Цахилгаан машинд электрохимийн хэрэглээний талаарх жишээ асуултууд
Пендахулуан
Электрохими нь цахилгаан энерги ба химийн өөрчлөлтүүдийн хоорондын хамаарлыг судалдаг химийн салбар юм. Электрохимийн бодит хэрэглээний нэг бол цахилгаан машинд батерей эсвэл электрохимийн эсийг ашиглах явдал юм. Эдгээр батерей нь цахилгаан машины ажиллагааг дэмждэг чухал бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Дараах нийтлэлд цахилгаан машинд батерейны үйл ажиллагаа, мөн цахилгаан машинд электрохимийн хэрэглээтэй холбоотой хэд хэдэн жишээ асуудал, хэлэлцүүлгийг тайлбарлах болно.
Цахилгаан машинууд ба электрохими
Цахилгаан машин гэдэг нь цахилгаан эрчим хүчийг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг тээврийн хэрэгсэл юм. Энэхүү цахилгаан энерги нь машины доторх батерей эсвэл электрохимийн эсүүдэд хадгалагддаг. Цахилгаан машины батерей нь ерөнхийдөө лити-ион (Li-ion) батерей бөгөөд бусад төрлийн батерейгаас илүү өндөр энергийн нягтралтай бөгөөд удаан эдэлгээтэй байдаг.
Электрохимийн хүрээнд лити-ион батерей нь исэлдэн ангижрах (бууралт-исэлдүүлэх) урвалын үндсэн дээр ажилладаг. Батерейг цэнэглэх үед литийн ионууд катодоос анод руу шилждэг. Үүний эсрэгээр, батерейг цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд ашиглах үед литийн ионууд анодоос катод руу буцаж шилжиж, машины цахилгаан моторыг ажиллуулдаг цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг.
Жишээ хэлэлцүүлгийн асуултууд
Цахилгаан машинд электрохимийн хэрэглээтэй холбоотой зарим жишээ асуулт, хэлэлцүүлгийг доор харуулав.
Асуулт 1: Батерейд хадгалагдсан энергийн тооцоо
Асуулт:
Цахилгаан машины аккумулятор нь 75 кВт.ц (киловатт-цаг) хүчин чадалтай. Аккумуляторт хадгалагдсан цахилгаан энергийн хэмжээг жоул (Ж)-ээр тооцоол.
Хэлэлцүүлэг:
Киловатт-цагаар илэрхийлсэн энергийг дараах хувиргалтыг ашиглан жоуль болгон хувиргаж болно.
\[ 1 \text{kWh} = 3.6 \times 10^6 \text{J} \]
Тиймээс батерейд хадгалагдсан энерги нь:
\[ 75 \text{kWh} \times 3.6 \times 10^6 \text{J/kWh} = 270 \times 10^6 \text{J} = 270 \text{MJ} \]
Тиймээс батерейд хадгалагдсан цахилгаан энергийн хэмжээ нь 270 сая жоуль буюу 270 МЖ (МегаЖоул) юм.
Асуулт 2: Эрчим хүчний хэрэглээний үр ашиг
Асуулт:
Цахилгаан машин 300 км зам туулахад 270 МЖ энерги зарцуулдаг. Түүний эрчим хүчний үр ашгийг км/МЖ-ээр тооцоол.
Хэлэлцүүлэг:
Эрчим хүчний хэрэглээний үр ашгийг туулсан зайг зарцуулсан энергид хувааж тооцоолж болно:
\[ Үр ашиг = \frac{\text{Туулсан зай}}{\text{Ашигласан эрчим хүч}} \]
Мэдэгдэж буй утгуудыг орлуулна уу:
\[ Үр ашиг = \frac{300 \text{km}}{270 \text{MJ}} \approx 1.11 \text{km/MJ} \]
Тиймээс цахилгаан машины эрчим хүчний үр ашиг нь ойролцоогоор 1.11 км/МЖ байна.
Асуулт 3: Кулон дахь батерейны багтаамж
Асуулт:
Цахилгаан машины аккумулятор нь 400 В хүчдэлтэй бөгөөд 75 кВт.ц хүчин чадалтай. Аккумуляторын багтаамжийг Кулоноор (C) тооцоол.
Хэлэлцүүлэг:
Жоул дахь энергийг дараах томъёогоор тооцоолж болно.
\[ E = Q \удаа V \]
Энд \(E \) нь жоулаар илэрхийлсэн энерги, \(Q \) нь кулоноор илэрхийлсэн цэнэг, \(V \) нь вольтоор илэрхийлсэн хүчдэл юм. Эхлээд бид эхний бодлогод хийсэн шиг энергийг кВт.ц-аас жоул болгон хувиргана:
\[ 75 \text{kWh} = 270 \times 10^6 \text{J} \]
Дараа нь бид дээрх томъёог ашиглан ачааллыг тооцоолно:
\[ Q = \frac{E}{V} = \frac{270 \times 10^6 \text{J}}{400 \text{V}} = 675000 \text{C} \]
Тэгэхээр батерейны хүчин чадал нь 675000 кулон юм.
Асуулт 4: Лити-ион батерей дахь электрохимийн урвалууд
Асуулт:
Лити-ион батерейг цэнэглэх болон цэнэггүй болгох үед явагддаг электрохимийн урвалуудыг тайлбарлана уу.
Хэлэлцүүлэг:
Лити-ион батерейд цэнэглэх, цэнэггүйжүүлэх үйл явц нь литийн ионуудыг анод ба катодын хооронд электролитоор дамжин хөдөлгөх үйл явц юм.
1. Цэнэглэх үед:
– Катод дахь урвал:
\[ \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{Li}_2\text{CoO}_2 \]
– Анод дахь урвал:
\[ \text{LiC}_6 \rightarrow 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
Ийм нөхцөлд литийн ионууд катодоос (LiCoO2) анод руу (ихэвчлэн бал чулуу, C-ээс бүрддэг) шилжиж, электронууд цахилгаан саармаг байдлыг хадгалахын тулд гадаад хэлхээгээр дамжин анод руу урсдаг.
2. Хоосон үед:
– Катод дахь урвал:
\[ \text{Li}_2\text{CoO}_2 \rightarrow \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
– Анод дахь урвал:
\[ 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{LiC}_6 \]
Ийм нөхцөлд литийн ионууд анодоос катод руу буцаж шилжиж, электронууд нь цахилгаан моторыг жолоодох гэх мэт гадны ажлыг гүйцэтгэхийн тулд анодоос катод руу гадаад хэлхээгээр буцаж урсдаг.
Асуулт 5: Тэжээл ба цэнэглэх хугацаа
Асуулт:
Хэрэв цэнэглэх станц 50 кВт чадалтай бол 75 кВт.ц цахилгаан машины батерейг хоосон байхад нь бүрэн цэнэглэхэд хэр хугацаа шаардагдах вэ?
Хэлэлцүүлэг:
Цэнэглэх хугацааг батерейны багтаамжийг цэнэглэх станцын гаралтын чадалд хувааж тооцоолж болно:
\[ Цаг = \frac{\text{Батерейны багтаамж}}{\text{Гаралтын чадал}} \]
Мэдэгдэж буй утгуудыг орлуулна уу:
\[ Цаг = \frac{75 \text{kWh}}{50 \text{kW}} = 1.5 \text{ цаг} \]
Тиймээс батерейг хоосон байдлаас бүрэн цэнэглэхэд шаардагдах хугацаа 1.5 цаг байна.
Дүгнэлт
Цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд электрохимийн хэрэглээ нь орчин үеийн эрчим хүчний асуудлыг шийдвэрлэхэд химийн аргыг хэрхэн ашиглаж болохын тодорхой жишээ юм. Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн гол эрчим хүч хадгалах бүрэлдэхүүн хэсэг болох литийн ион батерей нь исэлдэн ангижрах урвалыг хамарсан электрохимийн зарчмаар ажилладаг. Хүчин чадал болон эрчим хүчний үр ашгийн янз бүрийн тооцооллоор дамжуулан бид цахилгаан тээврийн хэрэгсэл хэрхэн ажилладаг, ажилладаг талаар илүү гүнзгий ойлголттой болж чадна. Дээр дурдсан жишээ бодлогууд нь цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд электрохимийн хэрэглээтэй холбоотой тооцоолол болон үндсэн ойлголтуудын ерөнхий тоймыг өгөх болно гэж найдаж байна.
