Cosa rende la benzina e altri combustibili così potenti? Il potenziale delle miscele chimiche come i carburanti che alimentano le auto deriva dalle reazioni che questi materiali sono in grado di provocare.
È possibile misurare questa densità di energia utilizzando formule ed equazioni semplici che regolano queste proprietà chimiche e fisiche quando i combustibili vengono utilizzati. L'equazione della densità di energia fornisce un modo per misurare questa potente energia rispetto al carburante stesso.
Formula di densità energetica
La formula perdensita 'energiaè
E_d=\frac{E}{V}
per densità di energia energyEd, energiaEe volumeV. Puoi anche misurare ilenergia specifica EScomeE/Mper la massa invece che per il volume. L'energia specifica è più strettamente correlata con l'energia disponibile che i combustibili utilizzano quando alimentano le automobili rispetto alla densità energetica. Le tabelle di riferimento mostrano che benzina, cherosene e combustibili diesel hanno densità energetiche molto più elevate rispetto a carbone, metanolo e legno.
Indipendentemente da ciò, chimici, fisici e ingegneri usano sia la densità di energia che l'energia specifica quando progettano automobili e testano i materiali per le proprietà fisiche. Puoi determinare quanta energia emetterà un combustibile in base alla combustione di questa energia densamente imballata. Questo è misurato attraverso il contenuto energetico.
La quantità di energia per unità di massa o volume che un combustibile emette quando brucia è il contenuto energetico del combustibile. Mentre i combustibili più densamente imballati hanno valori più elevati di contenuto energetico in termini di volume, i combustibili a densità inferiore producono generalmente più contenuto energetico per unità di massa.
Unità di densità energetica
Il contenuto energetico deve essere misurato per un dato volume di gas t una temperatura e una pressione specifiche. Negli Stati Uniti, ingegneri e scienziati riportano il contenuto energetico in unità termiche internazionali britanniche (BtuIT) mentre, in Canada e Messico, il contenuto energetico è riportato in joule (J).
Puoi anche usarecalorieper segnalare il contenuto energetico. I metodi più standard di calcolo del contenuto energetico nella scienza e nell'ingegneria utilizzano la quantità di calore prodotta quando si brucia un singolo grammo di quel materiale in joule per grammo (J/g).
Calcolo del contenuto energetico
Usando questa unità di joule per grammo, puoi calcolare la quantità di calore emessa aumentando la temperatura di una sostanza specifica quando conosci la capacità termica specificaCpdi quel materiale. IlCpdi acqua è 4,18 J/g°C. Usi l'equazione per il caloreHcome
H=\Delta T\volte m\volte C_p
in qualeTè un cambiamento di temperatura e m è la massa della sostanza in grammi.
Se si misurano sperimentalmente le temperature iniziale e finale di un materiale chimico, è possibile determinare il calore sprigionato dalla reazione. Se dovessi riscaldare un flacone di carburante come contenitore e registrare la variazione di temperatura nello spazio direttamente all'esterno del contenitore, puoi misurare il calore sprigionato usando questa equazione.
Calorimetro bomba
Quando si misurano le temperature, una sonda di temperatura può misurare continuamente la temperatura nel tempo. Questo ti darà una vasta gamma di temperature per le quali puoi usare l'equazione del calore. Dovresti anche cercare i punti nel grafico che mostrano arelazione linearetra la temperatura nel tempo, poiché ciò mostrerebbe che la temperatura viene emessa a una velocità costante. Questo probabilmente indica la relazione lineare tra temperatura e calore utilizzata dall'equazione del calore.
Quindi, se misuri quanto è cambiata la massa del carburante, puoi determinare come l'energia è stata immagazzinata in quella quantità di massa per il carburante. In alternativa, è possibile misurare la differenza di volume per le unità di densità di energia appropriate.
Questo metodo, noto comecalorimetro bombametodo, fornisce un metodo sperimentale per utilizzare la formula della densità di energia per calcolare questa densità. Metodi più raffinati possono tenere conto del calore perso alle pareti del contenitore stesso o della conduzione di calore attraverso il materiale del contenitore.
Contenuto energetico più elevato di potere calorifico
Si può esprimere il contenuto energetico anche come variazione del potere calorifico superiore (HHV). Questa è la quantità di calore rilasciata a temperatura ambiente (25 °C) da una massa o volume di combustibile dopo la combustione e i prodotti sono tornati a temperatura ambiente. Questo metodo tiene conto del calore latente, il calore entalpico che emerge quando si verificano la solidificazione e le trasformazioni di fase allo stato solido durante il raffreddamento di un materiale.
Con questo metodo, il contenuto energetico è dato dal potere calorifico più elevato alle condizioni di volume base (HHVb). In condizioni standard o di base, la portata di energiaqHbè uguale al prodotto della portata volumetricaqvbe il potere calorifico più alto alle condizioni di volume di base nell'equazione
q_{Hb}=q_{vb}\times HHV_b
Attraverso metodi sperimentali, scienziati e ingegneri hanno studiato ilHHVbper vari combustibili per determinare come può essere determinato in funzione di altre variabili pertinenti all'efficienza del carburante. Le condizioni standard sono definite come 10 °C (273,15 K o 32 oF) e 105 pascal (1 bar).
Questi risultati empirici hanno dimostrato cheHHVbdipende dalla pressione e dalla temperatura alle condizioni di base, nonché dalla composizione del combustibile o del gas. Al contrario, il potere calorifico inferioreLHVè la stessa misura, ma nel punto in cui l'acqua nei prodotti finali della combustione rimane come vapore o vapore.
Altre ricerche hanno dimostrato che puoi calcolareHHVdalla composizione del combustibile stesso. Questo dovrebbe darti
HHV = 0,35X_C + 1,18X_H + 0,10X_S - 0,02X_N - 0,10X_O - 0,02X_{cenere}
con ogniXcome massa frazionaria per carbonio (C), idrogeno (H), zolfo (S), azoto (N), ossigeno (O) e il restante contenuto di ceneri. L'azoto e l'ossigeno hanno un effetto negativo sullaHHVin quanto non contribuiscono al rilascio di calore come fanno altri elementi e molecole.
Densità energetica del biodiesel
I combustibili biodiesel offrono un metodo ecologico di produzione di carburante in alternativa ad altri combustibili più dannosi. Sono creati da oli naturali, estratti di soia e alghe. Questa fonte di carburante rinnovabile provoca un minore inquinamento ambientale e di solito viene miscelata con combustibili derivati dal petrolio (benzina e gasolio). Questo li rende candidati ideali per studiare la quantità di energia utilizzata da un combustibile utilizzando quantità come la densità energetica e il contenuto energetico.
Purtroppo dal punto di vista del contenuto energetico, i combustibili biodiesel hanno una grande quantità di ossigeno, quindi producono valori energetici inferiori rispetto alla loro massa (in unità di MJ/kg). I combustibili biodiesel hanno un contenuto energetico di massa inferiore di circa il 10%. B100, ad esempio, ha un contenuto energetico di 119.550 Btu/gal.
Un altro modo per misurare la quantità di energia utilizzata da un carburante è il bilancio energetico, che per il biodiesel è 4,56. Ciò significa che i combustibili biodiesel producono 4,56 unità di energia per ogni unità di energia fossile che utilizzano. Altri combustibili contengono più energia, come il B20, una miscela di diesel con combustibile da biomassa. Questo carburante ha circa il 99 percento dell'energia di un gallone di diesel o il 109 percento dell'energia di un gallone di benzina.
Esistono metodi alternativi per determinare l'efficienza del calore ceduto dalla biomassa in generale. Scienziati e ingegneri che studiano la biomassa utilizzano il metodo del calorimetro a bomba per misurare il calore rilasciato dalla combustione che viene trasferito all'aria o all'acqua che circonda il contenitore. Da questo, è possibile determinare ilHHVper la biomassa.