כיצד לחשב צפיפות אנרגיה

מה הופך את הבנזין ודלקים אחרים לחזקים כל כך? הפוטנציאל של תערובות כימיות כגון דלקים שמניעים מכוניות נובע מהתגובות שחומרים אלה מסוגלים לגרום.

ניתן למדוד את צפיפות האנרגיה הזו באמצעות נוסחאות ומשוואות פשוטות השולטות בתכונות הכימיות והפיזיקליות הללו בעת השימוש בדלקים. משוואת צפיפות האנרגיה נותנת דרך למדוד אנרגיה חזקה זו ביחס לדלק עצמו.

הנוסחה לצפיפות אנרגיההוא

לצפיפות אנרגיהה_ד, אנרגיההונפחו. אתה יכול גם למדוד אתאנרגיה ספציפית​ ​ה_סכפי שE / Mלמסה במקום לנפח. האנרגיה הספציפית מתואמת יותר עם האנרגיה הזמינה שמשתמשת בדלקים בעת הפעלת מכוניות מאשר צפיפות האנרגיה. טבלאות הפניה מראות כי דלקים בנזין, נפט וסולר הם בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה בהרבה מזו של פחם, מתנול ועץ.

בלי קשר, כימאים, פיזיקאים ומהנדסים משתמשים הן בצפיפות אנרגיה והן באנרגיה ספציפית בעת תכנון מכוניות ובדיקת חומרים למאפיינים פיזיים. אתה יכול לקבוע כמה אנרגיה דלק ייתן בהתבסס על הבעירה של אנרגיה צפופה זו. זה נמדד באמצעות תכולת אנרגיה.

כמות האנרגיה ליחידת מסה או נפח שדלק מפריש כשהוא נשרף היא תכולת האנרגיה של הדלק. בעוד שדלקים צפופים יותר בעלי ערכים גבוהים יותר של תכולת אנרגיה מבחינת נפח, דלקים בצפיפות נמוכה יותר מייצרים בדרך כלל יותר תכולת אנרגיה ליחידת מסת.

יש למדוד את תכולת האנרגיה לנפח נתון של גז לא לטמפרטורה ולחץ ספציפיים. בארצות הברית מדווחים מהנדסים ומדענים על תכולת האנרגיה ביחידות תרמיות בינלאומיות בריטיות (BtuIT) ואילו בקנדה ובמקסיקו מדווחים על תכולת אנרגיה בג'אול (J).

אתה יכול גם להשתמשקלוריותלדווח על תוכן אנרגיה. שיטות סטנדרטיות יותר לחישוב תכולת האנרגיה במדעים ובהנדסה משתמשים בכמות החום המופקת כשאתה שורף גרם יחיד של חומר זה בג'אול לגרם (J / g).

באמצעות יחידה זו של ג'אול לגרם, תוכלו לחשב את כמות החום המופלטת על ידי הגדלת הטמפרטורה של חומר ספציפי כאשר אתם יודעים את יכולת החום הספציפית.ג_{עמ '}של החומר הזה. הג_{עמ '}מים הם 4.18 J / g ° C. אתה משתמש במשוואה לחוםהכפי ש

בו∆Tהוא שינוי בטמפרטורה, ו- m הוא מסת החומר בגרמים.

אם אתה מודד בניסוי את הטמפרטורות הראשוניות והסופיות של חומר כימי, אתה יכול לקבוע את החום שמסירה התגובה. אם היית מחמם בקבוק דלק כמיכל ומתעד את שינוי הטמפרטורה בחלל היישר מחוץ למיכל, אתה יכול למדוד את החום שניתן באמצעות משוואה זו.

בעת מדידת טמפרטורות, בדיקת טמפרטורה יכולה למדוד ברציפות את הטמפרטורה לאורך זמן. זה ייתן לך מגוון רחב של טמפרטורות שעבורן תוכל להשתמש במשוואת החום. עליכם לחפש גם מקומות בגרף המציגים אקשר לינאריבין הטמפרטורה לאורך זמן, מכיוון שזה יראה שהטמפרטורה ניתנת בקצב קבוע. זה ככל הנראה מציין את הקשר הליניארי בין טמפרטורה לחום שמשוואת החום משתמשת בו.

ואז, אם אתה מודד כמה משתנה המסה של הדלק, אתה יכול לקבוע כיצד נשמרה אנרגיה בכמות המסה הזו עבור הדלק. לחלופין, תוכלו למדוד כמה מדובר בהפרש נפח ביחידות צפיפות האנרגיה המתאימות.

שיטה זו, המכונהקלורימטר פצצהשיטה, נותן לך שיטה ניסיונית לשימוש בנוסחת צפיפות האנרגיה לחישוב צפיפות זו. שיטות מעודנות יותר יכולות לקחת בחשבון חום שאבד לדפנות המכולה עצמה או הולכת חום דרך חומר המיכל.

ניתן גם לבטא תכולת אנרגיה כמשתנה של ערך החימום הגבוה יותר (HHV). זוהי כמות החום המשתחררת בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס) על ידי מסה או נפח דלק לאחר שריפתה, והמוצרים חזרו לטמפרטורת החדר. שיטה זו מתייחסת לחום הסמוי, לחום האנטלפי המופיע כאשר התמצקות ותמורות פאזה במצב מוצק מתרחשות במהלך קירור החומר.

באמצעות שיטה זו, תכולת האנרגיה ניתנת על ידי ערך החימום הגבוה יותר בתנאי נפח בסיס (HHV_ב). בתנאי תקן או בסיס, קצב זרימת האנרגיהש_{חֲצִי פֶּנסיוֹן}שווה לתוצר של קצב הזרימה הנפחיש_vbוערך החימום הגבוה בתנאי נפח בסיס במשוואה

באמצעות שיטות ניסיוניות, מדענים ומהנדסים חקרו אתHHV_בעבור דלקים שונים כדי לקבוע כיצד ניתן לקבוע אותו כפונקציה של משתנים אחרים הנוגעים ליעילות הדלק. תנאים סטנדרטיים מוגדרים כ -10 מעלות צלזיוס (273.15 K או 32 מעלות צלזיוס) ו- 105 פסקל (בר 1).

תוצאות אמפיריות אלו הראו זאתHHV_בתלוי בלחץ ובטמפרטורה בתנאי הבסיס וכן בהרכב הדלק או הגז. לעומת זאת, ערך החימום הנמוך יותרLHVהיא אותה מדידה, אך בנקודה בה המים בתוצרי הבעירה הסופיים נותרים כאדים או כקיטור.

מחקרים אחרים הראו שאפשר לחשבHHVמהרכב הדלק עצמו. זה אמור לתת לך

עם כל אחדאיקסכמסה החלקית של פחמן (C), מימן (H), גופרית (S), חנקן (N), חמצן (O) ותכולת האפר שנותרה. חנקן וחמצן משפיעים לרעה עלHHVכיוון שהם אינם תורמים לשחרור חום כפי שעושים אלמנטים ומולקולות אחרות.

דלקים ביו-דיזל מציעים שיטה ידידותית לסביבה לייצור דלק כחלופה לדלקים אחרים ומזיקים יותר. הם נוצרים משמנים טבעיים, תמציות פולי סויה ואצות. מקור דלק מתחדש זה גורם פחות זיהום לאיכות הסביבה, והם בדרך כלל מעורבבים עם דלקי נפט (בנזין וסולר). זה הופך אותם למועמדים אידיאליים לחקר כמה אנרגיה דלק משתמש בכמויות כמו צפיפות אנרגיה ותכולת אנרגיה.

למרבה הצער מנקודת מבט של תכולת אנרגיה, לדלקים ביו-דיזל יש כמות גדולה של חמצן, ולכן הם מייצרים ערכי אנרגיה נמוכים יותר ביחס למסתם (ביחידות MJ / ק"ג). לדלקים ביו-דיזל תכולת אנרגיה המונית נמוכה בכ -10 אחוזים. ל- B100, למשל, יש תכולת אנרגיה של 119,550 Btu / gal.

דרך נוספת למדוד כמה אנרגיה משתמשת בדלק היא מאזן האנרגיה, שעבור ביו דיזל הוא 4.56. משמעות הדבר היא כי דלקים ביו-דיזל מייצרים 4.56 יחידות אנרגיה עבור כל יחידת אנרגיה מאובנת בה הם משתמשים. דלקים אחרים אורזים יותר אנרגיה, כמו B20, תערובת של סולר עם דלק ביומסה. לדלק זה יש כ- 99 אחוז מהאנרגיה של ליטר סולר אחד או 109 אחוז מהאנרגיה של ליטר בנזין אחד.

קיימות שיטות חלופיות לקביעת יעילות החום המופק על ידי ביומסה באופן כללי. מדענים ומהנדסים החוקרים ביומסה משתמשים בשיטת קלורימטר הפצצה למדידת החום המשתחרר מהבעירה המועבר לאוויר או למים המקיפים את המיכל. מתוך זה, אתה יכול לקבוע אתHHVלביומסה.