Πώς να υπολογίσετε την ενεργειακή πυκνότητα

Τι κάνει τόσο βενζίνη και άλλα καύσιμα τόσο ισχυρά; Το δυναμικό των χημικών μιγμάτων, όπως τα καύσιμα που τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα προέρχονται από τις αντιδράσεις που μπορούν να προκαλέσουν αυτά τα υλικά.

Μπορείτε να μετρήσετε αυτήν την ενεργειακή πυκνότητα χρησιμοποιώντας απλούς τύπους και εξισώσεις που διέπουν αυτές τις χημικές και φυσικές ιδιότητες όταν χρησιμοποιούνται τα καύσιμα. Η εξίσωση ενεργειακής πυκνότητας δίνει έναν τρόπο μέτρησης αυτής της ισχυρής ενέργειας σε σχέση με το ίδιο το καύσιμο.

Ο τύπος γιαενεργειακή πυκνότηταείναι

για ενεργειακή πυκνότηταμι_ρε, ενέργειαμικαι όγκοςΒ. Μπορείτε επίσης να μετρήσετε τοσυγκεκριμένη ενέργεια​ ​μι_μικρόόπως καιΕ / Μγια μάζα αντί για όγκο. Η συγκεκριμένη ενέργεια συσχετίζεται στενότερα με την διαθέσιμη ενέργεια που χρησιμοποιούν τα καύσιμα όταν τροφοδοτούν αυτοκίνητα από την ενεργειακή πυκνότητα. Οι πίνακες αναφοράς δείχνουν ότι τα καύσιμα βενζίνης, κηροζίνης και ντίζελ έχουν πολύ μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τον άνθρακα, τη μεθανόλη και το ξύλο.

Ανεξάρτητα, οι χημικοί, οι φυσικοί και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν τόσο την ενεργειακή πυκνότητα όσο και τη συγκεκριμένη ενέργεια όταν σχεδιάζουν αυτοκίνητα και δοκιμάζουν υλικά για φυσικές ιδιότητες. Μπορείτε να προσδιορίσετε πόση ενέργεια θα εκπέμψει ένα καύσιμο με βάση την καύση αυτής της πυκνά συσκευασμένης ενέργειας. Αυτό μετράται μέσω ενεργειακού περιεχομένου.

Η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα μάζας ή όγκου που εκπέμπει ένα καύσιμο όταν καίει είναι το ενεργειακό περιεχόμενο του καυσίμου. Ενώ τα πιο πυκνά καύσιμα έχουν υψηλότερες τιμές ενεργειακής περιεκτικότητας σε όγκο, τα καύσιμα χαμηλότερης πυκνότητας γενικά παράγουν περισσότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα μάζας.

Η ενεργειακή περιεκτικότητα πρέπει να μετρηθεί για δεδομένο όγκο αερίου t μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, μηχανικοί και επιστήμονες αναφέρουν το ενεργειακό περιεχόμενο σε διεθνείς βρετανικές θερμικές μονάδες (BtuIT), ενώ, στον Καναδά και το Μεξικό, το ενεργειακό περιεχόμενο αναφέρεται σε joules (J).

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετεθερμίδεςνα αναφέρει ενεργειακό περιεχόμενο. Οι πιο τυπικές μέθοδοι υπολογισμού του ενεργειακού περιεχομένου στην επιστήμη και τη μηχανική χρησιμοποιούν την ποσότητα θερμότητας που παράγεται όταν καίτε ένα γραμμάριο αυτού του υλικού σε joules ανά γραμμάριο (J / g)

Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μονάδα joules ανά γραμμάριο, μπορείτε να υπολογίσετε πόση θερμότητα εκπέμπεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία μιας συγκεκριμένης ουσίας όταν γνωρίζετε τη συγκεκριμένη θερμική ικανότηταντο_Παυτού του υλικού. οντο_Πτου νερού είναι 4,18 J / g ° C. Χρησιμοποιείτε την εξίσωση για θερμότηταΗόπως και

στο οποίοΔΤείναι μια αλλαγή στη θερμοκρασία και το m είναι η μάζα της ουσίας σε γραμμάρια.

Εάν μετρήσετε πειραματικά τις αρχικές και τελικές θερμοκρασίες ενός χημικού υλικού, μπορείτε να προσδιορίσετε τη θερμότητα που εκπέμπεται από την αντίδραση. Εάν επρόκειτο να θερμάνετε μια φιάλη καυσίμου ως δοχείο και να καταγράψετε τη μεταβολή της θερμοκρασίας στο χώρο ακριβώς έξω από το δοχείο, μπορείτε να μετρήσετε τη θερμότητα που εκπέμπεται χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση.

Κατά τη μέτρηση θερμοκρασιών, ένας αισθητήρας θερμοκρασίας μπορεί να μετρά συνεχώς τη θερμοκρασία με την πάροδο του χρόνου. Αυτό θα σας δώσει ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών για τις οποίες μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση θερμότητας. Θα πρέπει επίσης να αναζητήσετε μέρη στο γράφημα που δείχνουν έναγραμμική σχέσημεταξύ της θερμοκρασίας με την πάροδο του χρόνου, καθώς αυτό δείχνει ότι η θερμοκρασία εκπέμπεται με σταθερό ρυθμό. Αυτό δείχνει πιθανώς τη γραμμική σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και θερμότητας που χρησιμοποιεί η εξίσωση θερμότητας.

Στη συνέχεια, εάν μετρήσετε πόσο έχει αλλάξει η μάζα του καυσίμου, μπορείτε να προσδιορίσετε πώς αποθηκεύτηκε η ενέργεια σε αυτήν την ποσότητα μάζας για το καύσιμο. Εναλλακτικά, θα μπορούσατε να μετρήσετε πόση διαφορά όγκου ισχύει για τις κατάλληλες μονάδες ενεργειακής πυκνότητας.

Αυτή η μέθοδος, γνωστή ωςθερμιδόμετρο βόμβαμέθοδος, σας δίνει μια πειραματική μέθοδο χρήσης του τύπου ενεργειακής πυκνότητας για τον υπολογισμό αυτής της πυκνότητας. Οι πιο εξευγενισμένες μέθοδοι μπορούν να λάβουν υπόψη την απώλεια θερμότητας στα τοιχώματα του ίδιου του δοχείου ή την αγωγή θερμότητας μέσω του υλικού του δοχείου.

Μπορείτε επίσης να εκφράσετε το ενεργειακό περιεχόμενο ως παραλλαγή της υψηλότερης τιμής θέρμανσης (HHV). Αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται σε θερμοκρασία δωματίου (25 ° C) κατά μάζα ή όγκο καυσίμου μετά την καύση και τα προϊόντα έχουν επιστρέψει στη θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η μέθοδος αντιπροσωπεύει την λανθάνουσα θερμότητα, τη θερμότητα ενθαλπίας που προκύπτει όταν στερεοποιούνται και μετασχηματισμοί φάσης στερεάς κατάστασης κατά τη διάρκεια της ψύξης ενός υλικού.

Μέσω αυτής της μεθόδου, το ενεργειακό περιεχόμενο δίνεται από την υψηλότερη τιμή θέρμανσης σε συνθήκες βασικού όγκου (HHV_σι). Σε τυπικές ή βασικές συνθήκες, ο ρυθμός ροής ενέργειαςε_Hbισούται με το προϊόν του ογκομετρικού ρυθμού ροήςε_vbκαι η υψηλότερη τιμή θέρμανσης σε συνθήκες βασικού όγκου στην εξίσωση

Μέσω πειραματικών μεθόδων, επιστήμονες και μηχανικοί έχουν μελετήσει τοHHV_σιγια να καθορίσουν διάφορα καύσιμα πώς μπορεί να προσδιοριστεί ως συνάρτηση άλλων μεταβλητών που σχετίζονται με την απόδοση καυσίμου. Οι τυπικές συνθήκες ορίζονται ως 10 ° C (273,15 K ή 32 oF) και 105 pascals (1 bar).

Αυτά τα εμπειρικά αποτελέσματα έχουν δείξει ότιHHV_σιεξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία στις βασικές συνθήκες καθώς και από τη σύνθεση του καυσίμου ή του αερίου. Σε αντίθεση, η χαμηλότερη τιμή θέρμανσηςLHVείναι η ίδια μέτρηση, αλλά στο σημείο στο οποίο το νερό στα τελικά προϊόντα καύσης παραμένει ως ατμός ή ατμός.

Άλλες έρευνες έχουν δείξει ότι μπορείτε να υπολογίσετεHHVαπό τη σύνθεση του ίδιου του καυσίμου. Αυτό θα σας δώσει

με κάθεΧόπως η κλασματική μάζα για άνθρακα (C), υδρογόνο (Η), θείο (S), άζωτο (N), οξυγόνο (O) και την υπόλοιπη περιεκτικότητα σε τέφρα. Το άζωτο και το οξυγόνο έχουν δυσμενή επίδραση στοHHVκαθώς δεν συμβάλλουν στην απελευθέρωση της θερμότητας όπως κάνουν και άλλα στοιχεία και μόρια.

Τα καύσιμα βιοντίζελ προσφέρουν μια φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής καυσίμων ως εναλλακτική λύση σε σχέση με άλλα, πιο επιβλαβή καύσιμα. Δημιουργούνται από φυσικά έλαια, εκχυλίσματα σόγιας και φύκια. Αυτή η ανανεώσιμη πηγή καυσίμου έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη ρύπανση στο περιβάλλον και συνήθως αναμιγνύονται με καύσιμα πετρελαίου (βενζίνη και ντίζελ). Αυτό τους καθιστά ιδανικούς υποψηφίους για να μελετήσουν πόση ενέργεια χρησιμοποιεί ένα καύσιμο χρησιμοποιώντας ποσότητες όπως ενεργειακή πυκνότητα και ενεργειακό περιεχόμενο.

Δυστυχώς, από άποψη ενεργειακού περιεχομένου, τα καύσιμα βιοντίζελ έχουν μεγάλη ποσότητα οξυγόνου, επομένως παράγουν χαμηλότερες ενεργειακές τιμές σε σχέση με τη μάζα τους (σε μονάδες MJ / kg). Τα καύσιμα βιοντίζελ έχουν περίπου 10% χαμηλότερη περιεκτικότητα σε ενέργεια μάζας. Το B100, για παράδειγμα, έχει ενεργειακή περιεκτικότητα 119.550 Btu / gal.

Ένας άλλος τρόπος μέτρησης της ενέργειας που χρησιμοποιεί ένα καύσιμο είναι το ενεργειακό ισοζύγιο, το οποίο, για το βιοντίζελ είναι 4,56. Αυτό σημαίνει ότι τα καύσιμα βιοντίζελ παράγουν 4,56 μονάδες ενέργειας για κάθε μονάδα ορυκτής ενέργειας που χρησιμοποιούν. Άλλα καύσιμα καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια, όπως το B20, ένα μείγμα ντίζελ με καύσιμο βιομάζας. Αυτό το καύσιμο έχει περίπου 99 τοις εκατό της ενέργειας ενός γαλλονίου ντίζελ ή 109 τοις εκατό της ενέργειας ενός γαλλονιού βενζίνης.

Υπάρχουν εναλλακτικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας της θερμότητας που εκπέμπεται από τη βιομάζα γενικά. Επιστήμονες και μηχανικοί που μελετούν τη βιομάζα χρησιμοποιούν τη μέθοδο θερμιδόμετρου βόμβας για τη μέτρηση της θερμότητας που εκλύεται από την καύση που μεταφέρεται είτε στον αέρα είτε στο νερό που περιβάλλει το δοχείο. Από αυτό, μπορείτε να προσδιορίσετε τοHHVγια τη βιομάζα.