Kako izračunati gustoću energije

Što benzin i druga goriva čini tako moćnima? Potencijal kemijskih smjesa poput goriva koje pokreću automobili proizlazi iz reakcija koje su ti materijali u stanju izazvati.

Ovu gustoću energije možete izmjeriti pomoću jednostavnih formula i jednadžbi koje upravljaju tim kemijskim i fizičkim svojstvima kada se goriva koriste. Jednadžba gustoće energije daje način mjerenja ove snažne energije s obzirom na samo gorivo.

Formula zagustoća energijeje

za gustoću energijeE_d, energijaEi volumenV. Također možete izmjeritispecifična energija​ ​E_skaoE / Mza masu umjesto zapremine. Specifična energija usko je povezana s raspoloživom energijom koju goriva koriste za pogon automobila nego što je gustoća energije. Referentne tablice pokazuju da benzin, kerozin i dizel goriva imaju puno veću gustoću energije od ugljena, metanola i drva.

Bez obzira na to, kemičari, fizičari i inženjeri koriste i gustoću energije i specifičnu energiju prilikom dizajniranja automobila i ispitivanja materijala za fizička svojstva. Možete odrediti koliko će energije dati gorivo na temelju izgaranja ove gusto zbijene energije. To se mjeri kroz sadržaj energije.

Količina energije po jedinici mase ili volumena koju gorivo odaje kada sagorijeva je energetski sadržaj goriva. Dok gušće pakirana goriva imaju veće vrijednosti energetskog sadržaja u smislu volumena, goriva niže gustoće uglavnom proizvode više energetskog sadržaja po jedinici mase.

Sadržaj energije mora se mjeriti za zadani volumen plina t određenu temperaturu i tlak. U Sjedinjenim Državama inženjeri i znanstvenici izvještavaju o energetskom sadržaju u međunarodnim britanskim toplinskim jedinicama (BtuIT), dok se u Kanadi i Meksiku energetski sadržaj izvještava u džulima (J).

Također možete koristitikalorijaza prijavu energetskog sadržaja. Standardnije metode izračunavanja energetskog udjela u znanosti i inženjerstvu koriste količinu topline proizvedene kada sagorijete jedan gram tog materijala u džulima po gramu (J / g).

Koristeći ovu jedinicu džula po gramu, možete izračunati koliko se topline odaje povećavanjem temperature određene tvari kada znate specifični toplinski kapacitetC_strtog materijala. TheC_strvode iznosi 4,18 J / g ° C. Jednadžbu koristite za toplinuHkao

u kojem∆Tje promjena temperature, a m masa tvari u gramima.

Ako eksperimentalno izmjerite početnu i konačnu temperaturu kemijskog materijala, možete odrediti toplinu koju odaje reakcija. Ako biste tikvicu goriva zagrijali kao spremnik i zabilježili promjenu temperature u prostoru neposredno izvan spremnika, možete izmjeriti toplinu koja se daje pomoću ove jednadžbe.

Prilikom mjerenja temperatura, temperaturna sonda može kontinuirano mjeriti temperaturu tijekom vremena. To će vam pružiti širok raspon temperatura za koje možete koristiti jednadžbu topline. Također biste trebali potražiti mjesta na grafikonu koja pokazuju alinearni odnosizmeđu temperature tijekom vremena, jer bi to pokazalo da se temperatura odaje konstantnom brzinom. To vjerojatno ukazuje na linearni odnos između temperature i topline koji koristi jednadžba topline.

Zatim, ako izmjerite koliko se masa goriva promijenila, možete odrediti kako je energija pohranjena u toj količini mase za gorivo. Alternativno, možete izmjeriti koliki je volumen razlike za odgovarajuće jedinice gustoće energije.

Ova metoda, poznata kaokalorimetar bombemetoda, daje vam eksperimentalnu metodu korištenja formule gustoće energije za izračunavanje ove gustoće. Prefinjenije metode mogu uzeti u obzir toplinu izgubljenu na stijenkama same posude ili provođenje topline kroz materijal spremnika.

Također možete izraziti energetski sadržaj kao varijaciju veće vrijednosti grijanja (HHV). To je količina topline koju na sobnoj temperaturi (25 ° C) oslobađa masa ili volumen goriva nakon što sagori, a proizvodi se vrate na sobnu temperaturu. Ova metoda uzima u obzir latentnu toplinu, entalpijsku toplinu koja nastaje kada se tijekom hlađenja materijala dogodi skrućivanje i fazne transformacije u čvrstom stanju.

Ovom metodom udio energije daje se veća vrijednost grijanja u uvjetima bazne zapremine (HHV_b). U standardnim ili osnovnim uvjetima, brzina protoka energijeq_Hbjednak je umnošku volumetrijskog protokaq_vba veća vrijednost grijanja u uvjetima osnovne zapremine u jednadžbi

Kroz eksperimentalne metode, znanstvenici i inženjeri proučavali suHHV_bza različita goriva kako bi se utvrdilo kako se to može odrediti kao funkcija ostalih varijabli koje se odnose na učinkovitost goriva. Standardni uvjeti definirani su kao 10 ° C (273,15 K ili 32 oF) i 105 paskala (1 bar).

Ovi empirijski rezultati pokazali su daHHV_bovisi o tlaku i temperaturi u osnovnim uvjetima, kao i o sastavu goriva ili plina. Suprotno tome, niža vrijednost grijanjaLHVje isto mjerenje, ali na mjestu na kojem voda u konačnim produktima izgaranja ostaje kao para ili para.

Druga su istraživanja pokazala da možete izračunatiHHVod sastava samog goriva. Ovo bi vam trebalo dati

sa svakimxkao frakcijska masa ugljika (C), vodika (H), sumpora (S), dušika (N), kisika (O) i preostalog sadržaja pepela. Dušik i kisik imaju nepovoljan učinak naHHVjer ne doprinose oslobađanju topline kao što to čine drugi elementi i molekule.

Biodizelska goriva nude ekološki prihvatljivu metodu proizvodnje goriva kao alternativu drugim, štetnijim gorivima. Stvoreni su od prirodnih ulja, ekstrakata soje i algi. Ovaj obnovljivi izvor goriva rezultira manjim onečišćenjem okoliša, a oni se obično miješaju s naftnim gorivima (benzin i dizel goriva). To ih čini idealnim kandidatima za proučavanje koliko energije gorivo koristi koristeći količine poput gustoće energije i sadržaja energije.

Nažalost iz perspektive energetskog sadržaja, biodizelska goriva imaju veliku količinu kisika, pa proizvode niže energetske vrijednosti s obzirom na svoju masu (u jedinicama MJ / kg). Biodizelska goriva imaju oko 10 posto manji udio masene mase. B100, na primjer, ima energetski sadržaj 119.550 Btu / gal.

Drugi način mjerenja koliko energije gorivo koristi je energetska bilanca, koja za biodizel iznosi 4,56. To znači da biodizelska goriva proizvode 4,56 jedinica energije za svaku jedinicu fosilne energije koju koriste. Ostala goriva pakiraju više energije, poput B20, mješavine dizela i goriva od biomase. Ovo gorivo ima oko 99 posto energije jednog galona dizela ili 109 posto energije jednog galona benzina.

Postoje alternativne metode za određivanje učinkovitosti topline koju odaje biomasa općenito. Znanstvenici i inženjeri koji proučavaju biomasu koriste metodu kalorimetra bombe za mjerenje topline oslobođene izgaranjem koja se prenosi u zrak ili vodu koja okružuje spremnik. Iz toga možete odreditiHHVza biomasu.