Почему батареи ставят внизу: почему батареи центрального отопления ставят обычно под окнами?

Содержание

физика расставит все по местам

Рассмотрим, почему принято ставить батареи именно под окном. Одни говорят, что такое расположение радиаторов необходимо для правильного функционирования центральной системы отопления. Другие пугают конденсатом на окнах и плесенью. Вспомним школьный курс физики и во всем разберемся.

Почему батареи отопления у нас ставят именно под окном

Как правило, теплопроводность оконного блока значительно выше теплопроводности стен. Если говорить по-простому, стены «теплее», а через окна идут самые большие теплопотери. Теперь из школьного курса физики вспомним, что такое конвекция.

Конвекция — это вид теплообмена, при котором энергия переносится потоками газа (или жидкости). Потоки более холодного газа (воздуха) направлены вниз, а более теплый воздух поднимается вверх.

Если батареи нет, возле холодного окна комнатный воздух остывает и его поток идет вниз. Он, конечно, нагреется, когда дойдет до ближайшего источника тепла. При этом мы получим большую разницу температур в разных зонах комнаты: внизу холоднее, а вверху теплее.

Если батареи нет под окном, холодный воздух скапливается у пола.

Когда под окном стоит радиатор отопления, он сразу нагревает нисходящий поток холодного воздуха. Направление конвекционного потока меняется. Восходящий поток теплого воздуха от батареи служит своеобразной тепловой завесой, которая препятствует проникновению холодного воздуха в комнату. 

Снижается перепад температур в разных точках комнаты — в доме становится комфортнее.

Когда под окном установлен радиатор, холодный воздух нагревается и уже теплым поднимается вверх.

Если радиатор поставить не под окном, что будет

Вы замерзнете

Одним из аргументов установки батареи под подоконником становится переохлаждение комнаты в зимний период. Да, действительно, если просто перенести радиатор куда-нибудь на внутреннюю стену, конвекция будет неоптимальной. Внизу, там, где мы обычно сидим на диване или лежим на кровати, будет некомфортно — ощутимо холоднее.

Не забываем, что есть альтернативные способы отопления помещения, когда монтируют теплый пол, устанавливают инфракрасные потолочные светильники и т.д. При правильной организации системы можно получить комфортную температуру и без радиатора под подоконником.

Учитываем также особенности климата. В теплых регионах отсутствие батареи под окном будет менее критичным.

На окнах появится конденсат, а со временем плесень

Если при традиционной системе отопления убрать радиатор из-под подоконника, существенно снизится температура оконной рамы и стеклопакета. Это способствует появлению так называемой «точки росы», при которой на окнах проступает конденсат

Однако все сильно зависит от влажности внутри помещения и климатической зоны. Проблема с появлением конденсата, сырости и плесени на оконных откосах более актуальна для северных регионов.

Если вы меняете окна, отсутствие радиатора под подоконником может стать причиной отказа в гарантии. Если появится конденсат или сырость, недобросовестные мастера могут списывать на отсутствие батареи. Хотя истинная причина может быть в некачественном изделии или монтаже. Доказать обратное бывает сложно.

Расположение батареи оказывает большое влияние на правильную работу центральной системы отопления. Не следует просто так убирать ее из-под окна.

Почему батареи ставят под окнами и как правильно установить радиатор отопления под окном

Качество обогрева напрямую зависит от расположения отопительных приборов.

Казалось бы, ну какие здесь могут быть проблемы: строители все давно за нас решили. В том-то и беда, что не все строители «вешают» радиаторы верно. А жить с этими батареями — вам.

Мебельная студия Автор

Пример в доказательство моего тезиса — этот радиатор у входа в квартиру. Отопительный прибор появился здесь явно не в результате работы профессионалов. И дизайнеру проекта пришлось его маскировать от безысходности — перенос вряд ли был возможен.

Думаете, единичный случай? — О, как вы ошибаетесь!

Екатерина Нестеренко

На фото: случай, когда застройщик явно перепутал стены. Фото с сайта butovopark.com

Konstantinova Tatiana

Почему батареи ставят под окнами
А не рядом с ними, не на расстоянии метра, не в дальней части комнаты? Для ответа достаточно открыть школьный учебник физики.

Плоскость окна гораздо холоднее внутренней поверхности наружной стены здания. Например, у современных зданий сопротивление теплопередаче наружных стен, как правило, составляет 3,0…3,5 кв.м град/Вт, а у окон — всего 0,6…0,7 кв.м град/Вт. То есть окна в несколько раз холоднее стен.

В физике есть такое понятие, как конвекция — движения воздуха с разной температурой. Теплый воздух легче холодного: он поднимается вверх. А тяжелый холодный воздух соответственно опускается вниз.

m. kunyakina

Как должно быть: Зимой при контакте с прохладным стеклом комнатный воздух охлаждается и «стекает» вниз, к подоконнику.

Упираясь в подоконник, холодный воздух может повернуть в сторону комнаты (иногда это видно по колыханию легких занавесок). И может спуститься на пол возле окна. Само по себе это не страшно. Но если в этой зоне стоит рабочий стол, кровать или играют дети — холодный воздух становится проблемой. Находиться здесь будет не только неприятно, но и опасно.

Вот поэтому радиаторы и ставят под окнами. Вот потому максимально «укорачивают» подоконники (как на фото). Холодный воздух от окна опускается к батарее, нагревается и стремится подняться вверх, блокируя прохладные потоки. Сидеть недалеко от такого окна вполне комфортно.

Борис Бутцев

На этом рисунке показаны направления воздушных потоков около окна зимой. Видно, что они отличаются при разной глубине установки окон. Автор этой и следующих схем кандидат технических наук А. Д. Кривошеин, институт СибАДИ (г. Омск)

Борис Бутцев

Здесь показано распределение температур зимой на обычном пластиковом окне с двухкамерным стеклопакетом. Видно, насколько поверхность окна холоднее воздуха в помещении

AB Architects

А зачем окну теплый воздух от радиатора?
Чтобы не было запотевания и плесени на откосах. Восходящий поток теплого воздуха подогревает стеклопакет, снижая риск появления конденсата. И за счет такой циркуляции в квартире создается комфортный микроклимат, улучшает эффективность отопительной системы.

ОБ ЭТОМ…
Конденсат и грибок: Почему потеют окна и как это исправить

Борис Бутцев

На схеме распределение температур зимой у окна с работающим приточным клапаном. Видно, что зона низких температур находится только у корпуса клапана достаточно высоко от пола. Виден «язык» тёплого воздуха, выходящего от прибора отопления. Подоконник совсем немного перекрывает прибор отопления

Вывод: При перепланировке во время ремонта не стоит переносить приборы отопления из-под окна на боковую стену. Отапливать помещение в целом они продолжат, но около окна вы получите «холодную зону».

Corkstyle

Пример на фото: ситуация, в которой чаще всего переносят радиаторы от окна на стену — присоединение лоджии. Пример, когда подоконный блок демонтировать запретили (и радиатор остался на старом месте)

Nataly Komova

Проблема 1: радиатор невозможно повесить под окном
На фото выше — пример присоединенной к комнате лоджии, когда все «по закону»: перепланировку согласуют, только если радиатор останется за пределами лоджии.

Но ведь мы только что объяснили, почему окну нужен поток теплого воздуха. Ведь за столом у такого окна будет холодно сидеть. Что делать?

Решение: Выход в такой ситуации — вешать или ставить под окно электроконвектор. Запрещено обогревать лоджию приборами центрального отопления. А использовать электрообогреватели — никто не запретит. Как и в случае с обычной батареей, лучшее место для него (или масляного обогревателя, или любого другого типа электрообогревателей) — под окном.

Алеся Семилетова

На фото — вариант присоединения лоджии с размещением радиаторов по стенам от прежнего оконного блока. Для того чтобы сидеть в кресле у окна было комфортно, необходим электроконвектор — в зоне «бывшей» лоджии

Uliana Grishina | Photography

Проблема 2: радиатор рядом с дверью на лоджию
По сути это разновидность предыдущей проблемы. При присоединении лоджий цель хозяев не всегда увеличить площадь помещения. Иной раз речь всего лишь о замене блока с окном на французские двери в пол. Остекление на прежнем месте, но для радиатора места не нашлось.

В этой ситуации показаны только внутрипольные конвекторы.

Екатерина Нестеренко

Фото с сайта couo.ru

Внутрипольный конвектор (на фото выше) устанавливается непосредственно под окном и работает как обычная (только невидимая) батарея. Такой конвектор может использоваться в качестве основной системы отопления даже в помещении с французскими окнами, но выбирать нужно модель с принудительной конвекцией — вентилятором.

ОБ ЭТОМ…
Хороший вопрос: Как выбрать внутрипольный конвектор для квартиры

Надя Кармин

Кстати: Как поставить батарею у французского окна? Вообще-то, точно так же, как и у обычного. Причем когда стоят панорамные окна, отопление должно быть интенсивнее — из-за высоких теплопотерь. И лучше всего создать у окна тепловую завесу — она будет препятствовать теплообмену между холодным воздухом, идущим от окна, и теплым внутри квартиры.

soak.com

Проблема 3: размеры радиатора и его положение
Случается, что радиатор, установленный под окном, слишком короткий. Он не обеспечивает необходимый нагрев помещения, да и конденсат на окне в таком случае не редкость. Что делать?

Как правильно установить батарею отопления под окном
В идеале прибор отопления должен быть равен ширине окна или же занимать бОльшую часть оконного проема. Это поможет избежать гуляния сквозняков, а заодно предотвратит отсыревание откосов.

Важно: Если по каким-то причинам под вашим окном установлена слишком короткая батарея, не торопитесь менять ее на другую. Радиатор увеличенной длины (и теплоотдачи) может нарушить систему отопления, продуманную застройщиком. Получится, что вы «воруете» тепло у соседей. Лучше закажите проект отопления у проектировщиков дома. Они лучше знают возможности установленной системы и помогут найти решение без ущерба для других жильцов.

Дизайн-студия «Gradiz»

Если же батарея, на ваш взгляд, слишком длинная, выходов два. Первый и самый простой — установить на радиатор терморегулятор. Он поможет поддерживать в комнате комфортную температуру и при этом обойтись без конвекционных сквозняков.

Второй — более технологичный — подключить систему «Умный дом» или ее элементы: автоматика будет сама отслеживать температуру в помещении и регулировать при необходимости. На фото выше: выключатели со встроенным температурным датчиком, отслеживающим нагрев помещения.

Uglova Design

Проблема 4: экран на радиатор «для красоты»
Правильный экран не просто «уродливую батарею загораживает» — он всегда работает (в паре с подоконником) на то, чтобы прогретый воздух беспрепятственно поднимался вверх и обдувал стекло. Как следствие, на стекле не будет конденсата и обмерзания, а на откосах — плесени.

Проверьте, все ли верно с вашим экраном на радиатор.

  • Холодный воздух поступает к радиатору через щель у пола (см. фото).
  • Экран не слишком плотный, то есть прикрывая, он не блокирует радиатор полностью.
  • Теплый воздух поднимается вверх через отверстия в подоконнике (пример ниже).

Екатерина Нестеренко

Хорошее решение: есть возможность поступления воздуха к прибору отопления снизу и выхода нагретого воздуха вверху. Фото с сайта indizajn.ru

Екатерина Нестеренко

Неудачное решение: прибор отопления блокирован, нет щели внизу (у пола) и каналов выхода тёплого воздуха вверх. Фото с сайта viewout.ru

Yuri Grishko

Анастасия Бархатова

Закрыть батарею под окном декоративным экраном, конечно, можно. Главное — чтобы экран не мешал воздуху попадать к нагретым поверхностям и уходить вверх. То есть декоративная планка должна быть с перфорацией — не только сверху, но и по всей ее поверхности.

Наталия Спивак и Надежда Борцова

По фото не всегда понятно, только ли в нижней части экрана сделали отверстия. Или корректно учли технологические выходы в подоконнике. При условии, что столешница-подоконник имеет отверстия для «обдува» окна — это правильный экран для батареи

Проблема 5: подоконник блокирует радиатор
От подоконника лучше избавиться совсем. Но вряд ли с этим согласятся любители цветов или посиделок на окне (многие специально устраивают здесь лежанку, чтобы читать или любоваться видами).

Alexey Trofimov Photography

Запомните формулу идеального подоконника: он должен перекрывать прибор отопления не больше, чем на 1/3…1/2 ширины прибора отопления. Только тогда тёплый воздух сможет свободно выходить из-под подоконника вверх.

В очень широких подоконниках (такие бывают в домах с толстыми кирпичными стенами) необходимо делать специальные вентиляционные отверстия, чтобы теплый воздух от радиатора мог подниматься прямо к оконному блоку.

bearmade.ru

На фото: такой подиум или скамья под окном — интересное решение. Обратите внимание: по всему периметру широкого подоконника сделаны вентиляционные отверстия на окне не будет скапливаться конденсат, а сидящий рядом человек не будет страдать от сквозняков

INT2architecture

На фото: здесь формально к радиатору достаточно доступа со всех сторон, и даже «крышка» металлического комода — сетчатая. Я бы вот только убрал с нее цветочницу. Или сдвинул ближе к краю, оставив между ней и окном зазор для теплого воздуха

Проблема 6: мойка / мебель под окном
Или любая другая корпусная мебель с фасадами вроде встроенного комода, секции кухни или тумбы для раковины.

Дина Александрова

Под каждым окном должен быть собственный радиатор. Но так бывает далеко не во всех домах — один застройщик знает почему.

Владелец квартиры решает использовать пространство под окном и устанавливает мебель, ограничивая доступ теплого воздуха от прибора отопления к окну. И сразу возрастает риск появления конденсата на окне и плесени на откосах.

Что делать: В ситуациях, когда прибор отопления предусмотрен не был, а мебель в комнате иначе чем под окно не поставить — подумайте про утепление откосов. Если не можете организовать «обдув» теплым воздухом, хотя бы исключите промерзание.

Олеся Олейникова

Проблема 7: плотные шторы
Шторы не должны мешать движению теплого воздуха от прибора отопления к окну. Когда они свисают по сторонам от окна и не перекрывают радиатор — проблем нет.

Но вспомните фото из начала статьи: первое, что хочется сделать с теми радиаторами на стене — закрыть их плотной шторой. Вот этого точно делать не стоит.

Dasha Kaluja

Длинная плотная штора, закрывающая окно, существенно уменьшит теплоотдачу от радиатора — в комнате станет заметно прохладнее. А значительная часть нагретого батареей воздуха будет расходоваться на обогрев улицы.

Что делать: Вешать римские или рулонные шторы. Они не должны быть длинной до пола и не должны касаться края подоконника. В противном случае шторы будут блокировать подсос воздуха с уровня пола к прибору отопления и подачу теплого воздуха к окну.

Грета Вульф — Greta Wolf

Проблема 8: ванна под окном — как быть с радиатором
Ванная комната — то место, где сквозняки особенно опасны, а влажность — гораздо выше, чем в жилом помещении. Поэтому отопление в ванной с окном должно решать две задачи: препятствовать появлению конденсата на окне и устранению конвекционных сквозняков. Со всем этим способны справиться и обычная батарея, и внутрипольный конвектор. Установить его можно в нишу под батарею под окном, а для выхода горячего воздуха проделать в подоконнике вентиляционные отверстия.

ВАША ОЧЕРЕДЬ…
Если у вас остались вопросы о том, как правильно повесить радиатор или где расположить батарею под окном — задавайте их в комментариях

В каком направлении движутся электроны в батарее. | Физика Фургон

Категория Выберите категориюО фургоне физикиЭлектричество и магнитыВсе остальноеСвет и звукДвижение вещейНовая и захватывающая физикаСостояния материи и энергииКосмосПод водой и в воздухе

Подкатегория

Поиск

Задайте вопрос

Последний ответ: 22.10.2007

Вопрос:

Перетекают ли электроны от положительного конца батареи к отрицательному (через простую последовательную цепь) или от отрицательного конца к положительному?
— Майк
Pocatello, Id

A:

Электроны заряжены отрицательно, поэтому притягиваются к положительному концу батареи и отталкиваются от отрицательного конца. Поэтому, когда батарея подключена к чему-то, что позволяет электронам течь через нее, они текут от минуса к плюсу.

Вы можете задаться вопросом, почему электроны просто не текут обратно через аккумулятор, пока заряд не изменится настолько, что напряжение станет равным нулю. Причина в том, что электрон не может перемещаться с одной стороны на другую внутри батареи без химической реакции. Другими словами, внутри батареи простые электроны не могут перемещаться, потому что требуется слишком много энергии, чтобы перевести простой электрон в раствор. Электроны могут перемещаться внутри батареи только через заряженные химические вещества, ионы, которые могут растворяться на электродах. Химическая реакция толкает электроны внутри к отрицательному концу, потому что электроды на двух концах сделаны из разных материалов, которые имеют разную химическую стабильность. Таким образом, электроны текут ВОКРУГ цепи, к отрицательному концу внутри батареи, подталкиваемые химической реакцией, и к положительному концу во внешней цепи, подталкиваемые электрическим напряжением.

Электрический ток может протекать и в аккумуляторе по-другому, если аккумулятор подключен к чему-то с большей разницей напряжений (например, к зарядному устройству).

Том (и Майк)

(опубликовано 22.10.2007)

Дополнение №1: Химия батареи

Вопрос:

схема?
— shahzad
pakistan

A:

хороший вопрос — мы изменили ответ выше, чтобы попытаться включить в него хотя бы часть ответа.

Mike W

(опубликовано 22.10.2007)

Дополнение № 2: как ведут себя электроны?

Вопрос:

Здравствуйте. У меня было бы 3 вопроса: 1. Электроны, генерируемые в одном типе электролита (А), толкают электроны в проводнике (как в автомобилях бампер к бамперу), когда цепь замкнута, и, таким образом, начинают перемещаться от одного электрода к другому. Теперь, когда они попадают из этого электролита А через проводник, достигая электрода назначения, ПОПАДАЮТ ЛИ ЭТИ ЭЛЕКТРОНЫ В ЭЛЕКТРОЛИТ, СОЕДИНЯЯСЬ С ИОНАМИ, ИЛИ ОНИ ПРОСТО ОСТАЮТСЯ НА САМОМ ЭЛЕКТРОДЕ? что касается электролитов, я имею в виду http://en. wikipedia.org/wiki/Galvanic_cell 2. Электроны обладают энергией — они вращаются. Это своего рода сумасшедшие прыжки вокруг места внутри атома — почти кажется, что они каждый раз во многих местах. Вопрос: где, черт возьми, они берут эту энергию для этого (Большого взрыва?)? Теряют ли они эту энергию со временем? — Они устают? 3. Существуют ли разные типы электронов — в зависимости от их содержания?

— Мартин

А:

Это сложный, разнообразный набор вопросов.

1. Электроны в упомянутом вами конкретном гальваническом элементе соединяются с ионами Cu ++ из раствора, образуя простые атомы Cu, которые сидят на медном электроде.

2. Электроны, как и все мелкие вещи, действительно представляют собой расплывчатые волны, не расположенные в одном конкретном месте. Представление о том, что они всегда прыгают, как если бы они были сначала где-то, а потом где-то еще, неверно для электронов, которые устроились в волновых структурах в атомах.

Однако (и это должно показаться странным, прежде чем вы немного изучите квантовую механику) даже в этих стабильных структурах электроны обладают некоторой кинетической энергией. Что еще более важно, будь то классический или квантовый, энергия сохраняется. Он не исчезает. Его крупномасштабные организованные формы постепенно перетекают в формы меньшего масштаба, допуская большое разнообразие возможных состояний. (Это следствие второго закона термодинамики.) Как бы то ни было, вся эта энергия существует со времен Большого взрыва, как вы предполагали.

Спин электрона — это нечто иное, часть того, что делает что-то электроном, и он остается неизменным, пока электрон не аннигилирует.

3. Нет, электроны на самом деле все одинаковые. Это не просто философское утверждение. Электроны — это разновидность частиц, называемых фермионами, для которых никакие две идентичные частицы не могут иметь абсолютно одинаковое квантовое состояние. Если вы выберете некоторый пространственный волновой паттерн, в нем может быть только два электрона — по одному для каждого отдельного спинового состояния.

Это имеет огромные последствия. Например, это единственная причина, по которой все электроны в атоме не накапливаются в скучном низкоэнергетическом шаре рядом с ядром, так что это объясняет всю химию и, следовательно, жизнь.

Mike W.

(опубликовано 06.05.2011)

Дополнение №3: электроны в батарее фактическая сама ячейка, как только она подключена к зарядному устройству для зарядки аккумулятора?? я говорю о самой клетке, потому что в сети нет ничего, что могло бы дать ответ уровня, который я искал. Спасибо


— Sohail (23 года)
Австралия

A:

По сути, внутри батареи нет потока отдельных свободных электронов. Однако существует чистый поток электронов, поскольку ионы включают в себя электроны. Например. рассмотрим медный электрод. Когда батарея заряжается, электроны поступают из зарядного устройства, а ионы Cu

++ поступают из раствора. Поскольку в этих ионах все еще есть электроны, существует поток электронов. Точно так же любые отрицательные ионы, движущиеся к другому электроду, также несут электроны. Нет правила, требующего, чтобы эти два потока электронов сокращались.

Майк В.

(опубликовано 18.07.2012)

Дополнение №4: электроны в аккумуляторной жидкости?

Q:

Я все еще думаю, почему электроны не могут течь через электролит? В случае ионно-литиевой батареи ясно, что электролит состоит из органической жидкости, которая является изолятором для электричества, но проводником для ионов, но такие батареи, как свинцово-кислотные батареи, содержат воду и серную кислоту в электролитном отсеке. Почему электроны не могут пройти через этот электролит и вызвать короткое замыкание батареи?
— Shoaib (возраст 26)
Корея

A:

На самом деле раствор H 2 O-H 2 SO 4 очень похож на жидкость в других батареях, поскольку отдельные электроны почти нерастворимы в нем. Ионам гораздо легче течь в ней, а электронам — через остальную часть электрической цепи.

Майк В.

(опубликовано 31.07.2012)

Дополнение к этому ответу

Связанные вопросы

  • Capacitors and charge

  • completing circuits

  • wiring up bulb

  • magnets and LED in parallel

  • long-running LED

  • too many batteries for bulb

  • Powering две цепочки гирлянд

  • батарейки и лампочки

  • питание светодиода

  • мемристоры

Все еще интересно?

Вопросы и ответы по Expore в связанных категориях

  • Схемы и батареи

Как работает батарея — Любопытно

Представьте себе мир без батареек. Все те портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы такими ограниченными! Мы смогли бы донести наши ноутбуки и телефоны только до предела досягаемости их кабелей, что сделало бы это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, довольно бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не были батареи, а использовались в основном для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в каком мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать точку зрения другого итальянского ученого, Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, будут дергаться при прикосновении к ним зондом из какого-либо другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Луиджи Гальвани обнаружил, что лапки лягушек, подвешенных на латунных крючках, дергались, если их проткнуть зондом из другого металла. Он думал, что эта реакция была вызвана «животным электричеством» внутри лягушки. Источник изображения: Луиджи Гальвани / Wikimedia Commons.

Вольта, поначалу впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит из двух разных типов металла (крючков, на которых висят лягушки, и другого металла зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанными соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно протекал по проводу, прикрепленному к обоим концам стопки.

Батарея Алессандро Вольта: груда цинковых и серебряных листов с вкраплениями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой. Представьте, что вы используете это для питания вашего телефона. Источник изображения: Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons.

Вольта также обнаружил, что, используя различные металлы в куче, можно увеличить величину напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. ‘ (мера электрического потенциала) названа в его честь.

Я сам, если не считать шуток, поражаюсь тому, как мои старые и новые открытия… чистого и простого электричества, вызываемого контактом металлов, могли вызвать такой ажиотаж. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра, да и с дергающимися лягушачьими лапками?

Химия батареи

Батарея представляет собой устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество. Это известно как электрохимия, а система, которая лежит в основе батареи, называется электрохимической ячейкой. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в исходной куче Вольты) электрохимических элементов. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Так откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов. В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), а затем перетекают на другой электрод, где они расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно поближе взглянуть на компоненты клетки и на то, как они собираются вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли из и куда-то, чтобы электроны текли в . Это электроды клетки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Как правило, это различные типы металлов или других химических соединений.

В батарее Вольта анодом был цинк, от которого электроны текли по проводу (при подключении) к серебру, которое было катодом батареи. Он сложил множество этих элементов вместе, чтобы сделать общую кучу и поднять напряжение.

Но откуда анод получает все эти электроны? И почему они так счастливы, что их весело отправляют на катод? Все сводится к химии, которая происходит внутри клетки.

Происходит несколько химических реакций, которые нам нужно понять. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате которой образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Тем временем на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин для обозначения реакции, включающей обмен электронами, представляет собой реакцию восстановления-окисления, чаще называемую окислительно-восстановительной реакцией. Всю реакцию можно разделить на две полуреакции, а в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, другая на катоде. Восстановление — это присоединение электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается в ходе реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности/эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее сила в перетягивании каната электронами.

  • Стандартные потенциалы для полуреакций

    Ниже приведен список полуреакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E 0 ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородная полуреакция имеет Е 0 нуля). E 0  измеряется в вольтах.

    Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их для создания электрохимической ячейки, значения E 0 скажут вам, каким образом будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательное значение E 0 отдаст свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E 0 говорит вам об электрохимическом потенциале вашей клетки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.

    Итак, если вы возьмете литий и фтор и сумеете соединить их, чтобы сделать элемент батареи, вы получите максимальное напряжение, теоретически достижимое для гальванического элемента. Этот список также объясняет, почему в куче Вольта цинк был анодом, а серебро катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E 0 (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

    Стандартные потенциалы полуреакций восстановления

    (по отношению к стандартному водородному электроду при 25°C)

    Е° (В)
    Li + (водный) + e Li(s) –3,040
    Be 2+ (водн.) + 2e Be(s) –1,99
    Al 3+ (водн. ) + 3e Al(s) –1,676
    Zn 2+ (водный) + 2e Zn(s) –0,7618
    Ag 2 S(s) + 2e 2Ag(s) + S 2− (водн.) –0,71
    Fe 2+ (водн.) + 2e Fe(т) –0,44
    Cr 3+ (водн.) + e Cr 2+ (водн.) –0,424
    Cd 2+ (водн.) + 2e Cd(s) –0,4030
    PbSO 4 (тв) + 2e Pb(тв) + SO 4 2− (водн.) –0,356
    Ni 2+ (водн.) + 2e Ni(т) –0,257
    2SO 4 2− (водн.) + 4H + (водн.) + 2e S 2 O 6
    290960063 (водн.) + 2H 2 O(л)
    –0,25
    Sn 2+ (водн. ) + 2e Sn(s) −0,14
    2H + (водн.) + 2e H 2 (г) 0
    Sn 4+ (водн.) + 2e Sn 2+ (водн.) 0,154
    Cu 2+ (водн.) + e Cu + (водный) 0,159
    AgCl(тв) + e Ag(тв) + Cl (водн.) 0,2223
    Cu 2+ (водн.) + 2e Cu(s) 0,3419
    O 2 (г) + 2H 2 O(ж) + 4e 4OH (водн.) 0,401
    H 2 SO 3 (водн.) + 4H + (водн.) + 4e S(т) + 3H 2 O(л) 0,45
    I 2 (s) + 2e 2I (aq) 0,5355
    MnO 4 2− (водн. ) + 2H 2 O(ж) + 2e MnO 2 (тв) + 4OH (60062 − 90q) 0,6
    O 2 (г) + 2H + (водн.) + 2e H 2 O 2 (водный) 0,695
    H 2 SeO 3 (водн.) + 4H + + 4e Se(s) + 3H 2 O(ж) 0,74
    Fe 3+ (водн.) + e Fe 2+ (водн.) 0,771
    Ag + (водн.) + e Ag(s) 0,7996
    NO 3 (водн.) + 3H + (водн.) + 2e HNO 2 (водн.) + H 2 O(ж) 0,94
    Br 2 (водн.) + 2e 2Br (водн.) 1,087
    MnO 2 (т) + 4H + (водн.) + 2e Mn 2+ (водн. ) + 2H 2 O(л) 1,23
    О 2 (г) + 4H + (водн.) + 4e 2H 2 O(л) 1,229
    CR 2 O 7 2- (AQ) + 14H + (AQ) + 6E 2CR 3+ (AQ) + 7H 2 96262 3+ (AQ) + 7H 2 9662 3+ (AQ) + 7H 2

    166 2 .

    1,36
    Cl 2 (г) + 2e 2Cl (водн.) 1,396
    Ce 4+ (водн.)+e Се 3+ (водный) 1,44
    PBO 2 (S) + HSO 4 (AQ) + 3H + (AQ) + 2E PBSO 4 (S) + 2E 2 9063 (11110110111101110101111111111111111111010111010111011 (9081111111 (90811111111 (S) + PBSO 4 (S) + PBSO 4 (с) + 2E . 1,69
    H 2 O 2 (водн.) + 2H + (водн.) + 2e 2H 2 O(л) 1,763
    F 2 (г) + 2е 2F (водный) 2,87

    Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, вступающих в реакции с разными стандартными потенциалами, могут образовать электрохимическую ячейку, потому что более сильный сможет отбирать электроны у более слабого. Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбрали для своего катода. В итоге мы получаем, что электроны притягиваются к катоду от анода (и анод не пытается сильно сопротивляться), и когда у нас есть легкий путь туда — проводящий провод — мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического тока. питание на фонарик, телефон или что-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами примерно равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами. Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение батареи, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать разные материалы для наших электродов, которые придадут клетке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединены определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи. По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первой ячейки через все ячейки, содержащиеся в батарее, к катоду последней ячейки.

Когда ячейки объединены другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через ячейки, но не как их напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи. Помните бумажки Вольта, смоченные в соленой воде? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электроны имеют отрицательный заряд, и, поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ сбалансировать движение этого заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде приводит к образованию электронов, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не идут по внешнему проводу (это только для электронов!), а выбрасываются в электролит.

В то же время катод также должен уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он получает, поэтому происходящая здесь реакция должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (в качестве альтернативы она может также высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит).

Таким образом, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для передачи положительно заряженных ионов, чтобы сбалансировать отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов столь же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания всей реакции.

Теперь, если бы всем ионам, выпущенным в электролит, было позволено полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и засорили бы всю систему. Таким образом, у клетки обычно есть какой-то барьер, чтобы предотвратить это.

Показывать метки во время анимации Начать анимацию

При использовании батареи возникает ситуация, когда имеется непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановится. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, управляющие батареей, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах производятся новые химические продукты. Эти продукты реакции могут создать своего рода сопротивление, которое может помешать протеканию реакции с той же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и поток электронов прекращается. Аккумулятор медленно садится.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (известные как первичные или одноразовые батареи). Путешествие электронов от анода к катоду является односторонним. Либо их электроды истощаются, когда они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и дело сделано и запылено. Аккумулятор попадает в мусорное ведро (или, надеюсь, на переработку, но это совсем другая тема Nova).

Но. Преимущество этого потока ионов и электронов в том, что он имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. . Точно так же, как батареи изменили то, как мы можем использовать различные электрические устройства, перезаряжаемые батареи еще больше изменили полезность и срок службы этих устройств.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электроэнергии и отправляем энергию обратно в батарею, она обращает вспять химическую реакцию, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые принял катод, также возвращаются к аноду. Возвращение как положительных ионов, так и электронов обратно в анод запускает систему, поэтому она снова готова к работе: ваша батарея перезаряжена.

Показывать метки во время анимации Начать анимацию

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов из электролита обратно на соответствующий электрод по мере перезарядки аккумулятора происходит не так четко и не так хорошо структурировано, как электрод в первую очередь. Каждый цикл зарядки ухудшает состояние электродов еще немного, а это означает, что батарея со временем теряет производительность, поэтому даже перезаряжаемые батареи не могут работать вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов батареи становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда батарея разряжается/перезаряжается с высокой скоростью, например, если вы едете на своем электромобиле большими рывками, а не постоянно. Циклирование с высокой скоростью приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, в результате чего батарея становится менее эффективной.

 

Эффект памяти и саморазряд

Почти полностью обратимые реакции разрядки и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти». Когда вы перезаряжаете некоторые типы перезаряжаемых батарей, предварительно не разрядив их в достаточной степени, они «вспоминают», на каком уровне они были в предыдущих циклах разрядки, и не заряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как соль затем снова растворяется, а металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Способ формирования некоторых кристаллов очень сложен, и способ осаждения некоторых металлов во время перезарядки также удивительно сложен, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие. Несовершенства в основном зависят от состояния заряда батареи, температуры, зарядного напряжения и зарядного тока. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и т. д., и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на основе никеля. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают от этой проблемы.

Еще один аспект перезаряжаемых батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую склонность к саморазряду. Это когда внутри элемента батареи происходят внутренние реакции, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы батареи и заставляет ее умирать при хранении.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда, около 2–3 % в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они имеют тенденцию терять 4–6 %. в месяц. Аккумуляторы на основе никеля теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарь целый сезон, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет всего около 2–3 процентов своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, мощность… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, верно? Ну вроде. Но все они немного разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение батарею, проталкивает электроны через ячейку. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разности потенциалов между реакциями, происходящими на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет тянуть электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем большую работу может совершить одно и то же число электронов.

Ток = количество электронов, проходящих через любую точку цепи в данный момент времени. Чем больше сила тока, тем больше работы он может совершить при том же напряжении. Внутри ячейки вы также можете думать о токе как о количестве ионов, движущихся через электролит, умноженном на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем выше скорость, с которой батарея может работать — это соотношение показывает, насколько важны напряжение и ток для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания периода времени, в течение которого батарея сможет питать устройство. Аккумулятор большой емкости сможет работать в течение более длительного периода, прежде чем разрядится или разрядится. У некоторых аккумуляторов есть небольшая грустная особенность: если вы попытаетесь извлечь из них слишком много слишком быстро, вовлеченные химические реакции не смогут продолжаться, и емкость уменьшится! Таким образом, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи и помнить, для чего она будет использоваться.

Другой популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, какую отдачу вы получаете за свои деньги с точки зрения мощности и размера. С аккумулятором, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, так как это означает, что аккумулятор может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда он нужен для питания чего-то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемой электростанции, такой как ветряная или солнечная электростанция, высокая плотность энергии не является большой проблемой, так как у них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей. Основной целью такого использования было бы просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Видео: Как работают аккумуляторы? (TED-Ed/YouTube). Посмотреть подробности и расшифровку.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) можно использовать в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию. Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы кладете их вместе в элемент батареи.

About the author

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *