Az energia sűrűségének kiszámítása

Mitől olyan erős a benzin és más üzemanyagok? Az olyan kémiai keverékek, mint például az üzemanyagok potenciálja, amely az autókat meghajtja azokból a reakciókból származik, amelyeket ezek az anyagok képesek kiváltani.

Ezt az energiasűrűséget egyenes képletek és egyenletek segítségével mérheti, amelyek szabályozzák ezeket a kémiai és fizikai tulajdonságokat az üzemanyagok használatakor. Az energiasűrűség-egyenlet lehetővé teszi ennek az erőteljes energiának a mérését az üzemanyag tekintetében.

A képletenergia sűrűségvan

az energia sűrűségéreE_d, energiaEés a hangerőV. Azt is megmérhetifajlagos energia​ ​E_smintE / Mtérfogat helyett tömegre. A fajlagos energia szorosabban korrelál a rendelkezésre álló energiával, amelyet az üzemanyagok az autók meghajtása során használnak, mint az energia sűrűsége. A referenciatáblázatok azt mutatják, hogy a benzin, a kerozin és a dízelüzemanyagok sokkal nagyobb energiasűrűségűek, mint a szén, a metanol és a fa.

Ettől függetlenül a vegyészek, fizikusok és mérnökök mind az energiasűrűséget, mind a fajlagos energiát felhasználják az autók tervezésénél és az anyagok fizikai tulajdonságainak tesztelésénél. E sűrűn töltött energia elégetése alapján meghatározhatja, hogy egy üzemanyag mennyi energiát ad le. Ezt energiatartalommal mérik.

A tüzelőanyag égéskor leadott tömegegységre vagy térfogatra jutó energiamennyiség az üzemanyag energiatartalma. Míg a sűrűbb csomagolású üzemanyagok energiatartalma nagyobb térfogatban, a kisebb sűrűségű üzemanyagok általában több energiatartalmat termelnek tömegegységenként.

Az energiatartalmat meg kell mérni egy adott gázmennyiségre, egy adott hőmérsékletre és nyomásra. Az Egyesült Államokban mérnökök és tudósok jelentik az energiatartalmat a nemzetközi brit hőegységekben (BtuIT), míg Kanadában és Mexikóban az energiatartalmat joule-ban (J) adják meg.

Használhatja iskalóriahogy jelentse az energiatartalmat. A tudomány és a műszaki tudományok energiatartalmának kiszámítására szolgáló szabványosabb módszerek az előállított hőmennyiséget használják, ha az anyag egyetlen grammját joule / grammban (J / g) elégetik.

Ennek a grammnyi joule egységnek a segítségével kiszámolhatja, hogy mennyi hőt ad le egy adott anyag hőmérsékletének növelésével, amikor ismeri a fajlagos hőkapacitástC_oannak az anyagnak. AC_oa víz 4,18 J / g ° C. A hőhöz használjuk az egyenletetHmint

amiben∆Ta hőmérséklet változása, m pedig az anyag tömege grammban.

Ha kísérletileg megmérjük egy kémiai anyag kezdeti és végső hőmérsékletét, meghatározhatjuk a reakció által leadott hőt. Ha tartályként melegítene egy lombikot üzemanyagot, és a hőmérséklet változását a tartályon kívüli térben rögzítse, akkor az egyenlet segítségével megmérheti a leadott hőt.

A hőmérséklet mérésekor a hőmérséklet-szonda idővel folyamatosan mérheti a hőmérsékletet. Ez széles hőmérsékleti tartományt ad, amelyhez a hőegyenletet használhatja. A grafikonon olyan helyeket is meg kell keresnie, amelyek a-t mutatnaklineáris kapcsolatidőközben a hőmérséklet között, mivel ez azt mutatja, hogy a hőmérsékletet állandó sebességgel adják le. Ez valószínűleg a hőmérséklet és a hő közötti lineáris kapcsolatot jelzi, amelyet a hőegyenlet használ.

Ezután, ha megméred, hogy az üzemanyag tömege mennyire változott, meghatározhatod, hogyan tároltak energiát ebben az üzemanyag-mennyiségben. Alternatív megoldásként meg lehet mérni, hogy ez mekkora térfogatkülönbség a megfelelő energiasűrűség-egységeknél.

Ez a módszer, az úgynevezettbomba kalorimétermódszer, kísérleti módszert ad az energiasűrűség képletének felhasználására ennek a sűrűségnek a kiszámításához. A finomabb módszerek figyelembe vehetik magának a tartálynak a falain elvesztett hőt vagy a tartály anyagán keresztüli hővezetést.

Az energiatartalmat a magasabb fűtési érték (HHV). Ez az a hőmennyiség, amelyet szobahőmérsékleten (25 ° C) szabadít fel egy tüzelőanyag tömege vagy térfogata az égés után, és a termékek visszatérnek szobahőmérsékletre. Ez a módszer figyelembe veszi a látens hőt, az entalpia-hőt, amely akkor keletkezik, amikor megszilárdulás és szilárdtest-fázisú transzformációk történnek egy anyag hűtése során.

Ezzel a módszerrel az energiatartalmat a magasabb fűtési érték adja meg az alaptérfogat körülményei között (HHV_b). Normál vagy bázis körülmények között az energia áramlási sebességeq_Hbegyenlő a térfogatáram szorzatávalq_vbés a magasabb fűtési érték az alaptérfogat körülményei között az egyenletben

Kísérleti módszerekkel tudósok és mérnökök tanulmányozták aHHV_bkülönféle üzemanyagok esetében annak meghatározása, hogyan lehet meghatározni az üzemanyag-hatékonyságra vonatkozó egyéb változók függvényében. A standard feltételeket 10 ° C (273,15 K vagy 32 oF) és 105 passzál (1 bar) határozza meg.

Ezek az empirikus eredmények azt mutattákHHV_bfügg az alap körülmények közötti nyomástól és hőmérséklettől, valamint az üzemanyag vagy gáz összetételétől. Ezzel szemben az alacsonyabb fűtési értékLHVugyanaz a mérés, de azon a ponton, ahol a végső égéstermékekben a víz gőzként vagy gőzként marad.

Más kutatások kimutatták, hogy ki tudja számolniHHVmaga az üzemanyag összetétele. Ennek meg kell adnia

mindegyikkelxa szén (C), a hidrogén (H), a kén (S), a nitrogén (N), az oxigén (O) és a maradék hamutartalom frakcionált tömegeként. A nitrogén és az oxigén káros hatással van aHHVmivel nem járulnak hozzá a hő felszabadulásához, mint más elemek és molekulák.

A biodízel üzemanyagok környezetbarát módszert kínálnak az üzemanyagok előállítására, alternatívaként a többi, sokkal károsabb üzemanyaggal. Természetes olajokból, szójabab-kivonatokból és algákból készülnek. Ez a megújuló üzemanyagforrás kevesebb környezetszennyezést eredményez, és ezeket általában petróleum üzemanyagokkal (benzin és dízel üzemanyagok) keverik. Ez ideális jelöltté teszi őket annak tanulmányozására, hogy egy üzemanyag mennyi energiát használ fel olyan mennyiségek felhasználásával, mint az energiasűrűség és az energiatartalom.

Sajnos energiatartalom szempontjából a biodízel üzemanyagok nagy mennyiségű oxigént tartalmaznak, így tömegükhöz képest alacsonyabb energiaértékeket produkálnak (MJ / kg egységekben). A biodízel üzemanyagok tömegének körülbelül 10 százalékkal alacsonyabb az energiatartalma. Például a B100 energiatartalma 119 550 Btu / gal.

Az üzemanyag mennyi energiájának mérésének másik módja az energiaháztartás, amely biodízel esetén 4,56. Ez azt jelenti, hogy a biodízel üzemanyagok 4,56 egység energiát termelnek minden egyes fosszilis energiaegységért, amelyet felhasználnak. Más üzemanyagok több energiát csomagolnak, mint például a B20, a dízel és a biomassza üzemanyag keveréke. Ez az üzemanyag egy gallon dízel energiájának körülbelül 99% -át vagy egy gallon benzin energiájának 109% -át tartalmazza.

Alternatív módszerek léteznek általában a biomassza által leadott hő hatékonyságának meghatározására. A biomasszát kutató tudósok és mérnökök a bomba kaloriméteres módszerrel mérik az égés során felszabaduló hőt, amely a tartályt körülvevő levegőbe vagy vízbe kerül. Ebből meghatározhatja aHHVa biomasszához.