Kā aprēķināt enerģijas blīvumu

Kas padara benzīnu un citu degvielu tik spēcīgu? Ķīmisko maisījumu, piemēram, degvielas, potenciāls, ko automašīnas darbina reakcijas, kuras šie materiāli spēj izraisīt.

Jūs varat izmērīt šo enerģijas blīvumu, izmantojot vienkāršas formulas un vienādojumus, kas nosaka šīs ķīmiskās un fizikālās īpašības, kad degviela tiek izmantota. Enerģijas blīvuma vienādojums dod iespēju izmērīt šo spēcīgo enerģiju attiecībā pret pašu degvielu.

Formulaenerģijas blīvumsir

enerģijas blīvumamE_d, enerģijaEun apjomuV. Varat arī izmērītspecifiskā enerģija​ ​E_skāE / Mmasai, nevis tilpumam. Īpatnējā enerģija ir ciešāk korelēta ar pieejamo enerģiju, kuru degvielai izmanto, darbinot automašīnas, nekā enerģijas blīvums. Atsauces tabulas parāda, ka benzīnam, petrolejai un dīzeļdegvielai ir daudz lielāks enerģijas blīvums nekā akmeņoglēm, metanolam un koksnei.

Neatkarīgi no tā, ķīmiķi, fiziķi un inženieri, projektējot automašīnas un testējot materiālus fizikālajām īpašībām, izmanto gan enerģijas blīvumu, gan specifisko enerģiju. Jūs varat noteikt, cik daudz enerģijas izdos degviela, pamatojoties uz šīs blīvi iesaiņotās enerģijas sadedzināšanu. To mēra, izmantojot enerģijas saturu.

Enerģijas daudzums uz masas vai tilpuma vienību, ko degviela izdala, degot, ir degvielas enerģijas saturs. Lai gan blīvāk iepakotām degvielām ir augstākas enerģijas satura vērtības, zemāka blīvuma degvielām parasti ir lielāks enerģijas saturs uz masas vienību.

Enerģijas saturs jāmēra noteiktam gāzes tilpumam t noteiktai temperatūrai un spiedienam. Amerikas Savienotajās Valstīs inženieri un zinātnieki ziņo par enerģijas saturu Lielbritānijas starptautiskajās termālajās vienībās (BtuIT), savukārt Kanādā un Meksikā enerģijas saturs ir džoulos (J).

Jūs varat arī izmantotkalorijasziņot par enerģijas saturu. Standartizētākās enerģijas satura aprēķināšanas metodes zinātnē un inženierzinātnēs izmanto saražotā siltuma daudzumu, sadedzinot vienu gramu šī materiāla džoulos uz gramu (J / g).

Izmantojot šo džoulu / grama vienību, jūs varat aprēķināt, cik daudz siltuma tiek atdots, paaugstinot konkrētas vielas temperatūru, kad zināt īpašo siltuma jauduC_lppno šī materiāla. TheC_lppūdens ir 4,18 J / g ° C. Jūs izmantojat vienādojumu siltumamHkā

kurā∆Tir temperatūras izmaiņas, un m ir vielas masa gramos.

Eksperimentāli mērot ķīmiskā materiāla sākotnējo un galīgo temperatūru, jūs varat noteikt reakcijas izdalīto siltumu. Ja jūs karsējat degvielas kolbu kā trauku un reģistrējat temperatūras izmaiņas telpā tieši ārpus trauka, varat izmērīt atdoto siltumu, izmantojot šo vienādojumu.

Mērot temperatūru, temperatūras zonde var nepārtraukti mērīt temperatūru laika gaitā. Tas dos jums plašu temperatūru diapazonu, kurā varat izmantot siltuma vienādojumu. Grafikā jāmeklē arī vietas, kurās redzams alineāra attiecībalaika gaitā, jo tas parādītu, ka temperatūra tiek izdalīta ar nemainīgu ātrumu. Tas, iespējams, norāda siltuma vienādojuma izmantoto lineāro attiecību starp temperatūru un siltumu.

Tad, ja jūs izmērīsit, cik daudz ir mainījusies degvielas masa, varat noteikt, kā enerģija tika uzglabāta šajā degvielas masas daudzumā. Alternatīvi, jūs varētu izmērīt, cik liela ir tilpuma starpība attiecīgajām enerģijas blīvuma vienībām.

Šī metode, kas pazīstama kābumbas kalorimetrsmetode sniedz eksperimentālu metodi enerģijas blīvuma formulas izmantošanai šī blīvuma aprēķināšanai. Rūpīgākas metodes var ņemt vērā siltumu, kas zaudēts paša trauka sienām, vai siltuma vadīšanu caur konteinera materiālu.

Enerģijas saturu var izteikt arī kā lielākas apkures vērtības variāciju (HHV). Tas ir siltuma daudzums, kas izdalās istabas temperatūrā (25 ° C) pēc degvielas masas vai tilpuma pēc degšanas, un produkti ir atgriezušies istabas temperatūrā. Šī metode izskaidro latento siltumu, entalpijas siltumu, kas rodas, kad materiāla dzesēšanas laikā notiek sacietēšana un cietvielu fāzes transformācijas.

Izmantojot šo metodi, enerģijas saturu nosaka augstākā apkures vērtība bāzes tilpuma apstākļos (HHV_b). Standarta vai bāzes apstākļos enerģijas plūsmas ātrumsq_Hbir vienāds ar tilpuma plūsmas ātruma reizinājumuq_vbun augstāka sildīšanas vērtība vienādojuma bāzes tilpuma apstākļos

Izmantojot eksperimentālās metodes, zinātnieki un inženieri ir izpētījušiHHV_bdažādiem degvielām, lai noteiktu, kā to var noteikt kā citu mainīgo lielumu funkciju, kas attiecas uz degvielas efektivitāti. Standarta apstākļi ir definēti kā 10 ° C (273,15 K vai 32 oF) un 105 paskali (1 bārs).

Šie empīriskie rezultāti to ir parādījušiHHV_batkarīgs no spiediena un temperatūras bāzes apstākļos, kā arī no degvielas vai gāzes sastāva. Turpretī zemākā apkures vērtībaLHVir tas pats mērījums, bet tajā brīdī, kad ūdens galīgajos sadegšanas produktos paliek kā tvaiks vai tvaiks.

Citi pētījumi parādīja, ka jūs varat aprēķinātHHVno pašas degvielas sastāva. Tam jums vajadzētu dot

ar katruXkā oglekļa (C), ūdeņraža (H), sēra (S), slāpekļa (N), skābekļa (O) un atlikušā pelnu satura frakcionētā masa. Slāpeklis un skābeklis nelabvēlīgi ietekmēHHVjo tie neveicina siltuma izdalīšanos, kā to dara citi elementi un molekulas.

Biodīzeļdegviela piedāvā videi draudzīgu degvielas ražošanas metodi kā alternatīvu citām, daudz kaitīgākām degvielām. Tie ir veidoti no dabīgām eļļām, sojas pupu ekstraktiem un aļģēm. Šis atjaunojamais degvielas avots rada mazāku vides piesārņojumu, un tos parasti sajauc ar naftas degvielām (benzīna un dīzeļdegvielām). Tas padara viņus par ideāliem kandidātiem, lai izpētītu, cik daudz enerģijas patērē degviela, izmantojot tādus daudzumus kā enerģijas blīvums un enerģijas saturs.

Diemžēl no enerģijas satura viedokļa biodīzeļdegvielai ir liels skābekļa daudzums, tāpēc tās rada zemākas enerģijas vērtības attiecībā uz to masu (MJ / kg vienībās). Biodīzeļdegvielām ir par aptuveni 10 procentiem mazāks enerģijas masas saturs. Piemēram, B100 enerģijas saturs ir 119 550 Btu / gal.

Vēl viens veids, kā izmērīt, cik daudz enerģijas patērē degviela, ir enerģijas bilance, kas biodīzeļdegvielai ir 4,56. Tas nozīmē, ka biodīzeļdegviela saražo 4,56 enerģijas vienības par katru fosilās enerģijas vienību, ko tās izmanto. Citas degvielas iepako vairāk enerģijas, piemēram, B20, dīzeļdegvielas un biomasas degvielas maisījums. Šai degvielai ir aptuveni 99 procenti no vienas galona dīzeļdegvielas enerģijas vai 109 procenti no vienas galona benzīna enerģijas.

Pastāv alternatīvas metodes, lai noteiktu biomasas atdotā siltuma efektivitāti kopumā. Zinātnieki un inženieri, kas pēta biomasu, izmanto bumbas kalorimetra metodi, lai izmērītu no sadegšanas izdalīto siltumu, kas tiek pārnests vai nu gaisā, vai ūdenī, kas ieskauj konteineru. No tā jūs varat noteiktHHVbiomasai.