Sådan beregnes energitæthed

Hvad gør benzin og andre brændstoffer så kraftige? Potentialet i kemiske blandinger som brændstoffer, der driver biler, kommer fra de reaktioner, som disse materialer er i stand til at forårsage.

Du kan måle denne energitæthed ved hjælp af ligefremme formler og ligninger, der styrer disse kemiske og fysiske egenskaber, når brændstofferne tages i brug. Ligningen med energitæthed giver en måde at måle denne kraftige energi i forhold til selve brændstoffet.

Formlen tilenergitætheder

for energitæthedE_d, energiEog lydstyrkeV. Du kan også målespecifik energi​ ​E_ssomE / Mtil masse i stedet for volumen. Den specifikke energi er tættere korreleret med den tilgængelige energi, som brændstoffer bruger, når de driver biler, end energitætheden er. Referencetabeller viser, at benzin, petroleum og dieselbrændstoffer har meget højere energitætheder end kul, methanol og træ.

Uanset hvad kemikere, fysikere og ingeniører bruger både energitæthed og specifik energi, når de designer biler og afprøver materialer til fysiske egenskaber. Du kan bestemme, hvor meget energi et brændstof afgiver baseret på forbrændingen af ​​denne tæt pakket energi. Dette måles gennem energiindhold.

Mængden af ​​energi pr. Masse eller volumen, som et brændstof afgiver, når det forbrænder, er energiindholdet i brændstof. Mens tættere pakket brændstof har højere værdier af energiindhold målt i volumen, producerer brændstoffer med lavere tæthed generelt mere energiindhold pr. Masseenhed.

Energiindholdet skal måles for et givet gasvolumen til en bestemt temperatur og et specifikt tryk. I USA rapporterer ingeniører og forskere energiindholdet i internationale britiske termiske enheder (BtuIT), mens energiindholdet i Canada og Mexico rapporteres i joule (J).

Du kan også brugekalorierat rapportere energiindhold. Flere standardmetoder til beregning af energiindhold inden for videnskab og teknik bruger den producerede varme, når du brænder et enkelt gram af dette materiale i joule pr. Gram (J / g).

Ved hjælp af denne enhed joule pr. Gram kan du beregne, hvor meget varme der afgives ved at øge temperaturen på et bestemt stof, når du kender den specifikke varmekapacitetC_saf dette materiale. DetC_svand er 4,18 J / g ° C. Du bruger ligningen til varmeHsom

hvori∆Ter en ændring i temperatur, og m er stoffets masse i gram.

Hvis du eksperimentelt måler de indledende og endelige temperaturer for et kemisk materiale, kan du bestemme varmen fra reaktionen. Hvis du opvarmede en brændstofkolbe som en beholder og registrerede temperaturændringen i rummet direkte uden for beholderen, kan du måle den afgivne varme ved hjælp af denne ligning.

Ved måling af temperaturer kan en temperatursonde kontinuerligt måle temperaturen over tid. Dette giver dig en bred vifte af temperaturer, som du kan bruge varmeligning til. Du skal også kigge efter steder i grafen, der viser enlineært forholdmellem temperatur over tid, da dette viser, at temperaturen afgives med en konstant hastighed. Dette indikerer sandsynligvis det lineære forhold mellem temperatur og varme, som varmeligningen bruger.

Hvis du derefter måler, hvor meget massen af ​​brændstoffet er ændret, kan du bestemme, hvordan energi blev lagret i den mængde masse til brændstoffet. Alternativt kan du måle, hvor stor en volumenforskel dette er for de relevante energitæthedenheder.

Denne metode, kendt sombombe kalorimetermetode, giver dig en eksperimentel metode til at bruge energidensitetsformlen til at beregne denne densitet. Mere raffinerede metoder kan tage hensyn til varme, der er tabt til selve beholderens vægge, eller ledning af varme gennem beholderens materiale.

Du kan også udtrykke energiindhold som en variation af den højere opvarmningsværdi (HHV). Dette er den mængde varme, der frigøres ved stuetemperatur (25 ° C) ved hjælp af en masse eller et volumen brændstof, efter at det har forbrændt sig, og produkterne er vendt tilbage til stuetemperatur. Denne metode tegner sig for den latente varme, entalpiivarmen, der opstår, når størkning og faststof-fase-transformation sker under afkøling af et materiale.

Gennem denne metode gives energiindholdet af den højere opvarmningsværdi ved basisvolumenbetingelser (HHV_b). Ved standard- eller basisforhold, energistrømningshastighedenq_Hber lig med produktet af den volumetriske strømningshastighedq_vbog den højere opvarmningsværdi ved basisvolumenbetingelser i ligningen

Gennem eksperimentelle metoder har forskere og ingeniører studeretHHV_bfor forskellige brændstoffer til at bestemme, hvordan det kan bestemmes som funktion af andre variabler, der er relevante for brændstofeffektivitet. Standardbetingelser er defineret som 10 ° C (273,15 K eller 32 oF) og 105 pascal (1 bar).

Disse empiriske resultater har vist detHHV_bafhænger af tryk og temperatur ved baseforhold samt sammensætningen af ​​brændstof eller gas. I modsætning hertil den lavere opvarmningsværdiLHVer den samme måling, men på det tidspunkt, hvor vandet i de endelige forbrændingsprodukter forbliver som damp eller damp.

Andre undersøgelser har vist, at du kan beregneHHVfra selve brændstoffets sammensætning. Dette burde give dig

med hverxsom den fraktionerede masse for kulstof (C), brint (H), svovl (S), nitrogen (N), ilt (O) og det resterende askeindhold. Kvælstof og ilt har en negativ indvirkning påHHVda de ikke bidrager til frigivelse af varme som andre grundstoffer og molekyler gør.

Biodieselbrændstoffer tilbyder en miljøvenlig metode til produktion af brændstof som et alternativ til andre mere skadelige brændstoffer. De er skabt af naturlige olier, sojaekstrakter og alger. Denne vedvarende brændstofkilde resulterer i mindre forurening af miljøet, og de blandes normalt med oliebrændstoffer (benzin og dieselbrændstof). Dette gør dem ideelle kandidater til at undersøge, hvor meget energi et brændstof bruger ved hjælp af mængder som energitæthed og energiindhold.

Desværre ud fra et energiindholdsperspektiv har biodieselbrændstoffer en stor mængde ilt, så de producerer lavere energiværdier i forhold til deres masse (i enheder på MJ / kg). Biodieselbrændstoffer har ca. 10 procent lavere energi energiindhold. B100 har for eksempel et energiindhold på 119.550 Btu / gal.

En anden måde at måle, hvor meget energi et brændstof bruger, er energibalancen, som for biodiesel er 4,56. Det betyder, at biodieselbrændstoffer producerer 4,56 enheder energi for hver enhed fossil energi, de bruger. Andre brændstoffer pakker mere energi, såsom B20, en blanding af diesel og biomasse. Dette brændstof har omkring 99 procent af energien i en liter diesel eller 109 procent af energien i en liter benzin.

Der findes alternative metoder til bestemmelse af effektiviteten af ​​varme, der genereres af biomasse. Forskere og ingeniører, der studerer biomasse, bruger metoden med bomberkalorimeter til at måle varmen frigivet fra forbrændingen, der overføres til enten luft eller vand, der omgiver beholderen. Ud fra dette kan du bestemmeHHVtil biomassen.