Hvordan beregne energitetthet

Hva gjør bensin og annet drivstoff så kraftig? Potensialet til kjemiske blandinger som drivstoff som driver biler kommer fra reaksjonene disse materialene kan forårsake.

Du kan måle denne energitettheten ved å bruke enkle formler og ligninger som styrer disse kjemiske og fysiske egenskapene når drivstoffene tas i bruk. Energidensitetslikningen gir en måte å måle denne kraftige energien i forhold til selve drivstoffet.

Formelen forenergi tettheter

for energitetthetE_d, energiEog volumV. Du kan også målespesifikk energi​ ​E_ssomE / Mfor masse i stedet for volum. Den spesifikke energien er nærmere korrelert med den tilgjengelige energien som drivstoff bruker når de driver biler enn energitettheten er. Referansetabeller viser at bensin, parafin og diesel har mye høyere energitetthet enn kull, metanol og tre.

Uansett bruker kjemikere, fysikere og ingeniører både energitetthet og spesifikk energi når de designer biler og tester materialer for fysiske egenskaper. Du kan bestemme hvor mye energi et drivstoff vil avgi basert på forbrenningen av denne tettpakket energi. Dette måles gjennom energiinnhold.

Mengden energi per masseenhet eller volum som et drivstoff avgir når det forbrenning er energiinnholdet i drivstoff. Mens tettpakket drivstoff har høyere verdier av energiinnhold når det gjelder volum, produserer drivstoff med lavere tetthet generelt mer energiinnhold per enhetsenhet.

Energiinnholdet må måles for et gitt volum gass t en spesifikk temperatur og trykk. I USA rapporterer ingeniører og forskere energiinnholdet i internasjonale britiske termiske enheter (BtuIT) mens energiinnhold rapporteres i joule (J) i Canada og Mexico.

Du kan også brukekalorierå rapportere energiinnhold. Mer standardmetoder for beregning av energiinnhold innen vitenskap og teknologi bruker mengden varme som produseres når du brenner et enkelt gram av materialet i joule per gram (J / g).

Ved å bruke denne enheten joule per gram kan du beregne hvor mye varme som avgis ved å øke temperaturen til et bestemt stoff når du kjenner til den spesifikke varmekapasiteten.C_sav det materialet. DeC_svann er 4,18 J / g ° C. Du bruker ligningen for varmeHsom

der∆Ter en endring i temperatur, og m er stoffets masse i gram.

Hvis du eksperimentelt måler start- og sluttemperaturen til et kjemisk materiale, kan du bestemme varmen som avgis av reaksjonen. Hvis du skulle varme opp en drivstoffkolbe som en beholder og registrere temperaturendringen i rommet rett utenfor beholderen, kan du måle varmen som avgis ved å bruke denne ligningen.

Ved måling av temperaturer kan en temperatursonde kontinuerlig måle temperaturen over tid. Dette vil gi deg et bredt spekter av temperaturer som du kan bruke varmeligningen for. Du bør også se etter steder i grafen som viser enlineært forholdmellom temperatur over tid, da dette viser at temperaturen avgis med konstant hastighet. Dette indikerer sannsynligvis det lineære forholdet mellom temperatur og varme som varmeligningen bruker.

Så, hvis du måler hvor mye massen av drivstoffet har endret seg, kan du bestemme hvordan energi ble lagret i den mengden masse for drivstoffet. Alternativt kan du måle hvor mye volumforskjell dette er for de aktuelle energitetthetenhetene.

Denne metoden, kjent sombombe kalorimetermetode, gir deg en eksperimentell metode for å bruke energidensitetsformelen for å beregne denne tettheten. Mer raffinerte metoder kan ta hensyn til varmen som går tapt til selve beholderens vegger eller ledningen av varme gjennom beholderens materiale.

Du kan også uttrykke energiinnhold som en variasjon av den høyere oppvarmingsverdien (HHV). Dette er mengden varme som frigjøres ved romtemperatur (25 ° C) av en masse eller et volum drivstoff etter at det forbrenner, og produktene har kommet tilbake til romtemperatur. Denne metoden tar hensyn til den latente varmen, entalpiivarmen som oppstår når størkning og faststoffase-transformasjoner oppstår under avkjøling av et materiale.

Gjennom denne metoden blir energiinnholdet gitt av den høyere oppvarmingsverdien ved basisvolumforhold (HHV_b). Ved standard- eller basisforhold, energistrømningshastighetenq_Hber lik produktet av den volumetriske strømningshastighetenq_vbog den høyere oppvarmingsverdien ved basisvolumforhold i ligningen

Gjennom eksperimentelle metoder har forskere og ingeniører studertHHV_bfor forskjellige drivstoff for å bestemme hvordan det kan bestemmes som funksjon av andre variabler som er relevante for drivstoffeffektivitet. Standardbetingelser er definert som 10 ° C (273,15 K eller 32 oF) og 105 pascal (1 bar).

Disse empiriske resultatene har vist detHHV_bavhenger av trykk og temperatur ved baseforhold samt sammensetningen av drivstoff eller gass. Derimot den lavere oppvarmingsverdienLHVer den samme målingen, men på det punktet hvor vannet i de endelige forbrenningsproduktene forblir som damp eller damp.

Annen forskning har vist at du kan beregneHHVfra sammensetningen av selve drivstoffet. Dette burde gi deg

med hverXsom brøkmassen for karbon (C), hydrogen (H), svovel (S), nitrogen (N), oksygen (O) og det gjenværende askeinnholdet. Nitrogen og oksygen har en negativ effekt påHHVda de ikke bidrar til frigjøring av varme som andre grunnstoffer og molekyler gjør.

Biodieseldrivstoff tilbyr en miljøvennlig metode for å produsere drivstoff som et alternativ til andre, mer skadelige drivstoff. De er laget av naturlige oljer, soyaekstrakter og alger. Denne fornybare drivstoffkilden resulterer i mindre forurensning i miljøet, og de blandes vanligvis med petroleumsdrivstoff (bensin og diesel). Dette gjør dem til ideelle kandidater for å studere hvor mye energi et drivstoff bruker ved hjelp av mengder som energitetthet og energiinnhold.

Dessverre, fra et energiinnholdsperspektiv, har biodieseldrivstoff en stor mengde oksygen, slik at de produserer lavere energiverdier med hensyn til massen (i enheter på MJ / kg). Biodieselbrensel har omtrent 10 prosent lavere energiinnhold. B100 har for eksempel et energiinnhold på 119,550 Btu / gal.

En annen måte å måle hvor mye energi et drivstoff bruker er energibalansen, som for biodiesel er 4,56. Dette betyr at biodieseldrivstoff produserer 4,56 enheter energi for hver enhet fossil energi de bruker. Andre drivstoff pakker mer energi, for eksempel B20, en blanding av diesel og biomassedrivstoff. Dette drivstoffet har omtrent 99 prosent av energien til en liter diesel eller 109 prosent av energien til en liter bensin.

Alternative metoder eksisterer for å bestemme effektiviteten til varme som avgis av biomasse generelt. Forskere og ingeniører som studerer biomasse, bruker bombekalorimetermetoden til å måle varmen som frigjøres fra forbrenningen som overføres til enten luft eller vann som omgir beholderen. Fra dette kan du bestemmeHHVfor biomassen.