Jak vypočítat hustotu energie

Čím je benzín a jiná paliva tak silná? Potenciál chemických směsí, jako jsou paliva, která pohánějí automobily, pochází z reakcí, které tyto materiály mohou způsobit.

Tuto hustotu energie můžete měřit pomocí přímých vzorců a rovnic, které řídí tyto chemické a fyzikální vlastnosti, když se paliva používají. Rovnice energetické hustoty poskytuje způsob měření této silné energie s ohledem na samotné palivo.

Vzorec prohustota energieje

pro hustotu energieE_d, energieEa objemPROTI. Můžete také změřitspecifická energie​ ​E_stak jakoE / Mpro hmotu místo objemu. Specifická energie více souvisí s dostupnou energií, kterou paliva používají při pohonu automobilů, než hustota energie. Referenční tabulky ukazují, že benzín, petrolej a motorová nafta mají mnohem vyšší hustotu energie než uhlí, methanol a dřevo.

Bez ohledu na to chemici, fyzici a inženýři používají jak hustotu energie, tak specifickou energii při navrhování automobilů a testování fyzikálních vlastností materiálů. Na základě spalování této hustě zabalené energie můžete určit, kolik energie bude palivo vydávat. To se měří prostřednictvím energetického obsahu.

Množství energie na jednotku hmotnosti nebo objemu, které palivo vydává při spalování, je energetický obsah paliva. Zatímco hustěji zabalená paliva mají vyšší hodnoty energetického obsahu z hlediska objemu, paliva s nižší hustotou obecně produkují více energetického obsahu na jednotku hmotnosti.

Energetický obsah musí být změřen pro daný objem plynu t specifickou teplotu a tlak. Ve Spojených státech uvádějí inženýři a vědci energetický obsah v mezinárodních britských tepelných jednotkách (BtuIT), zatímco v Kanadě a Mexiku je energetický obsah uváděn v joulech (J).

Můžete také použítkaloriívykazovat energetický obsah. Standardnější metody výpočtu energetického obsahu ve vědě a strojírenství využívají množství vyrobeného tepla, když spálíte jeden gram tohoto materiálu v joulech na gram (J / g).

Pomocí této jednotky joulů na gram můžete vypočítat, kolik tepla se vydává, zvýšením teploty konkrétní látky, když znáte specifickou tepelnou kapacituC_ptoho materiálu. TheC_pvody je 4,18 J / g ° C. Rovnici použijete pro teploHtak jako

ve kterém.Tje změna teploty am je hmotnost látky v gramech.

Pokud experimentálně změříte počáteční a konečnou teplotu chemického materiálu, můžete určit teplo vydávané reakcí. Pokud byste měli ohřívat baňku s palivem jako nádobu a zaznamenávat změnu teploty v prostoru přímo mimo nádobu, můžete změřit vydávané teplo pomocí této rovnice.

Při měření teplot může teplotní sonda průběžně měřit teplotu v průběhu času. Získáte tak širokou škálu teplot, pro které můžete použít rovnici tepla. Měli byste také vyhledat místa v grafu, která ukazují alineární vztahmezi teplotou v čase, protože by to ukazovalo, že teplota se vydává konstantní rychlostí. To pravděpodobně naznačuje lineární vztah mezi teplotou a teplem, který tepelná rovnice používá.

Poté, když změříte, jak moc se změnila hmotnost paliva, můžete určit, jak byla energie uložena v tomto množství hmoty pro palivo. Alternativně můžete měřit, o kolik jde o objemový rozdíl pro příslušné jednotky hustoty energie.

Tato metoda, známá jakobombový kalorimetrMetoda vám poskytne experimentální metodu použití vzorce hustoty energie k výpočtu této hustoty. Rafinovanější metody mohou brát v úvahu teplo ztracené na stěny samotné nádoby nebo vedení tepla materiálem kontejneru.

Energetický obsah můžete také vyjádřit jako variaci vyšší hodnoty vytápění (HHV). Jedná se o množství tepla uvolněného při pokojové teplotě (25 ° C) hmotou nebo objemem paliva po jeho spalování a produkty se vrátily na pokojovou teplotu. Tato metoda odpovídá latentnímu teplu, entalpickému teplu, které vzniká při tuhnutí a fázových transformacích v pevném stavu během chlazení materiálu.

Prostřednictvím této metody je energetický obsah dán vyšší hodnotou ohřevu v podmínkách základního objemu (HHV_b). Za standardních nebo základních podmínek průtok energieq_Hbse rovná součinu objemového průtokuq_vba vyšší hodnota ohřevu v podmínkách základního objemu v rovnici

Pomocí experimentálních metod vědci a inženýři studovaliHHV_bpro různá paliva určit, jak to lze určit jako funkci jiných proměnných souvisejících s palivovou účinností. Standardní podmínky jsou definovány jako 10 ° C (273,15 K nebo 32 oF) a 105 pascalů (1 bar).

Tyto empirické výsledky to ukázalyHHV_bzávisí na tlaku a teplotě za základních podmínek a také na složení paliva nebo plynu. Naopak nižší hodnota vytápěníLHVje stejné měření, ale v bodě, ve kterém voda v konečných produktech spalování zůstává jako pára nebo pára.

Jiný výzkum ukázal, že můžete počítatHHVze složení samotného paliva. To by vám mělo dát

s každýmXjako zlomková hmotnost uhlíku (C), vodíku (H), síry (S), dusíku (N), kyslíku (O) a zbývajícího obsahu popela. Dusík a kyslík mají nepříznivý vliv naHHVprotože nepřispívají k uvolňování tepla jako ostatní prvky a molekuly.

Bionaftová paliva nabízejí ekologickou metodu výroby paliva jako alternativu k jiným, škodlivějším palivům. Jsou vyrobeny z přírodních olejů, výtažků ze sóji a řas. Tento obnovitelný zdroj paliva má za následek menší znečištění životního prostředí a obvykle se mísí s ropnými palivy (benzínovými a naftovými palivy). Díky tomu jsou ideálními kandidáty pro studium toho, kolik energie spotřebuje palivo pomocí množství, jako je hustota energie a energetický obsah.

Bohužel z hlediska energetického obsahu mají bionaftová paliva velké množství kyslíku, takže produkují nižší energetické hodnoty vzhledem k jejich hmotnosti (v jednotkách MJ / kg). Bionafta má asi o 10 procent nižší hmotnostní energetický obsah. Například B100 má energetický obsah 119 550 Btu / gal.

Dalším způsobem, jak měřit, kolik energie spotřebuje palivo, je energetická bilance, která je u bionafty 4,56. To znamená, že bionaftová paliva produkují 4,56 jednotek energie na každou jednotku fosilní energie, kterou používají. Jiná paliva obsahují více energie, například B20, směs nafty s palivem z biomasy. Toto palivo má přibližně 99 procent energie jednoho galonu nafty nebo 109 procent energie jednoho galonu benzínu.

Existují alternativní metody pro stanovení účinnosti tepla vydávaného biomasou obecně. Vědci a inženýři, kteří studují biomasu, používají metodu bombového kalorimetru k měření tepla uvolněného ze spalování, které je přenášeno na vzduch nebo vodu obklopující nádobu. Z toho můžete určitHHVpro biomasu.