So berechnen Sie die Energiedichte

Was macht Benzin und andere Kraftstoffe so leistungsstark? Das Potenzial chemischer Gemische wie Kraftstoffe, die Autos antreiben, ergibt sich aus den Reaktionen, die diese Materialien verursachen können.

Sie können diese Energiedichte mit einfachen Formeln und Gleichungen messen, die diese chemischen und physikalischen Eigenschaften beim Einsatz der Kraftstoffe regeln. Die Energiedichtegleichung bietet eine Möglichkeit, diese starke Energie in Bezug auf den Kraftstoff selbst zu messen.

Die Formel fürEnergiedichteist

für EnergiedichteE_d, EnergieEund LautstärkeV. Sie können auch messenspezifische Energie​ ​E_sowieE/Mfür Masse statt Volumen. Die spezifische Energie korreliert stärker mit der verfügbaren Energie, die Kraftstoffe beim Antrieb von Autos verbrauchen, als die Energiedichte. Referenztabellen zeigen, dass Benzin, Kerosin und Dieselkraftstoffe viel höhere Energiedichten aufweisen als Kohle, Methanol und Holz.

Unabhängig davon verwenden Chemiker, Physiker und Ingenieure sowohl Energiedichte als auch spezifische Energie, wenn sie Automobile entwerfen und Materialien auf physikalische Eigenschaften testen. Sie können bestimmen, wie viel Energie ein Kraftstoff aufgrund der Verbrennung dieser dicht gepackten Energie abgibt. Dies wird über den Energiegehalt gemessen.

Die Energiemenge pro Massen- oder Volumeneinheit, die ein Kraftstoff bei seiner Verbrennung abgibt, ist der Energiegehalt des Kraftstoffs. Während dichter gepackte Kraftstoffe einen höheren Energiegehalt in Bezug auf das Volumen aufweisen, erzeugen Kraftstoffe mit niedrigerer Dichte im Allgemeinen einen höheren Energiegehalt pro Masseneinheit.

Der Energieinhalt muss für ein bestimmtes Gasvolumen bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck gemessen werden. In den Vereinigten Staaten geben Ingenieure und Wissenschaftler den Energiegehalt in internationalen britischen thermischen Einheiten (BtuIT) an, während in Kanada und Mexiko der Energiegehalt in Joule (J) angegeben wird.

Sie können auch verwendenKalorienEnergiegehalt zu melden. Standardmethoden zur Berechnung des Energiegehalts in Wissenschaft und Technik verwenden die Wärmemenge, die beim Verbrennen eines einzigen Gramms dieses Materials in Joule pro Gramm (J/g) entsteht.

Mit dieser Einheit Joule pro Gramm können Sie berechnen, wie viel Wärme durch Temperaturerhöhung eines bestimmten Stoffes abgegeben wird, wenn Sie die spezifische Wärmekapazität kennenC_pdieses Materials. DasC_pWasser beträgt 4,18 J/g°C. Sie verwenden die Gleichung für WärmeHwie

in welchemTist eine Temperaturänderung und m ist die Masse des Stoffes in Gramm.

Wenn Sie die Anfangs- und Endtemperatur eines chemischen Materials experimentell messen, können Sie die Wärmeabgabe durch die Reaktion bestimmen. Wenn Sie eine Brennstoffflasche als Behälter erhitzen und die Temperaturänderung im Raum direkt außerhalb des Behälters aufzeichnen, können Sie mit dieser Gleichung die abgegebene Wärme messen.

Bei der Temperaturmessung kann ein Temperaturfühler die Temperatur kontinuierlich über die Zeit messen. Dadurch erhalten Sie einen breiten Temperaturbereich, für den Sie die Wärmegleichung verwenden können. Sie sollten auch nach Stellen in der Grafik suchen, die a. zeigenlineare Beziehungzwischen der Temperatur im Laufe der Zeit, da dies zeigen würde, dass die Temperatur mit einer konstanten Rate abgegeben wird. Dies deutet wahrscheinlich auf die lineare Beziehung zwischen Temperatur und Wärme hin, die die Wärmegleichung verwendet.

Wenn Sie dann messen, wie stark sich die Masse des Kraftstoffs geändert hat, können Sie bestimmen, wie Energie in dieser Masse für den Kraftstoff gespeichert wurde. Alternativ können Sie messen, wie viel Volumenunterschied dies für die entsprechenden Energiedichteeinheiten ist.

Diese Methode, bekannt als dieBombenkalorimeter-Methode bietet Ihnen eine experimentelle Methode zur Berechnung dieser Dichte mithilfe der Energiedichteformel. Verfeinerte Verfahren können Wärmeverluste an die Behälterwände selbst oder die Wärmeleitung durch das Behältermaterial berücksichtigen.

Sie können den Energiegehalt auch als Variation des höheren Heizwertes ausdrücken (HHV). Dies ist die Wärmemenge, die bei Raumtemperatur (25 °C) von einer Brennstoffmasse oder einem Brennstoffvolumen nach der Verbrennung freigesetzt wird und die Produkte auf Raumtemperatur zurückgekehrt sind. Dieses Verfahren berücksichtigt die latente Wärme, die Enthalpiewärme, die beim Erstarren und Festkörperphasenumwandlungen beim Abkühlen eines Materials entsteht.

Bei dieser Methode ist der Energieinhalt durch den höheren Heizwert bei Grundvolumenbedingungen gegeben (HHV_b). Bei Normal- oder Normalbedingungen ist der Energieflussq_Hbgleich dem Produkt des Volumenstromsq_vbund der höhere Heizwert bei Grundvolumenbedingungen in der Gleichung

Mit experimentellen Methoden haben Wissenschaftler und Ingenieure dieHHV_bfür verschiedene Kraftstoffe, um zu bestimmen, wie er als Funktion anderer Variablen, die für die Kraftstoffeffizienz relevant sind, bestimmt werden kann. Als Standardbedingungen sind 10 °C (273,15 K oder 32 oF) und 105 Pascal (1 bar) definiert.

Diese empirischen Ergebnisse haben gezeigt, dassHHV_bhängt von Druck und Temperatur im Normalzustand sowie von der Zusammensetzung des Brennstoffs oder Gases ab. Im Gegensatz dazu ist der untere HeizwertLang-Lkwist die gleiche Messung, jedoch an dem Punkt, an dem das Wasser in den Verbrennungsendprodukten als Dampf oder Dampf zurückbleibt.

Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass Sie berechnen könnenHHVaus der Zusammensetzung des Kraftstoffs selbst. Das sollte dir geben

mit jedemXals Massenanteil für Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Schwefel (S), Stickstoff (N), Sauerstoff (O) und den Restaschegehalt. Stickstoff und Sauerstoff wirken sich negativ auf dieHHVda sie nicht wie andere Elemente und Moleküle zur Wärmeabgabe beitragen.

Biodieselkraftstoffe bieten eine umweltfreundliche Methode zur Kraftstoffherstellung als Alternative zu anderen, schädlicheren Kraftstoffen. Sie werden aus natürlichen Ölen, Sojabohnenextrakten und Algen hergestellt. Diese erneuerbare Kraftstoffquelle führt zu einer geringeren Umweltbelastung und wird normalerweise mit Erdölkraftstoffen (Benzin- und Dieselkraftstoffen) gemischt. Dies macht sie zu idealen Kandidaten für die Untersuchung des Energieverbrauchs eines Kraftstoffs anhand von Größen wie Energiedichte und Energiegehalt.

Leider haben Biodieselkraftstoffe aus energetischer Sicht einen hohen Sauerstoffanteil, sodass sie bezogen auf ihre Masse (in MJ/kg) niedrigere Energiewerte aufweisen. Biodieselkraftstoffe haben einen um etwa 10 Prozent geringeren Massenenergiegehalt. B100 hat beispielsweise einen Energiegehalt von 119.550 Btu/gal.

Eine weitere Möglichkeit, den Energieverbrauch eines Kraftstoffs zu messen, ist die Energiebilanz, die für Biodiesel 4,56 beträgt. Das bedeutet, dass Biodieselkraftstoffe 4,56 Energieeinheiten für jede verbrauchte Einheit fossiler Energie produzieren. Andere Kraftstoffe enthalten mehr Energie, wie beispielsweise B20, eine Mischung aus Diesel und Biomassekraftstoff. Dieser Kraftstoff hat etwa 99 Prozent der Energie einer Gallone Diesel oder 109 Prozent der Energie einer Gallone Benzin.

Es gibt alternative Methoden, um den Wirkungsgrad der von Biomasse abgegebenen Wärme im Allgemeinen zu bestimmen. Wissenschaftler und Ingenieure, die Biomasse untersuchen, verwenden die Bombenkalorimeter-Methode, um die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme zu messen, die entweder an die Luft oder das den Behälter umgebende Wasser übertragen wird. Daraus können Sie dieHHVfür die Biomasse.