Wiek 8–12 · około 9 minut
Palladowe ogniwo Ponsa–Fleischmanna
Co pokazały pręt z palladu, ciężka woda i starannie prowadzony bilans ciepła?
Najpierw to zrób · Spróbuj tego w domu
Narysuj przestrzenie w metalu
Zacznij od rąk. Potem czytanie będzie o wiele jaśniejsze.
Potrzebujesz: Kartka i ołówek
Wykonane kroki: 0 z 3
Na co mam zwrócić uwagę?
Zwróć uwagę: To model rozmieszczenia. Nie pokazuje fuzji, nie wyjaśnia ruchu atomów i nie odtwarza ogniwa laboratoryjnego.
Czytaj dalej, żeby dowiedzieć się, dlaczego tak jest.
Wielka idea
Pons i Fleischmann zamienili małe metalowe ogniwo w pytanie z księgą energii: skąd wzięło się dodatkowe ciepło?
- fuzja
- Kiedy dwa maleńkie jądra łączą się w jedno i wypuszczają wybuch energii.
- sieć krystaliczna
- Równa, powtarzająca się kratka, w której siedzą atomy wewnątrz metalu.
- deuter
- Ciężka odmiana wodoru z jednym protonem i jednym neutronem w jądrze.
- kalorymetria
- Tak dokładne mierzenie ciepła, by można było prowadzić rachunek energii.
W 1989 roku Martin Fleischmann, Stanley Pons i Marvin Hawkins badali małe ogniwo palladowe. Opublikowana poprawka do artykułu dodała Hawkinsa do listy autorów. Badacze mierzyli ciepło i szukali produktów reakcji jądrowych.
Ogniwo zawierało ciężką wodę, której wodorem był deuter. Pręt palladowy był elektrodą ujemną, czyli katodą; platyna była elektrodą dodatnią. Prąd elektryczny wywoływał elektrolizę, która rozdzielała wodę i pozwalała deuterowi wnikać do palladu.
W metalu atomy tworzą powtarzający się układ zwany siecią krystaliczną. Deuter może zajmować przestrzenie między atomami palladu. Załadowanie określa, ile deuteru zawiera metal. Umieszczenie deuteru w metalu nie jest tym samym co połączenie jego jąder w reakcji fuzji.
Rachunek ciepła
Moc elektryczna dopływająca do ogniwa to natężenie prądu × napięcie: P_in = I × V. Natężenie określa przepływ ładunku w każdej sekundzie; napięcie — energię na jednostkę ładunku. Część energii elektrycznej staje się energią chemiczną wynoszoną przez gazy powstające podczas elektrolizy, zamiast zmieniać się w ciepło w ogniwie.
Badacze skalibrowali kalorymetr, przyrząd do mierzenia ciepła, za pomocą znanego ogrzewania. Zapisywali temperaturę i dopływ energii elektrycznej. Uwzględniali ciepło zgromadzone w ogniwie, ciepło tracone do otoczenia i energię przenoszoną przez wpływającą lub wypływającą materię. Zgromadzone ciepło liczy się raz, a nie jako dwie oddzielne straty.
Opisali ciepło przekraczające przewidywania ich skalibrowanego rachunku elektrochemicznego i nazwali różnicę nadmiarową entalpią. Kalorymetr obejmował całe ogniwo. Nie wskazywał bezpośrednio, gdzie zachodził dodatkowy proces ani jak działał.
Zgłoszone tempo wydzielania ciepła
Obszerniejszy artykuł o kalorymetrii z 1990 roku podał tempo wydzielania nadmiarowego ciepła około 100 W/cm³ palladu przy gęstościach prądu bliskich 1 A/cm². Waty określają energię w każdej sekundzie; tutaj tempo podzielono przez objętość palladu. Gęstość prądu to natężenie podzielone przez powierzchnię elektrody.
Nie oznacza to, że każde ogniwo wytwarzało 100 watów. Całkowita nadmiarowa moc zależy od objętości palladu i wyniku danego przebiegu. Ta liczba nie jest też sprawnością kompletnej maszyny wytwarzającej elektryczność.
Ciepło i produkty jądrowe
Zespół z 1989 roku opisał też pomiary neutronów i trytu. Neutron to cząstka jądrowa bez ładunku elektrycznego; tryt jest wodorem z dwoma neutronami w jądrze. Wywnioskowane z tych pomiarów szybkości reakcji były zbyt małe, by wyjaśnić zgłoszone ciepło zwykłymi reakcjami fuzji deuter–deuter.
Autorzy zaproponowali więc dodatkowy proces jądrowy, ale go nie zidentyfikowali. Wynik pomiaru ciepła i pomiary produktów jądrowych są oddzielnymi dowodami: zmierzenie jednego nie ujawnia brakującego mechanizmu drugiego. Opisane ogniwo było badaniem laboratoryjnym, nie zadaniem do wykonania w domu.
Źródła: Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium, 10.1016/0022-0728(89)80006-3; opublikowana poprawka, 10.1016/0022-0728(89)80141-X; artykuł o kalorymetrii z 1990 roku, 10.1016/0022-0728(90)80009-U.