Чому ваш акумулятор телефону стоку так швидко, пояснюється з двома чашками води

Чому батареї гинуть? І чому вони можуть перезаряджатися стільки разів, що вони не матимуть корисної суми заряду? Мій молодий син запитав мене про те, що роки тому, коли його іграшковий автомобіль на батарейках перестав рухатися, дивуючись про те, що він назвав «вічною батареєю». І це те саме питання, напевно, перейшло на думку кожного користувача мобільного телефону, який намагається надіслати останній текст перед тим, як блимає екран.

Дослідження, як і моє, продовжуються по всьому світу, щоб зробити батареї, які заряджаються швидше, довше, і можуть бути перезаряджатися і розряджатися багато разів, ніж сьогодні. Але як би ви і я хотіли, неможливо зробити дійсно вічну батарею. Я викладаю термодинаміку більше 30 років. Поки що ніщо не говорить про те, що ми можемо порушити фундаментальні закони науки, щоб отримати ту невловиму батарею.

Батьківські вчені та інженери називають головну проблему "зникають потужності". Регулярні люди замислюються з приводу таких питань, як "Чому мій акумулятор не заряджається?" І скарги, як "Я просто перезарядили цю річ, і це вже знову вийшло!"

Див. Також: Ця нова батарея може забезпечити майбутнє дослідження космосу

Це результат другого закону термодинаміки, який стверджує, що коли відбувається якийсь реальний процес, він створює певну кількість витраченої енергії на шляху, який ніколи не може бути відновлений. Щоразу, коли акумулятор заряджається або розряджається, є трохи втраченої енергії - трохи втраченої потужності в акумуляторі, яку неможливо відновити.

Щоб уявити собі, як це працює, подумайте про використання батареї, як передача води між двома чашками. Використання батареї подібне до спорожнення води з однієї чашки в іншу, а зарядка батареї передбачає наливання води в першу чашку. Навіть якщо ви робите це один або два рази, не проливши краплі, у кожній чашці завжди залишиться лише невеличка крихта, яку ви не можете вилити.

А тепер уявіть, що вилийте назад і вперед сотні або навіть тисячі разів протягом двох-трьох років (для акумулятора мобільного телефону) або від 10 до 20 років (для електричного автомобіля). З часом, всі тисячі маленьких і великих речей, які йдуть не так, додають чимало води, що пропадає. Навіть проливши ледь помітну краплю - скажімо, одну десяту мілілітра - додає до всього літра, якщо це відбудеться 10000 разів. Це навіть не включає можливість виходу однієї чашки, яка втрачає ще більшу кількість води, наприклад, витоку або нагрівання і випаровування.

Подібно до того, як вода неминуче пропадає при наливанні з однієї чашки в іншу, для зарядки батареї потрібно більше енергії, ніж фактично зберігається, і виходить менше енергії, ніж зберігається в ній. Частка втраченої енергії з накопиченою енергією з часом зростає.

Насправді, чим більше ви використовуєте акумулятор, тим більше енергії витрачається, і чим швидше акумулятор досягне точки, де він мертвий і не може бути корисним. Я та інші вивчаємо способи, щоб ці цикли розрядки-підзарядки працювали більш плавно, щоб зменшити кількість відходів, але другий закон термодинаміки завжди переконується, що немає можливості повністю позбутися від неї.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Стіва У. Мартіна. Читайте оригінальну статтю тут.