Как да изчислим енергийната плътност

Какво прави бензина и другите горива толкова мощни? Потенциалът на химическите смеси като горивата, които задвижват автомобилите, идва от реакциите, които тези материали могат да предизвикат.

Можете да измерите тази енергийна плътност, използвайки ясни формули и уравнения, които управляват тези химични и физични свойства, когато горивата се използват. Уравнението за енергийна плътност дава начин за измерване на тази мощна енергия по отношение на самото гориво.

Формулата заенергийна плътносте

за енергийна плътностЕ._д, енергияЕ.и обемV. Можете също така да измеритеспецифична енергия​ ​Е._скатоE / Mза маса вместо обем. Специфичната енергия е по-тясно свързана с наличната енергия, която горивата използват при захранване на автомобили, отколкото е енергийната плътност. Справочните таблици показват, че бензинът, керосинът и дизеловите горива имат много по-висока енергийна плътност от въглищата, метанола и дървесината.

Независимо от това, химиците, физиците и инженерите използват както енергийна плътност, така и специфична енергия, когато проектират автомобили и тестват материали за физически свойства. Можете да определите колко енергия ще отдели едно гориво въз основа на изгарянето на тази плътно опакована енергия. Това се измерва чрез енергийното съдържание.

Количеството енергия на единица маса или обем, което горивото отделя при изгарянето, е енергийното съдържание на горивото. Докато по-плътно опакованите горива имат по-високи стойности на енергийно съдържание по отношение на обема, горивата с по-ниска плътност обикновено произвеждат повече енергийно съдържание на единица маса.

Енергийното съдържание трябва да се измерва за даден обем газ t специфична температура и налягане. В Съединените щати инженерите и учените отчитат енергийното съдържание в международните британски термични единици (BtuIT), докато в Канада и Мексико енергийното съдържание се отчита в джаули (J).

Можете също да използватекалорииза отчитане на енергийното съдържание. По-стандартните методи за изчисляване на енергийното съдържание в науката и техниката използват количеството топлина, получено при изгаряне на един грам от този материал в джаули на грам (J / g).

Използвайки тази единица джаули на грам, можете да изчислите колко топлина се отделя чрез увеличаване на температурата на конкретно вещество, когато знаете специфичния топлинен капацитет° С_строт този материал. The° С_стрвода е 4.18 J / g ° C. Използвате уравнението за топлинаНкато

в който∆Tе промяна в температурата и m е масата на веществото в грамове.

Ако експериментално измервате началната и крайната температура на химичен материал, можете да определите топлината, отделяна от реакцията. Ако трябва да загреете колба с гориво като контейнер и да запишете промяната в температурата в пространството непосредствено извън контейнера, можете да измерите отделената топлина, използвайки това уравнение.

Когато измерва температури, температурна сонда може непрекъснато да измерва температурата във времето. Това ще ви даде широк диапазон от температури, за които можете да използвате уравнението на топлината. Трябва също да потърсите места в графиката, които показват алинейна връзкамежду температурата във времето, тъй като това ще покаже, че температурата се отдава с постоянна скорост. Това вероятно показва линейната връзка между температурата и топлината, която използва уравнението за топлина.

След това, ако измервате колко се е променила масата на горивото, можете да определите как енергията се е съхранявала в това количество маса за горивото. Като алтернатива можете да измерите каква е разликата в обема за съответните единици за енергийна плътност.

Този метод, известен катобомбен калориметърметод, ви дава експериментален метод за използване на формулата за енергийна плътност за изчисляване на тази плътност. По-усъвършенстваните методи могат да вземат предвид загубата на топлина към стените на самия контейнер или провеждането на топлина през материала на контейнера.

Можете също така да изразите енергийното съдържание като вариация на по-високата отоплителна стойност (HHV). Това е количеството топлина, отделено при стайна температура (25 ° C) от маса или обем гориво след изгарянето му и продуктите се връщат до стайна температура. Този метод отчита латентната топлина, топлината на енталпията, която се появява, когато се получат втвърдяване и трансформации в твърдо състояние по време на охлаждането на материала.

Чрез този метод енергийното съдържание се дава от по-високата отоплителна стойност при базови условия на обема (HHV_б). При стандартни или базови условия, енергийният потокq_Hbе равно на произведението на обемния дебитq_vbи по-високата нагряваща стойност при условия на основния обем в уравнението

Чрез експериментални методи учени и инженери са изследвалиHHV_бза различни горива, за да се определи как може да се определи като функция на други променливи, свързани с горивната ефективност. Стандартните условия се определят като 10 ° C (273,15 K или 32 oF) и 105 паскала (1 бара).

Тези емпирични резултати показват товаHHV_бзависи от налягането и температурата при базовите условия, както и от състава на горивото или газа. За разлика от това, по-ниската отоплителна стойностLHVе същото измерване, но в точката, в която водата в крайните продукти от горенето остава като пара или пара.

Други изследвания показват, че можете да изчислитеHHVот състава на самото гориво. Това трябва да ви даде

с всекихкато фракционната маса за въглерод (С), водород (Н), сяра (S), азот (N), кислород (О) и останалото съдържание на пепел. Азотът и кислородът имат неблагоприятно въздействие върхуHHVтъй като те не допринасят за отделянето на топлина, както другите елементи и молекули.

Биодизеловите горива предлагат екологичен метод за производство на гориво като алтернатива на други, по-вредни горива. Те са създадени от естествени масла, соеви екстракти и водорасли. Този възобновяем източник на гориво води до по-малко замърсяване на околната среда и те обикновено се смесват с петролни горива (бензин и дизелови горива). Това ги прави идеални кандидати за изучаване на това колко енергия използва едно гориво, като се използват количества като енергийна плътност и енергийно съдържание.

За съжаление от гледна точка на енергийното съдържание биодизеловите горива имат голямо количество кислород, поради което произвеждат по-ниски енергийни стойности по отношение на тяхната маса (в единици MJ / kg). Биодизеловите горива имат около 10 процента по-ниско масово енергийно съдържание. B100, например, има енергийно съдържание 119,550 Btu / gal.

Друг начин за измерване на това колко енергия използва едно гориво е енергийният баланс, който за биодизела е 4,56. Това означава, че биодизеловите горива произвеждат 4,56 единици енергия за всяка единица изкопаема енергия, която използват. Други горива съдържат повече енергия, като B20, смес от дизел и гориво от биомаса. Това гориво има около 99 процента от енергията на един галон дизел или 109 процента от енергията на един галон бензин.

Съществуват алтернативни методи за определяне на ефективността на топлината, отделяна от биомасата като цяло. Учени и инженери, които изследват биомасата, използват метода на бомбения калориметър за измерване на топлината, отделена от изгарянето, която се прехвърля във въздуха или водата около контейнера. От това можете да определитеHHVза биомасата.