Kuinka laskea energian tiheys

Mikä tekee bensiinistä ja muista polttoaineista niin voimakkaita? Kemiallisten seosten, kuten polttoaineiden, potentiaali, joka autoja saa aikaan reaktioista, joita nämä materiaalit voivat aiheuttaa.

Voit mitata tämän energiatiheyden käyttämällä suoraviivaisia ​​kaavoja ja yhtälöitä, jotka säätelevät näitä kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, kun polttoaineet otetaan käyttöön. Energiatiheysyhtälö antaa tavan mitata tämä voimakas energia itse polttoaineen suhteen.

KaavaenergiatiheysOn

energiatiheydelleE_d, energiaaEja tilavuusV. Voit myös mitataominaisenergiaa​ ​E_skutenE / Mmassalle tilavuuden sijasta. Spesifinen energia korreloi läheisemmin käytettävissä olevaan energiaan, jota polttoaineet käyttävät autoja käytettäessä, kuin energiatiheys. Vertailutaulukot osoittavat, että bensiinillä, kerosiinilla ja dieselpolttoaineilla on paljon suuremmat energiatiheydet kuin kivihiilellä, metanolilla ja puulla.

Kemistit, fyysikot ja insinöörit käyttävät kuitenkin sekä energiatiheyttä että ominaisenergiaa suunniteltaessa autoja ja testaamalla materiaaleja fysikaalisten ominaisuuksien suhteen. Tämän tiheästi pakatun energian palamisen perusteella voit määrittää, kuinka paljon energiaa polttoaine antaa. Tämä mitataan energiasisällön avulla.

Energian määrä massa- tai tilavuusyksikköä kohden, jonka polttoaine antaa palamisen aikana, on polttoaineen energiasisältö. Vaikka tiheämmin pakatuilla polttoaineilla on suuremmat energiasisällön tilavuuden arvot, pienemmän tiheyden polttoaineilla tuotetaan yleensä enemmän energiasisältöä massayksikköä kohti.

Energiasisältö on mitattava tietylle kaasun tilavuudelle t tietylle lämpötilalle ja paineelle. Yhdysvalloissa insinöörit ja tutkijat ilmoittavat energiasisällön Ison-Britannian lämpöyksiköissä (BtuIT), kun taas Kanadassa ja Meksikossa energiasisältö ilmoitetaan jouleina (J).

Voit myös käyttääkaloreitaraportoida energiasisältö. Tavallisemmissa tieteen ja tekniikan energiasisällön laskentamenetelmissä käytetään tuotetun lämmön määrää, kun poltat yhden gramman materiaalia jouleina grammaa kohti (J / g).

Käyttämällä tätä joulen yksikköä grammaa kohden voit laskea, kuinka paljon lämpöä luovutetaan nostamalla tietyn aineen lämpötilaa, kun tiedät tietyn lämpökapasiteetinC_smateriaalista.C_svettä on 4,18 J / g ° C. Käytät yhtälöä lämpöönHkuten

jossa.Ton lämpötilan muutos ja m on aineen massa grammoina.

Jos mitat kokeellisesti kemiallisen materiaalin alku- ja loppulämpötiloja, voit määrittää reaktion tuottaman lämmön. Jos haluat lämmittää pullon polttoainesäiliönä ja tallentaa lämpötilan muutoksen suoraan astian ulkopuolella olevaan tilaan, voit mitata luovutetun lämmön tällä yhtälöllä.

Lämpötilaa mitattaessa lämpötila-anturi voi mitata lämpötilaa jatkuvasti ajan mittaan. Tämä antaa sinulle laajan lämpötila-alueen, johon voit käyttää lämpöyhtälöä. Sinun tulisi myös etsiä kaaviosta paikkoja, joissa näkyy alineaarinen suhdelämpötilan välillä ajan mittaan, koska tämä osoittaisi, että lämpötilaa annetaan tasaisella nopeudella. Tämä osoittaa todennäköisesti lämpötilan ja lämmön lineaarisen suhteen, jota lämpöyhtälö käyttää.

Jos sitten mitataan, kuinka paljon polttoaineen massa on muuttunut, voit määrittää, kuinka energiaa varastoitiin polttoaineen massaan. Vaihtoehtoisesti voit mitata, kuinka suuri tilavuusero tämä on sopiville energiatiheysyksiköille.

Tämä menetelmä, joka tunnetaan nimelläpommi kalorimetrimenetelmä, antaa sinulle kokeellisen menetelmän energiatiheyskaavan käyttämiseksi tämän tiheyden laskemiseksi. Hienommilla menetelmillä voidaan ottaa huomioon itse säiliön seinämiin menetetty lämpö tai lämmön johtuminen säiliön materiaalin läpi.

Voit myös ilmaista energiasisällön vaihteluna korkeammalle lämmitysarvolle (HHV). Tämä on lämmön määrä, joka vapautuu huoneenlämmössä (25 ° C) polttoaineen massasta tai tilavuudesta sen palamisen jälkeen, ja tuotteet ovat palanneet huoneenlämpötilaan. Tämä menetelmä ottaa huomioon piilevän lämmön, entalpian lämmön, joka syntyy, kun jähmettyminen ja kiinteän faasin muunnokset tapahtuvat materiaalin jäähdyttämisen aikana.

Tämän menetelmän avulla energiasisältö saadaan korkeammalla lämmitysarvolla perustilavuusolosuhteissa (HHV_b). Energian virtausnopeus vakio- tai perusolosuhteissaq_Hbon yhtä suuri kuin tilavuusvirran tuloq_vbja korkeampi lämmitysarvo perusmääräolosuhteissa yhtälössä

Kokeellisten menetelmien avulla tutkijat ja insinöörit ovat tutkineetHHV_beri polttoaineille sen määrittämiseksi, kuinka se voidaan määrittää muiden polttoainetehokkuuteen liittyvien muuttujien funktiona. Vakio-olosuhteiksi määritetään 10 ° C (273,15 K tai 32 oF) ja 105 paskaa (1 bar).

Nämä empiiriset tulokset ovat osoittaneet senHHV_briippuu paineesta ja lämpötilasta perusolosuhteissa sekä polttoaineen tai kaasun koostumuksesta. Sen sijaan alempi lämmitysarvoLHVon sama mittaus, mutta siinä pisteessä, jossa lopullisten palamistuotteiden vesi pysyy höyrynä tai höyrynä.

Muut tutkimukset ovat osoittaneet, että voit laskeaHHVitse polttoaineen koostumuksesta. Tämän pitäisi antaa sinulle

jokaisen kanssaXhiili (C), vety (H), rikki (S), typpi (N), happi (O) ja jäljellä olevan tuhkapitoisuuden osamassana. Typpi ja happi vaikuttavat haitallisestiHHVkoska ne eivät edistä lämmön vapautumista, kuten muut elementit ja molekyylit.

Biodieselpolttoaineet tarjoavat ympäristöystävällisen menetelmän polttoaineiden valmistamiseksi vaihtoehtona muille, haitallisemmille polttoaineille. Ne on luotu luonnollisista öljyistä, soijapapuuutteista ja levistä. Tämä uusiutuva polttoainelähde aiheuttaa vähemmän ympäristön pilaantumista, ja ne sekoitetaan yleensä öljypolttoaineiden (bensiini- ja dieselpolttoaineiden) kanssa. Tämä tekee heistä ihanteelliset ehdokkaat tutkimaan kuinka paljon energiaa polttoaine käyttää käyttämällä määriä, kuten energiatiheys ja energiasisältö.

Valitettavasti energiasisällön näkökulmasta biodieselpolttoaineilla on suuri määrä happea, joten ne tuottavat pienempiä energia-arvoja suhteessa massaan (yksikköinä MJ / kg). Biodieselpolttoaineilla on noin 10 prosenttia pienempi massaenergiapitoisuus. Esimerkiksi B100: n energiasisältö on 119 550 BTU / gal.

Toinen tapa mitata polttoaineen energiankulutusta on energiatase, joka biodieselin osalta on 4,56. Tämä tarkoittaa, että biodieselpolttoaineet tuottavat 4,56 energiayksikköä kutakin käyttämää fossiilista energiayksikköä kohti. Muut polttoaineet pakkaavat enemmän energiaa, kuten B20, dieselin ja biomassapolttoaineen seos. Tällä polttoaineella on noin 99 prosenttia yhden gallonan dieselpolttoaineen energiasta tai 109 prosenttia yhden gallonan bensiinin energiasta.

On olemassa vaihtoehtoisia menetelmiä biomassan luovuttaman lämmön hyötysuhteen määrittämiseksi yleensä. Biomassaa tutkivat tiedemiehet ja insinöörit mittaavat pommi-kalorimetrimenetelmällä palamisesta vapautunutta lämpöä, joka siirtyy joko säiliötä ympäröivään ilmaan tai veteen. Tämän perusteella voit määrittääHHVbiomassalle.