Comment calculer la densité énergétique

Qu'est-ce qui rend l'essence et les autres carburants si puissants? Le potentiel des mélanges chimiques tels que les carburants qui alimentent les voitures provient des réactions que ces matériaux sont capables de provoquer.

Vous pouvez mesurer cette densité d'énergie à l'aide de formules et d'équations simples qui régissent ces propriétés chimiques et physiques lorsque les combustibles sont utilisés. L'équation de densité d'énergie donne un moyen de mesurer cette énergie puissante par rapport au carburant lui-même.

La formule pourdensité d'énergieest

pour la densité énergétiqueE_ré, énergieEet le volumeV. Vous pouvez également mesurer laénergie spécifique​ ​E_scommeE/Hpour la masse au lieu du volume. L'énergie spécifique est plus étroitement corrélée à l'énergie disponible que les carburants utilisent pour alimenter les voitures que ne l'est la densité énergétique. Les tableaux de référence montrent que l'essence, le kérosène et les carburants diesel ont des densités énergétiques beaucoup plus élevées que le charbon, le méthanol et le bois.

Quoi qu'il en soit, les chimistes, les physiciens et les ingénieurs utilisent à la fois la densité d'énergie et l'énergie spécifique lors de la conception des automobiles et des tests de propriétés physiques des matériaux. Vous pouvez déterminer la quantité d'énergie qu'un carburant dégagera en fonction de la combustion de cette énergie dense. Ceci est mesuré par le contenu énergétique.

La quantité d'énergie par unité de masse ou de volume qu'un carburant dégage lorsqu'il brûle est le contenu énergétique du carburant. Alors que les carburants plus denses ont des valeurs de contenu énergétique plus élevées en termes de volume, les carburants à plus faible densité produisent généralement plus de contenu énergétique par unité de masse.

Le contenu énergétique doit être mesuré pour un volume de gaz donné à une température et une pression spécifiques. Aux États-Unis, les ingénieurs et les scientifiques rapportent le contenu énergétique en unités thermiques britanniques internationales (BtuIT) tandis qu'au Canada et au Mexique, le contenu énergétique est déclaré en joules (J).

Vous pouvez aussi utilisercaloriespour déclarer le contenu énergétique. Des méthodes plus standard de calcul du contenu énergétique en science et en ingénierie utilisent la quantité de chaleur produite lorsque vous brûlez un seul gramme de ce matériau en joules par gramme (J/g).

En utilisant cette unité de joules par gramme, vous pouvez calculer la quantité de chaleur dégagée en augmentant la température d'une substance spécifique lorsque vous connaissez la capacité thermique spécifiqueC_pde ce matériau. leC_pd'eau est de 4,18 J/g°C. Vous utilisez l'équation pour la chaleurHcomme

dans lequelTest un changement de température, et m est la masse de la substance en grammes.

Si vous mesurez expérimentalement les températures initiale et finale d'un matériau chimique, vous pouvez déterminer la chaleur dégagée par la réaction. Si vous deviez chauffer un flacon de carburant en tant que conteneur et enregistrer le changement de température dans l'espace situé directement à l'extérieur du conteneur, vous pouvez mesurer la chaleur dégagée à l'aide de cette équation.

Lors de la mesure des températures, une sonde de température peut mesurer en continu la température au fil du temps. Cela vous donnera une large gamme de températures pour lesquelles vous pouvez utiliser l'équation de la chaleur. Vous devriez également rechercher des endroits dans le graphique qui montrent unrelation linéaireentre la température au fil du temps, car cela montrerait que la température est émise à un rythme constant. Cela indique probablement la relation linéaire entre la température et la chaleur que l'équation de la chaleur utilise.

Ensuite, si vous mesurez à quel point la masse du carburant a changé, vous pouvez déterminer comment l'énergie a été stockée dans cette quantité de masse pour le carburant. Alternativement, vous pouvez mesurer la différence de volume pour les unités de densité d'énergie appropriées.

Cette méthode, connue sous le nom decalorimètre de bombeméthode, vous donne une méthode expérimentale d'utilisation de la formule de densité d'énergie pour calculer cette densité. Des méthodes plus raffinées peuvent prendre en compte la chaleur perdue vers les parois du conteneur lui-même ou la conduction de la chaleur à travers le matériau du conteneur.

Vous pouvez également exprimer le contenu énergétique en tant que variation du pouvoir calorifique supérieur (PCS). Il s'agit de la quantité de chaleur dégagée à température ambiante (25 °C) par une masse ou un volume de carburant après sa combustion et le retour des produits à température ambiante. Cette méthode tient compte de la chaleur latente, la chaleur enthalpique qui se dégage lorsque la solidification et les transformations de phase à l'état solide se produisent lors du refroidissement d'un matériau.

Grâce à cette méthode, le contenu énergétique est donné par le pouvoir calorifique supérieur aux conditions de volume de base (PCS_b). Aux conditions standard ou de base, le débit d'énergieq_Hbest égal au produit du débit volumétriqueq_vbet le pouvoir calorifique supérieur aux conditions de volume de base dans l'équation

Grâce à des méthodes expérimentales, des scientifiques et des ingénieurs ont étudié lesPCS_bpour divers carburants afin de déterminer comment il peut être déterminé en fonction d'autres variables pertinentes à l'efficacité énergétique. Les conditions standard sont définies comme 10 °C (273,15 K ou 32 oF) et 105 pascals (1 bar).

Ces résultats empiriques ont montré quePCS_bdépend de la pression et de la température dans les conditions de base ainsi que de la composition du combustible ou du gaz. En revanche, le pouvoir calorifique inférieurPCIest la même mesure, mais au point auquel l'eau dans les produits de combustion finaux reste sous forme de vapeur ou de vapeur.

D'autres recherches ont montré que vous pouvez calculerPCSde la composition du carburant lui-même. Cela devrait vous donner

avec chaqueXcomme masse fractionnaire pour le carbone (C), l'hydrogène (H), le soufre (S), l'azote (N), l'oxygène (O) et la teneur en cendres restante. L'azote et l'oxygène ont un effet néfaste sur laPCScar ils ne contribuent pas à la libération de chaleur comme le font d'autres éléments et molécules.

Les carburants biodiesel offrent une méthode de production de carburant respectueuse de l'environnement comme alternative à d'autres carburants plus nocifs. Ils sont créés à partir d'huiles naturelles, d'extraits de soja et d'algues. Cette source de carburant renouvelable entraîne moins de pollution pour l'environnement, et ils sont généralement mélangés avec des carburants pétroliers (essence et carburants diesel). Cela en fait des candidats idéaux pour étudier la quantité d'énergie utilisée par un carburant en utilisant des quantités telles que la densité énergétique et le contenu énergétique.

Malheureusement, du point de vue du contenu énergétique, les carburants biodiesel ont une grande quantité d'oxygène, ils produisent donc des valeurs énergétiques plus faibles par rapport à leur masse (en unités de MJ/kg). Les carburants biodiesel ont une teneur en énergie massique inférieure d'environ 10 pour cent. Le B100, par exemple, a un contenu énergétique de 119 550 Btu/gal.

Une autre façon de mesurer la quantité d'énergie utilisée par un carburant est le bilan énergétique, qui, pour le biodiesel, est de 4,56. Cela signifie que les carburants biodiesel produisent 4,56 unités d'énergie pour chaque unité d'énergie fossile qu'ils utilisent. D'autres carburants contiennent plus d'énergie, comme le B20, un mélange de diesel et de biocombustible. Ce carburant a environ 99 pour cent de l'énergie d'un gallon de diesel ou 109 pour cent de l'énergie d'un gallon d'essence.

Des méthodes alternatives existent pour déterminer l'efficacité de la chaleur dégagée par la biomasse en général. Les scientifiques et les ingénieurs qui étudient la biomasse utilisent la méthode du calorimètre à bombe pour mesurer la chaleur dégagée par la combustion qui est transférée à l'air ou à l'eau entourant le conteneur. A partir de là, vous pouvez déterminer lePCSpour la biomasse.