كيفية حساب كثافة الطاقة

ما الذي يجعل البنزين وأنواع الوقود الأخرى قوية للغاية؟ تأتي إمكانات الخلائط الكيميائية مثل الوقود التي تنتجها السيارات من التفاعلات التي يمكن أن تسببها هذه المواد.

يمكنك قياس كثافة الطاقة هذه باستخدام الصيغ والمعادلات المباشرة التي تحكم هذه الخصائص الكيميائية والفيزيائية عند استخدام الوقود. تعطي معادلة كثافة الطاقة طريقة لقياس هذه الطاقة القوية فيما يتعلق بالوقود نفسه.

صيغةكثافة الطاقةهو

لكثافة الطاقةه_د، طاقةهوالحجمالخامس. يمكنك أيضا قياسمحددة في مجال الطاقة​ ​ه_سمثله / مللكتلة بدلاً من الحجم. ترتبط الطاقة المحددة ارتباطًا وثيقًا بالطاقة المتاحة التي يستخدمها الوقود عند تشغيل السيارات أكثر من كثافة الطاقة. توضح الجداول المرجعية أن البنزين والكيروسين ووقود الديزل لها كثافة طاقة أعلى بكثير من الفحم والميثانول والخشب.

بغض النظر ، يستخدم الكيميائيون والفيزيائيون والمهندسون كلاً من كثافة الطاقة والطاقة المحددة عند تصميم السيارات واختبار المواد للخصائص الفيزيائية. يمكنك تحديد مقدار الطاقة التي سينبعث منها الوقود بناءً على احتراق هذه الطاقة المكتظة بكثافة. يتم قياس ذلك من خلال محتوى الطاقة.

مقدار الطاقة لكل وحدة كتلة أو الحجم الذي ينطلقه الوقود عند الاحتراق هو محتوى الطاقة في الوقود. بينما تحتوي أنواع الوقود المعبأة بشكل أكثر كثافة على قيم أعلى لمحتوى الطاقة من حيث الحجم ، فإن الوقود منخفض الكثافة ينتج عمومًا محتوى طاقة أكبر لكل وحدة كتلة.

يجب قياس محتوى الطاقة لحجم معين من الغاز t ودرجة حرارة وضغط معينين. في الولايات المتحدة ، يقوم المهندسون والعلماء بالإبلاغ عن محتوى الطاقة في الوحدات الحرارية البريطانية الدولية (BtuIT) بينما في كندا والمكسيك ، يتم الإبلاغ عن محتوى الطاقة بالجول (J).

تستطيع ايضا استخذامسعرات حراريهللإبلاغ عن محتوى الطاقة. المزيد من الطرق القياسية لحساب محتوى الطاقة في العلوم والهندسة تستخدم كمية الحرارة الناتجة عندما تحرق جرامًا واحدًا من تلك المادة بالجول لكل جرام (J / g).

باستخدام هذه الوحدة من الجول لكل جرام ، يمكنك حساب مقدار الحرارة المنبعثة عن طريق زيادة درجة حرارة مادة معينة عندما تعرف السعة الحرارية المحددةج_صمن تلك المواد. الج_صمن الماء 4.18 جول / جم درجة مئوية. أنت تستخدم معادلة الحرارةحمثل

بحيث∆ تهي تغير في درجة الحرارة ، و م هي كتلة المادة بالجرام.

إذا قمت بقياس درجات الحرارة الأولية والنهائية لمادة كيميائية تجريبيًا ، يمكنك تحديد الحرارة الناتجة عن التفاعل. إذا كنت ستقوم بتسخين دورق وقود كحاوية وقمت بتسجيل التغير في درجة الحرارة في الفراغ الموجود خارج الحاوية مباشرةً ، يمكنك قياس الحرارة المنبعثة باستخدام هذه المعادلة.

عند قياس درجات الحرارة ، يمكن لمسبار درجة الحرارة قياس درجة الحرارة باستمرار بمرور الوقت. سيعطيك هذا نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة التي يمكنك من خلالها استخدام معادلة الحرارة. يجب عليك أيضًا البحث عن أماكن في الرسم البياني تعرض ملفعلاقة خطيةبين درجة الحرارة بمرور الوقت ، لأن هذا من شأنه أن يُظهر أن درجة الحرارة تنطلق بمعدل ثابت. يشير هذا على الأرجح إلى العلاقة الخطية بين درجة الحرارة والحرارة التي تستخدمها معادلة الحرارة.

بعد ذلك ، إذا قمت بقياس مقدار تغير كتلة الوقود ، يمكنك تحديد كيفية تخزين الطاقة بهذه الكمية من الكتلة للوقود. بدلاً من ذلك ، يمكنك قياس مقدار الاختلاف في الحجم بالنسبة لوحدات كثافة الطاقة المناسبة.

تُعرف هذه الطريقة باسممسعر القنبلةطريقة تجريبية لاستخدام معادلة كثافة الطاقة لحساب هذه الكثافة. يمكن أن تأخذ الطرق الأكثر دقة في الاعتبار الحرارة المفقودة على جدران الحاوية نفسها أو توصيل الحرارة من خلال مادة الحاوية.

يمكنك أيضًا التعبير عن محتوى الطاقة كتنوع في قيمة التسخين الأعلى (HHV). هذا هو مقدار الحرارة المنبعثة في درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) بواسطة كتلة أو حجم من الوقود بعد احتراقه ، وعادت المنتجات إلى درجة حرارة الغرفة. تفسر هذه الطريقة الحرارة الكامنة ، وهي حرارة المحتوى الحراري التي تظهر عندما تحدث تحولات طور الحالة الصلبة والتصلب أثناء تبريد المادة.

من خلال هذه الطريقة ، يتم إعطاء محتوى الطاقة من خلال قيمة التسخين الأعلى في ظروف الحجم الأساسي (HHV_ب). معدل تدفق الطاقة في الظروف القياسية أو الأساسيةف_خضابيساوي منتج معدل التدفق الحجميف_vbوقيمة التسخين الأعلى في ظروف الحجم الأساسي في المعادلة

من خلال الأساليب التجريبية ، درس العلماء والمهندسونHHV_بلأنواع الوقود المختلفة لتحديد كيفية تحديده كدالة للمتغيرات الأخرى ذات الصلة بكفاءة الوقود. يتم تعريف الظروف القياسية على أنها 10 درجات مئوية (273.15 كلفن أو 32 درجة فهرنهايت) و 105 باسكال (1 بار).

وقد أظهرت هذه النتائج التجريبية ذلكHHV_بيعتمد على الضغط ودرجة الحرارة في الظروف الأساسية بالإضافة إلى تكوين الوقود أو الغاز. في المقابل ، انخفاض قيمة التسخينLHVهو نفس القياس ، ولكن عند النقطة التي يبقى فيها الماء في نواتج الاحتراق النهائية كبخار أو بخار.

أظهرت أبحاث أخرى أنه يمكنك الحسابHHVمن تكوين الوقود نفسه. هذا يجب أن يعطيك

مع كلXكالكتلة الكسرية للكربون (C) والهيدروجين (H) والكبريت (S) والنيتروجين (N) والأكسجين (O) ومحتوى الرماد المتبقي. النيتروجين والأكسجين لهما تأثير سلبي علىHHVلأنها لا تساهم في إطلاق الحرارة كما تفعل العناصر والجزيئات الأخرى.

يوفر وقود الديزل الحيوي طريقة صديقة للبيئة لإنتاج الوقود كبديل لأنواع الوقود الأخرى الأكثر ضررًا. إنها مصنوعة من الزيوت الطبيعية ومستخلصات فول الصويا والطحالب. ينتج عن مصدر الوقود المتجدد هذا تلوث أقل للبيئة ، وعادة ما يتم خلطه بالوقود البترولي (البنزين ووقود الديزل). وهذا يجعلها مرشحين مثاليين لدراسة مقدار الطاقة التي يستخدمها الوقود باستخدام كميات مثل كثافة الطاقة ومحتوى الطاقة.

لسوء الحظ ، من منظور محتوى الطاقة ، يحتوي وقود الديزل الحيوي على كمية كبيرة من الأكسجين ، لذا فهي تنتج قيم طاقة أقل فيما يتعلق بكتلتها (بوحدات ميغا جول / كجم). يحتوي وقود الديزل الحيوي على نسبة أقل من 10 في المائة من محتوى الطاقة الكتلي. يحتوي B100 ، على سبيل المثال ، على محتوى طاقة يبلغ 119.550 وحدة حرارية بريطانية / جالون.

هناك طريقة أخرى لقياس مقدار الطاقة التي يستخدمها الوقود وهي توازن الطاقة ، والتي تبلغ 4.56 بالنسبة للديزل الحيوي. وهذا يعني أن وقود الديزل الحيوي ينتج 4.56 وحدة من الطاقة لكل وحدة من وحدات الطاقة الأحفورية التي يستخدمها. تحتوي أنواع الوقود الأخرى على مزيد من الطاقة ، مثل B20 ، وهو مزيج من الديزل ووقود الكتلة الحيوية. يحتوي هذا الوقود على حوالي 99 بالمائة من طاقة جالون واحد من الديزل أو 109 بالمائة من طاقة جالون واحد من البنزين.

توجد طرق بديلة لتحديد كفاءة الحرارة المنبعثة من الكتلة الحيوية بشكل عام. يستخدم العلماء والمهندسون الذين يدرسون الكتلة الحيوية طريقة مسعر القنبلة لقياس الحرارة المنبعثة من الاحتراق والتي تنتقل إلى الهواء أو الماء المحيط بالحاوية. من هذا ، يمكنك تحديدHHVللكتلة الحيوية.