Cómo calcular la densidad de energía

¿Qué hace que la gasolina y otros combustibles sean tan poderosos? El potencial de las mezclas químicas como los combustibles que impulsan los automóviles proviene de las reacciones que estos materiales pueden provocar.

Puede medir esta densidad de energía utilizando fórmulas y ecuaciones sencillas que rigen estas propiedades químicas y físicas cuando se utilizan los combustibles. La ecuación de densidad de energía proporciona una forma de medir esta poderosa energía con respecto al combustible en sí.

La fórmula paraDensidad de energiaes

para densidad de energíami_D, energíamiy volumenV. También puede medir elenergía específica​ ​mi_scomoE / Mpara masa en lugar de volumen. La energía específica se correlaciona más estrechamente con la energía disponible que utilizan los combustibles cuando se alimentan los automóviles que la densidad de energía. Las tablas de referencia muestran que la gasolina, el queroseno y los combustibles diesel tienen densidades de energía mucho más altas que el carbón, el metanol y la madera.

Independientemente, los químicos, físicos e ingenieros utilizan tanto la densidad de energía como la energía específica cuando diseñan automóviles y prueban materiales para determinar sus propiedades físicas. Puede determinar cuánta energía emitirá un combustible en función de la combustión de esta energía densamente empaquetada. Esto se mide a través del contenido de energía.

La cantidad de energía por unidad de masa o volumen que emite un combustible cuando se quema es el contenido energético del combustible. Mientras que los combustibles más densamente empaquetados tienen valores más altos de contenido energético en términos de volumen, los combustibles de menor densidad generalmente producen más contenido energético por unidad de masa.

El contenido de energía debe medirse para un volumen dado de gas a una temperatura y presión específicas. En los Estados Unidos, los ingenieros y científicos informan el contenido de energía en unidades térmicas británicas internacionales (BtuIT) mientras que, en Canadá y México, el contenido de energía se informa en julios (J).

También puedes usarcaloríaspara informar el contenido energético. Los métodos más estándar para calcular el contenido energético en ciencia e ingeniería utilizan la cantidad de calor que se produce cuando se quema un solo gramo de ese material en julios por gramo (J / g).

Con esta unidad de julios por gramo, puede calcular cuánto calor se emite aumentando la temperatura de una sustancia específica cuando conoce la capacidad calorífica específicaC_pagde ese material. LaC_pagde agua es 4,18 J / g ° C. Usas la ecuación para el calorHcomo

en el cual∆Tes un cambio de temperatura y m es la masa de la sustancia en gramos.

Si mide experimentalmente las temperaturas inicial y final de un material químico, puede determinar el calor que desprende la reacción. Si tuviera que calentar un frasco de combustible como recipiente y registrar el cambio de temperatura en el espacio directamente fuera del recipiente, puede medir el calor emitido utilizando esta ecuación.

Al medir temperaturas, una sonda de temperatura puede medir continuamente la temperatura a lo largo del tiempo. Esto le dará una amplia gama de temperaturas para las que puede usar la ecuación de calor. También debe buscar lugares en el gráfico que muestren unrelación linealentre la temperatura a lo largo del tiempo, ya que esto mostraría que la temperatura se emite a una velocidad constante. Esto probablemente indica la relación lineal entre temperatura y calor que usa la ecuación de calor.

Luego, si mide cuánto ha cambiado la masa del combustible, puede determinar cómo se almacenó la energía en esa cantidad de masa para el combustible. Alternativamente, puede medir la diferencia de volumen para las unidades de densidad de energía adecuadas.

Este método, conocido comocalorímetro de bombamétodo, le proporciona un método experimental de usar la fórmula de densidad de energía para calcular esta densidad. Los métodos más refinados pueden tener en cuenta la pérdida de calor en las paredes del contenedor o la conducción de calor a través del material del contenedor.

También puede expresar el contenido de energía como una variación del poder calorífico superior (HHV). Esta es la cantidad de calor liberado a temperatura ambiente (25 ° C) por una masa o volumen de combustible después de que se quema y los productos han vuelto a la temperatura ambiente. Este método tiene en cuenta el calor latente, el calor de entalpía que surge cuando se produce la solidificación y las transformaciones de fase en estado sólido durante el enfriamiento de un material.

A través de este método, el contenido de energía viene dado por el poder calorífico más alto en condiciones de volumen base (HHV_B). En condiciones estándar o base, la tasa de flujo de energíaq_{Media pensión}es igual al producto del caudal volumétricoq_vby el valor calorífico más alto en condiciones de volumen base en la ecuación

A través de métodos experimentales, científicos e ingenieros han estudiado laHHV_Bpara varios combustibles para determinar cómo se puede determinar en función de otras variables pertinentes a la eficiencia del combustible. Las condiciones estándar se definen como 10 ° C (273,15 K o 32 oF) y 105 pascales (1 bar).

Estos resultados empíricos han demostrado queHHV_Bdepende de la presión y la temperatura en las condiciones básicas, así como de la composición del combustible o gas. Por el contrario, el valor calorífico inferiorLHVes la misma medida, pero en el punto en el que el agua en los productos finales de combustión permanece como vapor o vapor.

Otras investigaciones han demostrado que puedes calcularHHVa partir de la composición del propio combustible. Esto debería darte

con cadaXcomo la masa fraccional de carbono (C), hidrógeno (H), azufre (S), nitrógeno (N), oxígeno (O) y el contenido restante de cenizas. El nitrógeno y el oxígeno tienen un efecto adverso sobre elHHVya que no contribuyen a la liberación de calor como lo hacen otros elementos y moléculas.

Los combustibles biodiesel ofrecen un método ecológico de producir combustible como alternativa a otros combustibles más dañinos. Están creados a partir de aceites naturales, extractos de soja y algas. Esta fuente de combustible renovable da como resultado una menor contaminación del medio ambiente y, por lo general, se mezcla con combustibles derivados del petróleo (gasolina y diésel). Esto los convierte en candidatos ideales para estudiar cuánta energía utiliza un combustible utilizando cantidades como la densidad de energía y el contenido de energía.

Desafortunadamente desde la perspectiva del contenido energético, los combustibles biodiesel tienen una gran cantidad de oxígeno, por lo que producen valores energéticos más bajos con respecto a su masa (en unidades de MJ / kg). Los combustibles biodiesel tienen un contenido energético de masa aproximadamente un 10 por ciento menor. B100, por ejemplo, tiene un contenido de energía de 119,550 Btu / gal.

Otra forma de medir la cantidad de energía que utiliza un combustible es el balance energético, que para el biodiésel es de 4,56. Esto significa que los combustibles biodiesel producen 4.56 unidades de energía por cada unidad de energía fósil que utilizan. Otros combustibles contienen más energía, como el B20, una mezcla de diesel con combustible de biomasa. Este combustible tiene aproximadamente el 99 por ciento de la energía de un galón de diesel o el 109 por ciento de la energía de un galón de gasolina.

Existen métodos alternativos para determinar la eficiencia del calor desprendido por la biomasa en general. Los científicos e ingenieros que estudian la biomasa utilizan el método del calorímetro de bomba para medir el calor liberado por la combustión que se transfiere al aire o al agua que rodea el contenedor. A partir de esto, puede determinar elHHVpara la biomasa.