Kuo benzinas ir kiti degalai yra tokie galingi? Cheminių mišinių, tokių kaip kuras, galios automobiliams, potencialas atsiranda dėl reakcijų, kurias šios medžiagos gali sukelti.
Galite išmatuoti šį energijos tankį naudodami nesudėtingas formules ir lygtis, reguliuojančias šias chemines ir fizines savybes, kai kuras naudojamas. Energijos tankio lygtis suteikia galimybę išmatuoti šią galingą energiją paties kuro atžvilgiu.
Energijos tankio formulė
Formulėenergijos tankisyra
E_d = \ frac {E} {V}
energijos tankiuiEd, energijaEir apimtisV. Taip pat galite išmatuotispecifinė energija EskaipE / Mmasės, o ne tūrio. Specifinė energija yra labiau susijusi su turima energija, kurią degalai naudoja kurdami automobilius, nei energijos tankis. Iš informacinių lentelių matyti, kad benzino, žibalo ir dyzelinio kuro energijos tankis yra daug didesnis nei akmens anglių, metanolio ir medienos.
Nepaisant to, chemikai, fizikai ir inžinieriai, projektuodami automobilius ir bandydami medžiagas dėl fizinių savybių, naudoja energijos tankį ir specifinę energiją. Pagal šios tankiai supakuotos energijos degimą galite nustatyti, kiek energijos duos kuras. Tai matuojama pagal energijos kiekį.
Energijos kiekis, tenkantis masės ar tūrio vienetui, kurį skleidžia degdamas, yra kuro energijos kiekis. Nors tankiau supakuotų degalų tūrinė vertė yra didesnė, mažesnio tankio kuro masės vienetui paprastai tenka daugiau energijos.
Energijos tankio vienetai
Energijos kiekis turi būti matuojamas tam tikram dujų tūriui, esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui. Jungtinėse Valstijose inžinieriai ir mokslininkai praneša apie energijos kiekį tarptautiniuose Didžiosios Britanijos šilumos vienetuose (BtuIT), o Kanadoje ir Meksikoje energijos kiekis nurodomas džauliais (J).
Taip pat galite naudotikalorijųpranešti apie energijos kiekį. Standartiškesniais energijos kiekio skaičiavimo metodais moksle ir inžinerijoje naudojamas šilumos kiekis, susidarantis sudeginant vieną gramą tos medžiagos džauliais už gramą (J / g).
Skaičiuojant energijos kiekį
Naudodami šį džaulių viename grame vienetą, galite žinoti, kiek šilumos atiduota padidinus konkrečios medžiagos temperatūrą, kai žinote specifinę šilumos talpą.Cptos medžiagos. TheCpvandens yra 4,18 J / g ° C. Šilumai naudojate lygtįHkaip
H = \ Delta T \ kartus m \ kartus C_p
kuriame∆Tyra temperatūros pokytis, o m yra medžiagos masė gramais.
Jei eksperimentiškai išmatuosite pradinę ir galutinę cheminės medžiagos temperatūrą, galite nustatyti reakcijos skleidžiamą šilumą. Jei šildytumėte kuro kolbą kaip indą ir temperatūros pokyčius užfiksuotumėte tiesiai už konteinerio esančioje erdvėje, naudodamiesi šia lygtimi galite išmatuoti atiduotą šilumą.
Bombos kalorimetras
Matuodamas temperatūrą, temperatūros zondas gali nuolat matuoti temperatūrą. Tai suteiks jums platų temperatūrų diapazoną, kuriam galite naudoti šilumos lygtį. Taip pat diagramoje turėtumėte ieškoti vietų, kuriose rodomas alinijinis ryšyslaikui bėgant, nes tai parodytų, kad temperatūra skleidžiama pastoviu greičiu. Tai greičiausiai rodo tiesinę temperatūros ir šilumos santykį, kurį naudoja šilumos lygtis.
Tada, jei pamatuosite, kiek pasikeitė kuro masė, galite nustatyti, kaip energija buvo kaupiama tame kuro masės kiekyje. Arba galite išmatuoti, kiek tai yra atitinkamų energijos tankio vienetų tūrio skirtumas.
Šis metodas, žinomas kaipbomba kalorimetrasmetodas pateikia eksperimentinį metodą, kaip naudoti energijos tankio formulę šiam tankiui apskaičiuoti. Patobulintais metodais galima atsižvelgti į šilumą, prarastą pačiam indo sienoms, arba šilumos laidumą per konteinerio medžiagą.
Didesnis šildymo vertės energijos kiekis
Taip pat galite išreikšti energijos kiekį kaip didesnės kaitinimo vertės kitimą (HHV). Tai šilumos kiekis, išsiskyręs kambario temperatūroje (25 ° C) kuro masės ar tūrio, jam degant, ir produktams grįžus į kambario temperatūrą. Šis metodas atspindi latentinę šilumą, entalpijos šilumą, atsirandančią kietėjant ir kietojo kūno fazėms transformuojantis medžiagos aušinimo metu.
Taikant šį metodą, energijos kiekis nustatomas dėl didesnės kaitinimo vertės esant bazinio tūrio sąlygoms (HHVb). Esant standartinėms arba bazinėms sąlygoms, energijos srautasqHbyra lygus tūrinio srauto sandaugaiqvbir didesnė kaitinimo vertė lygtyje esant bazinio tūrio sąlygoms
q_ {Hb} = q_ {vb} \ kartus HHV_b
Taikydami eksperimentinius metodus, mokslininkai ir inžinieriai ištyrėHHVbįvairiems degalams nustatyti, kaip jį galima nustatyti kaip kitų kintamųjų, susijusių su kuro efektyvumu, funkciją. Standartinės sąlygos apibrėžiamos kaip 10 ° C (273,15 K arba 32 oF) ir 105 paskaliai (1 baras).
Šie empiriniai rezultatai tai parodėHHVbpriklauso nuo slėgio ir temperatūros bazinėse sąlygose, taip pat nuo kuro ar dujų sudėties. Priešingai, mažesnė šildymo vertėLHVyra tas pats matavimas, tačiau toje vietoje, kurioje vanduo galutiniuose degimo produktuose išlieka kaip garai ar garai.
Kiti tyrimai parodė, kad galite apskaičiuotiHHVnuo paties kuro sudėties. Tai turėtų tau duoti
HHV = 0,35X_C + 1,18X_H + 0,10X_S - 0,02X_N - 0,10X_O - 0,02X_ {pelenai}
su kiekvienuXkaip anglies (C), vandenilio (H), sieros (S), azoto (N), deguonies (O) ir likusio pelenų kiekio dalinė masė. Azotas ir deguonis daro neigiamą poveikįHHVnes jie neprisideda prie šilumos išsiskyrimo, kaip tai daro kiti elementai ir molekulės.
Biodyzelino energijos tankis
Biodyzelinas yra ekologiškas kuro gamybos būdas kaip alternatyva kitam, labiau kenksmingam kurui. Jie sukurti iš natūralių aliejų, sojų pupelių ekstraktų ir dumblių. Dėl šio atsinaujinančio kuro šaltinio aplinkai tenka mažiau teršalų, jie paprastai maišomi su naftos kuru (benzinu ir dyzelinu). Tai daro juos idealiais kandidatais tirti, kiek energijos sunaudoja kuras, naudojant tokius kiekius kaip energijos tankis ir energijos kiekis.
Deja, žvelgiant iš energijos kiekio, biodyzelinas turi daug deguonies, todėl jų masės energinė vertė yra mažesnė (MJ / kg vienetais). Biodyzelino masė sudaro apie 10 procentų mažesnį energijos kiekį. Pavyzdžiui, B100 energijos kiekis yra 119 550 BT / gal.
Kitas būdas įvertinti, kiek energijos sunaudoja kuras, yra energijos balansas, kuris biodyzelinui yra 4,56. Tai reiškia, kad biodyzelinas pagamina 4,56 energijos vieneto už kiekvieną iškastinės energijos vienetą, kurį naudoja. Kiti degalai surenka daugiau energijos, pavyzdžiui, B20 - dyzelino ir biomasės mišinio mišinys. Šis kuras turi apie 99 procentus vienos galono dyzelino energijos arba 109 procentus vienos galonos benzino energijos.
Yra alternatyvių metodų, kaip nustatyti šilumos, kurią išskiria biomasė, efektyvumą apskritai. Mokslininkai ir inžinieriai, tiriantys biomasę, naudoja bombų kalorimetrų metodą, kad matuotų iš degimo išsiskiriančią šilumą, kuri perduodama orui arba vandeniui, supančiam konteinerį. Iš to galite nustatytiHHVbiomasės.