Во-вторых, как раз В. Томсон заложил основы термодинамики термоэлектрических явлений, посредством которых это самое «непосредственное превращение» и происходит. М. Планк тоже сделал огромный вклад в новые направления термодинамики. Попытка представить их как нечто древнее и устаревшее не только неграмотна, она направлена на то, чтобы устранить все, что мешает получать энергию «окольным путем», в том числе и упрямых классиков науки.
Все разговоры об «интригующих особенностях» ЭХГ опираются на непонимание действительных особенностей их энергетического баланса и связанное с этим неверное определение их КПД. Здесь сказываются традиции подсчета термического КПД электростанций, работающих на органическом топливе. Термический КПД ηГ для них подсчитывается по отношению полученной электроэнергии LЭЛ к теплоте сгорания использованного топлива ΔН. Он равен, по существу, отношению полученной электроэнергии к затраченной теплоте: ηГ = LЭЛ /ΔН. Строго говоря, поскольку в нем сопоставляются качественно различные формы энергии — теплота и работа, ηГ представляет собой не КПД, а коэффициент преобразования энергии.
Дня тепловых электростанций это различие не очень существенно, так как эксергия (работоспособность) топлива ЕТ примерно (с разницей до ±8-10%) совпадает с его теплотой сгорания ΔН. Поэтому здесь эксергетический КПД ηe = LЭЛ /ΔЕ примерно равен коэффициенту преобразования ηT = LЭЛ /ΔН, который по традиции называют термическим КПД ηT = ηe. Однако при переходе к ЭХГ это равенство нарушается. Здесь разность эксергий ΔЕ исходных химических веществ (реагентов), например Н2+С12, 2Н2+O2, N2H4+2H2O2, 2C+O2, и продуктов реакции — НCl, Н2O, N2, СО может существенно отличаться от теплоты реакции ΔН. В этом проявляется естественное отличие максимальной работы процессов от их теплового эффекта. Поэтому и значение коэффициента преобразования, полученное по формуле η = LЭЛ/ΔН для ЭХГ, не равно КПД; неучет этого различия приводит к ошибочным оценкам.
Действительно, максимальная (для идеального случая) электрическая работа LЭЛ.М., как известно из термодинамики, определяется уменьшением величины G — так называемого потенциала Гиббса:
LЭЛ.М = -ΔG = -(ΔН — TΔS).
Из этой формулы видно, что LЭЛ.М может быть как больше ΔН (если ΔS отрицательна, т. е. энтропия S при реакции уменьшается), так и меньше (если ΔS положительна, т. е. энтропия при реакции возрастает). На практике встречаются оба случая. Например, в водородно-кислородном ЭХГ реакция протекает с уменьшением энтропии (ΔS < 0), что соответствует выделению теплоты. При этом LЭЛ.М будет меньше ΔН. Так, при Т = 298 К значение ΔН = -286 кДж/кмоль Н2, a ΔS = —0,163 кДж/(кмоль∙К). Следовательно, ΔG = LЭЛ.М = —286 + 298 ∙ 0,163 = —273,4 кДж/кмоль. Значит, максимальное значение коэффициента преобразования ηT = ΔG/ΔН составит здесь 237,4/286 = 0,83.
Этот вариант ЭХГ, в котором ηT существенно меньше 100%, естественно, не привлекает «инверсионщиков». Зато другой, в котором ηT > 1, вызывает энтузиазм. Действительно, например, для угольно-кислородного ЭХГ ΔG > ΔН, поскольку энтропия в результате реакции растет вследствие подвода теплоты из окружающей среды. Здесь при той же температуре, что и в предыдущем примере, ΔН = -110,6 кДж/(кмоль-К), a ΔS = 0,089 кДж/(кмоль∙К). Следовательно, Δg = —137,2 кДж/кмоль, что больше, чем ΔН. Отсюда ηT = 137,2/110,6 = 1,24, т. е. 124%, что намного больше 100%! Вот пример, когда «электрическая энергия, выдаваемая подобным элементом, есть в конечном счете трансформируемая энергия окружающей среды.»
Увы, это совсем не так. Вся электрическая энергия, как в этом случае, так и при ηT < 1, получается за счет химической энергии реагентов, а теплота (как подводимая, так и отводимая) идет на изменение энтропии реагентов. Если они уходят с меньшей энтропией, чем поступают («более организованные»), — теплота отводится, а если с большей энтропией («менее организованные») — теплота подводится.
Величины ηT, к сожалению, этого не показывают, ибо коэффициенты преобразования (в том числе и термический КПД ηT не дают, в общем случае правильной информации о термодинамическом совершенстве процесса. Идеальный процесс в ЭХГ должен всегда иметь КПД ровно 100%, а не 86 или 124. Действительно, строго определяемый КПД ηT топливного элемента должен иметь вид ηe = LЭЛ/ΔЕ, где ΔЕ — затраченная эксергия. Поскольку в рассматриваемых примерах Т = TО.С., то ΔG = ΔН — TΔS равно ΔЕ = ΔН – TО.С.ΔS и ηT = LЭЛ/ΔG. Тогда получаем для идеального ЭХГ во всех случаях ηe = 1, т. е. 100%. Реальный КПД будет, естественно, меньше 100%, поскольку LЭЛ < LЭЛ.М..