептеу
Сұрақ:
Электромобиль аккумуляторының сыйымдылығы 75 кВт/сағ (киловатт-сағат). Аккумуляторда сақталған электр энергиясының мөлшерін джоульмен (Дж) есептеңіз.
Талқылау:
Киловатт-сағатпен өлшенген энергияны келесі түрлендіру арқылы джоульге айналдыруға болады:
\[ 1 \text{kWh} = 3.6 \times 10^6 \text{J} \]
Сонымен, батареяда сақталған энергия:
\[ 75 \text{kWh} \times 3.6 \times 10^6 \text{J/kWh} = 270 \times 10^6 \text{J} = 270 \text{MJ} \]
Сонымен, батареяда сақталған электр энергиясының мөлшері 270 миллион джоуль немесе 270 МДж (МегаДжоуль) құрайды.
2-сұрақ: Энергияны пайдалану тиімділігі
Сұрақ:
Электромобиль 300 км жүру үшін 270 МДж энергия жұмсайды. Оның энергия тиімділігін км/МДж-мен есептеңіз.
Талқылау:
Энергияны пайдалану тиімділігін жүріп өткен қашықтықты жұмсалған энергияға бөлу арқылы есептеуге болады:
\[ Тиімділік = \frac{\text{Жүріп өткен қашықтық}}{\text{Жұмсалған энергия}} \]
Белгілі мәндерді ауыстырыңыз:
\[ Тиімділік = \frac{300 \text{km}}{270 \text{MJ}} \шамамен 1.11 \text{ km/MJ} \]
Сонымен, электромобильдің энергия тиімділігі шамамен 1.11 км/МДж құрайды.
3-сұрақ: Кулондағы батарея сыйымдылығы
Сұрақ:
Электромобиль аккумуляторының кернеуі 400 В және сыйымдылығы 75 кВт/сағ. Аккумулятордың сыйымдылығын Кулонмен (Кл) есептеңіз.
Талқылау:
Джоульдегі энергияны келесі формула бойынша есептеуге болады:
\[ E = Q \рет V \]
Мұндағы \(E\) - джоульмен берілген энергия, \(Q\) - кулонмен берілген заряд, ал \(V\) - вольтпен берілген кернеу. Біріншіден, бірінші есептегідей, энергияны кВт/сағ-тан джоульге түрлендіреміз:
\[ 75 \text{kWh} = 270 \times 10^6 \text{J} \]
Содан кейін жүктемені есептеу үшін жоғарыдағы формуланы қолданамыз:
\[ Q = \frac{E}{V} = \frac{270 \times 10^6 \text{J}}{400 \text{V}} = 675000 \text{C} \]
Сонымен, батарея сыйымдылығы 675000 кулон.
4-сұрақ: Литий-ионды батареялардағы электрохимиялық реакциялар
Сұрақ:
Литий-ионды аккумуляторды зарядтау және разрядтау кезінде жүретін электрохимиялық реакцияларды түсіндіріңіз.
Талқылау:
Литий-ионды батареяларда зарядтау және разрядтау процесі литий иондарының анод пен катод арасында электролит арқылы қозғалуын қамтиды.
1. Зарядтау кезінде:
– Катодтағы реакция:
\[ \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{Li}_2\text{CoO}_2 \]
– Анодтағы реакция:
\[ \text{LiC}_6 \rightarrow 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
Мұндай жағдайларда литий иондары катодтан (LiCoO2) анодқа (әдетте графиттен, C2-ден жасалған) ауысады және электрондар электрлік бейтараптықты сақтау үшін сыртқы тізбек арқылы анодқа ағады.
2. Босату кезінде:
– Катодтағы реакция:
\[ \text{Li}_2\text{CoO}_2 \rightarrow \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
– Анодтағы реакция:
\[ 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{LiC}_6 \]
Мұндай жағдайларда литий иондары анодтан катодқа қайта ауысады, ал электрондар сыртқы тізбек арқылы анодтан катодқа қайта ағып, электр қозғалтқышын басқару сияқты сыртқы жұмысты орындайды.
5-сұрақ: Қуат және зарядтау уақыты
Сұрақ:
Егер зарядтау станциясының қуаты 50 кВт болса, 75 кВт/сағ электр көлігінің аккумуляторын бос күйінде толық зарядтау үшін қанша уақыт кетеді?
Талқылау:
Зарядтау уақытын батарея сыйымдылығын зарядтау станциясының шығыс қуатына бөлу арқылы есептеуге болады:
\[ Уақыт = \frac{\text{Батарея сыйымдылығы}}{\text{Шығыс қуаты}} \]
Белгілі мәндерді ауыстырыңыз:
\[ Уақыт = \frac{75 \text{kWh}}{50 \text{kW}} = 1.5 \text{ сағат} \]
Сонымен, батареяны бос күйінен толық зарядтау үшін қажетті уақыт 1.5 сағатты құрайды.
Қорытынды
Электр көліктерінде электрохимияны қолдану химияны қазіргі заманғы энергетикалық мәселелерді шешу үшін қалай қолдануға болатынының нақты мысалы болып табылады. Электр көліктеріндегі негізгі энергия сақтау компоненті болып табылатын литий-ионды батареялар тотығу-тотықсыздану реакцияларын қамтитын электрохимиялық принциптер бойынша жұмыс істейді. Сыйымдылық пен энергия тиімділігін есептеу арқылы біз электр көліктерінің қалай жұмыс істейтінін және жұмыс істейтінін тереңірек түсіне аламыз. Жоғарыда талқыланған мысал есептері электрохимияны электр көліктерінде қолдануға қатысты есептеулер мен негізгі ұғымдарға жалпы шолу жасайды деп күтілуде.
