Энергия, без нее не обойдешься. Она нужна для освещения, отопления, везде — в кухне и ванной комнате, для движения автомобилей и поездов, без нее нет промышленности.

Существуют разные виды энергии: механическая, химическая, электрическая, ядерная, тепловая и т.д. В технике решающую роль играет превращение одного вида энергии в другой. Так, например, на электростанциях происходит превращение тепловой энергии в электрическую (которая в свою очередь в промышленности часто превращается в энергию движения или в механическую энергию).

Электростанции, дающие электроэнергию, сами тоже нуждаются в энергии иного вида, которую затем превращают в электрическую. Практически электростанции всегда превращают в электричество тепловую энергию. Даже на гидроэлектростанциях вода, которая падает вниз, приводя в движение турбины генераторов, тоже в определенный момент должна была оказаться на более высоком уровне. Она сначала испарилась из морей и выпала в виде дождя или снега в горах. А для испарения нужно было тепло, которое давало Солнце. На атомных электростанциях энергия, высвобождаемая при ядерных реакциях, превращается в тепловую энергию. Она служит для производства пара, приводящего в движение турбины генератора.

Задумаемся над тем, каким образом проще всего производить тепловую энергию. Как можно ее получить? Самый простой способ — что-нибудь сжечь. Но почему во время горения образуется тепло? Например, при сжигании угля? Всем известно, что углерод соединяется с кислородом воздуха, образуя двуокись углерода. Почему, одиако, при этом выделяется тепло? “Посмотрим сначала, как построены атомы углерода и кислорода. В центре каждого из них находится ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра вращаются электроны — отрицательно заряженные частицы. Именно потому, что ядро и электроны имеют противоположные заряды, ядро притягивает электроны, которые в нормальных условиях не могут оторваться от него. Однако не все электроны ядро «удерживает» с одинаковой силой. И не только потому, что некоторые электроны находятся на более далеком расстоянии от него, и в связи с этим действующая на них сила притяжения меньше, но и потому что электроны расположены особым образом. Дело в том, что электроны движутся вокруг ядра не хаотично, а образуют что-то вроде следующих друг за другом слоев-оболочек, расположенных все дальше от ядра. На каждой оболочке может находиться только строго определенное число электронов. Если последняя, самая дальняя оболочка не заполнена до конца, то атом стремится «поймать» электроны извне. Если же за пределами последней оболочки находится только один или несколько электронов, атом легко теряет их, потому что он относительно слабо с ними связан.

У атома кислорода на последней электронной оболочке имеется как раз два свободных места, а у атома углерода на последней оболочке находятся четыре слабо связанные с ним электроны. Итак, если атомы кислорода соприкасаются с атомами углерода, то кислород стремится отнять у него слабо связанные электроны. Поскольку каждый атом кислорода может «поймать» только два электрона, нужны, таким образом, два атома кислорода, которые могут забрать четыре электрона у одного атома углерода. Переход электронов от атома углерода к атому кислорода ведет к образованию двух атомов кислорода с отрицательным зарядом (теперь они имеют на два отрицательных заряда больше, чем электрически нейтральный атом) и одного атома углерода с положительным зарядом (потеряв отрицательные заряды, атом остается в неуравновешенным положительным зарядом ядра).

Атом углерода притягивает оба атома кислорода, ведь, как известно, противоположные электрические заряды взаимно притягиваются. Итак, образуется состоящая из сравнительно сильно связанных атомов молекула двуокиси углерода — СО2- Чтобы снова получить отдельно атомы кислорода и углерода надо разбить эту молекулу. Для этого потребовалось бы, однако, определенное количество энергии. Именно эта энергия и выделилась при соединении кислорода с углеродом в виде электромагнитного излучения — света и инфракрасных лучей (потому — то огонь светит и греет), а частично превратилась в энергию движения молекул воздуха и газов, образовавшихся при сгорании. Атомы, из которых состоят предметы, находящиеся поблизости огня (например, стены печи), поглощают электромагнитное излучение.

В результате этого, а также под воздействием ударов нагретых, быстро движущихся молекул газа, сами начинают колебаться интенсивнее. А тепло — ведь это ни что иное, как не упорядоченное колебание атомов в твердых телах и движение атомов в газах. Чем выше энергия этого движения, тем выше температура.

Почему, же однако, уголь не зажигается сам при соприкосновении с кислородом воздуха? Потому что внешние электроны в атомах углерода связаны со всем атомом, правда, сравнительно» слабо, однако, достаточно для того, чтобы атом не мог самопроизвольно потерять их. Нужна, таким образом, высокая температура, чтобы возбудить быстрое движение атомов кислорода в воздухе, которые приобретя достаточную скорость могут при столкновении с атомами углерода оторвать от них слабосвязанные внешние электроны. Значит, для того, чтобы уголь загорелся, надо сначала сильно нагреть его. а затем реакция будет протекать самостоятельно, под влиянием температуры, образующейся в результате горения.

Реакция горения, как все химические реакции, — это процесс, в котором участвуют только электроны, находящиеся на поверхности атома. Количество энергии, которую можно получить при химических реакциях, определяется силой связи электронов в атоме и силой связи атомов в молекуле (в нашем случае — в молекуле двуокиси углерода). Эти силы очень малы по сравнению с силами, связывающими частицы ядра. Вот почему ядерные реакции могут дать так много энергии, по сравнению с химическими.

Журнал “Горизонты техники для детей” № 1-76г.