Wat maakt benzine en andere brandstoffen zo krachtig? Het potentieel van chemische mengsels zoals brandstoffen die auto's aandrijven, komt voort uit de reacties die deze materialen kunnen veroorzaken.
U kunt deze energiedichtheid meten met behulp van eenvoudige formules en vergelijkingen die deze chemische en fysische eigenschappen bepalen wanneer de brandstoffen worden gebruikt. De energiedichtheidsvergelijking geeft een manier om deze krachtige energie te meten met betrekking tot de brandstof zelf.
Energiedichtheidsformule
De formule voorenergiedichtheidis
E_d=\frac{E}{V}
voor energiedichtheidEd, energieEen volumeV. Je kunt ook despecifieke energie Ezonet zoE/Mvoor massa in plaats van volume. De specifieke energie hangt nauwer samen met de beschikbare energie die brandstoffen gebruiken bij het aandrijven van auto's dan de energiedichtheid. Uit referentietabellen blijkt dat benzine, kerosine en dieselbrandstoffen een veel hogere energiedichtheid hebben dan kolen, methanol en hout.
Hoe dan ook, scheikundigen, natuurkundigen en ingenieurs gebruiken zowel energiedichtheid als specifieke energie bij het ontwerpen van auto's en het testen van materialen op fysieke eigenschappen. Op basis van de verbranding van deze dicht opeengepakte energie kun je bepalen hoeveel energie een brandstof afgeeft. Dit wordt gemeten aan de hand van de energie-inhoud.
De hoeveelheid energie per massa- of volume-eenheid die een brandstof afgeeft wanneer deze verbrandt, is de energie-inhoud van brandstof. Terwijl dichter opeengepakte brandstoffen hogere waarden van energie-inhoud hebben in termen van volume, produceren brandstoffen met een lagere dichtheid over het algemeen meer energie-inhoud per massa-eenheid.
Energiedichtheidseenheden
De energie-inhoud moet worden gemeten voor een bepaald gasvolume bij een bepaalde temperatuur en druk. In de Verenigde Staten rapporteren ingenieurs en wetenschappers de energie-inhoud in internationale Britse thermische eenheden (BtuIT), terwijl in Canada en Mexico de energie-inhoud wordt gerapporteerd in joules (J).
Je kan ook gebruikencalorieënenergie-inhoud te melden. Meer standaardmethoden voor het berekenen van de energie-inhoud in wetenschap en techniek gebruiken de hoeveelheid warmte die wordt geproduceerd wanneer je één gram van dat materiaal verbrandt in joule per gram (J/g).
Energie-inhoud berekenen
Met deze eenheid van joule per gram kun je berekenen hoeveel warmte er wordt afgegeven door de temperatuur van een bepaalde stof te verhogen als je de soortelijke warmtecapaciteit kentCpvan dat materiaal. DeCpwater is 4,18 J/g°C. Je gebruikt de vergelijking voor warmteHnet zo
H=\Delta T\times m\times C_p
waarinTis een verandering in temperatuur, en m is de massa van de stof in grammen.
Als je experimenteel de begin- en eindtemperatuur van een chemisch materiaal meet, kun je de warmte bepalen die door de reactie wordt afgegeven. Als je een kolf brandstof als een container zou verwarmen en de verandering in temperatuur in de ruimte direct buiten de container zou registreren, kun je de afgegeven warmte meten met behulp van deze vergelijking.
Bomcalorimeter
Bij het meten van temperaturen kan een temperatuursonde continu de temperatuur in de tijd meten. Dit geeft u een breed scala aan temperaturen waarvoor u de warmtevergelijking kunt gebruiken. U moet ook zoeken naar plaatsen in de grafiek die a. tonenlineaire relatietussen temperatuur in de tijd, omdat dit zou aantonen dat de temperatuur met een constante snelheid wordt afgegeven. Dit geeft waarschijnlijk de lineaire relatie aan tussen temperatuur en warmte die de warmtevergelijking gebruikt.
Als u vervolgens meet hoeveel de massa van de brandstof is veranderd, kunt u bepalen hoe energie werd opgeslagen in die hoeveelheid massa voor de brandstof. Als alternatief kunt u meten hoeveel volumeverschil dit is voor de juiste energiedichtheidseenheden.
Deze methode, bekend als debom calorimetermethode, geeft je een experimentele methode om de energiedichtheidsformule te gebruiken om deze dichtheid te berekenen. Meer verfijnde methoden kunnen rekening houden met warmte die verloren gaat aan de wanden van de container zelf of de geleiding van warmte door het materiaal van de container.
Hogere verwarmingswaarde energie-inhoud
U kunt de energie-inhoud ook uitdrukken als variatie op de hogere stookwaarde (HHV). Dit is de hoeveelheid warmte die vrijkomt bij kamertemperatuur (25 °C) door een massa of volume brandstof nadat deze is verbrand en de producten zijn teruggekeerd naar kamertemperatuur. Deze methode houdt rekening met de latente warmte, de enthalpiewarmte die ontstaat wanneer stolling en vaste-stoffasetransformaties optreden tijdens het afkoelen van een materiaal.
Door deze methode wordt de energie-inhoud gegeven door de hogere verwarmingswaarde bij basisvolumecondities (HHVb). Bij standaard- of basisomstandigheden is de energiestroomsnelheidqHbis gelijk aan het product van de volumestroomqvben de hogere verwarmingswaarde bij basisvolumecondities in de vergelijking
q_{Hb}=q_{vb}\times HHV_b
Door middel van experimentele methoden hebben wetenschappers en ingenieurs deHHVbvoor verschillende brandstoffen om te bepalen hoe deze kan worden bepaald als functie van andere variabelen die relevant zijn voor het brandstofverbruik. Standaardomstandigheden worden gedefinieerd als 10 °C (273,15 K of 32 oF) en 105 pascal (1 bar).
Deze empirische resultaten hebben aangetoond dat:HHVbhangt af van druk en temperatuur bij basiscondities en de samenstelling van de brandstof of het gas. Daarentegen is de lagere verwarmingswaardeLZVis dezelfde meting, maar op het punt waarop het water in de uiteindelijke verbrandingsproducten als damp of stoom achterblijft.
Ander onderzoek heeft aangetoond dat je kunt rekenenHHVvan de samenstelling van de brandstof zelf. Dit zou je moeten geven
HHV = .35X_C + 1.18X_H + 0.10X_S - 0.02X_N - 0.10X_O - 0.02X_{ash}
met elkeXals de fractionele massa voor koolstof (C), waterstof (H), zwavel (S), stikstof (N), zuurstof (O) en het resterende asgehalte. Stikstof en zuurstof hebben een nadelig effect op deHHVomdat ze niet bijdragen aan het vrijkomen van warmte zoals andere elementen en moleculen.
Energiedichtheid van biodiesel
Biodieselbrandstoffen bieden een milieuvriendelijke methode om brandstof te produceren als alternatief voor andere, meer schadelijke brandstoffen. Ze zijn gemaakt van natuurlijke oliën, soja-extracten en algen. Deze hernieuwbare brandstofbron leidt tot minder vervuiling van het milieu en wordt meestal gemengd met petroleumbrandstoffen (benzine en dieselbrandstof). Dit maakt ze ideale kandidaten om te bestuderen hoeveel energie een brandstof verbruikt met behulp van grootheden zoals energiedichtheid en energie-inhoud.
Helaas hebben biodieselbrandstoffen vanuit het oogpunt van energie-inhoud een grote hoeveelheid zuurstof, waardoor ze lagere energiewaarden produceren in verhouding tot hun massa (in eenheden van MJ/kg). Biodieselbrandstoffen hebben een ongeveer 10 procent lagere massa-energie-inhoud. B100 heeft bijvoorbeeld een energie-inhoud van 119.550 Btu/gal.
Een andere manier om te meten hoeveel energie een brandstof verbruikt, is de energiebalans, die voor biodiesel 4,56 is. Dit betekent dat biodieselbrandstoffen 4,56 eenheden energie produceren voor elke eenheid fossiele energie die ze gebruiken. Andere brandstoffen bevatten meer energie, zoals B20, een mengsel van diesel met biomassabrandstof. Deze brandstof heeft ongeveer 99 procent van de energie van een liter diesel of 109 procent van de energie van een liter benzine.
Er bestaan alternatieve methoden voor het bepalen van het rendement van de door biomassa afgegeven warmte in het algemeen. Wetenschappers en ingenieurs die biomassa bestuderen, gebruiken de bomcalorimetermethode om de warmte te meten die vrijkomt bij verbranding die wordt overgedragen aan lucht of water rond de container. Hieruit bepaal je deHHVvoor de biomassa.