Jak obliczyć gęstość energii

Co sprawia, że ​​benzyna i inne paliwa są tak potężne? Potencjał mieszanin chemicznych, takich jak paliwa, które napędzają samochody, wynika z reakcji, jakie te materiały mogą wywołać.

Możesz zmierzyć tę gęstość energii za pomocą prostych wzorów i równań, które rządzą tymi właściwościami chemicznymi i fizycznymi, gdy paliwa są używane. Równanie gęstości energii daje sposób pomiaru tej potężnej energii w odniesieniu do samego paliwa.

Wzór nagęstość energiijest

dla gęstości energiimi_re, energiamii objętośćV. Możesz również zmierzyćspecyficzna energia​ ​mi_stak jakE/Mdla masy zamiast objętości. Konkretna energia jest ściślej skorelowana z dostępną energią zużywaną przez paliwa do napędzania samochodów niż gęstość energii. Tabele referencyjne pokazują, że benzyna, nafta i olej napędowy mają znacznie wyższą gęstość energetyczną niż węgiel, metanol i drewno.

Niezależnie od tego chemicy, fizycy i inżynierowie wykorzystują zarówno gęstość energii, jak i energię właściwą podczas projektowania samochodów i testowania materiałów pod kątem właściwości fizycznych. Możesz określić, ile energii wydzieli paliwo na podstawie spalania tej gęsto upakowanej energii. Jest to mierzone za pomocą zawartości energii.

Ilość energii na jednostkę masy lub objętości, jaką wydziela paliwo podczas spalania, jest zawartością energii w paliwie. Podczas gdy bardziej gęsto upakowane paliwa mają wyższe wartości zawartości energii pod względem objętości, paliwa o niższej gęstości na ogół wytwarzają większą zawartość energii na jednostkę masy.

Zawartość energii musi być mierzona dla danej objętości gazu t przy określonej temperaturze i ciśnieniu. W Stanach Zjednoczonych inżynierowie i naukowcy podają zawartość energii w międzynarodowych brytyjskich jednostkach termicznych (BtuIT), podczas gdy w Kanadzie i Meksyku zawartość energii podaje się w dżulach (J).

Możesz także użyćkalorieaby zgłosić zawartość energii. Bardziej standardowe metody obliczania zawartości energii w nauce i technice wykorzystują ilość ciepła wytworzonego podczas spalania jednego grama tego materiału w dżulach na gram (J/g).

Używając tej jednostki dżuli na gram, możesz obliczyć, ile ciepła jest wydzielane przez zwiększenie temperatury określonej substancji, gdy znasz pojemność cieplną właściwądo_ptego materiału.do_pwody wynosi 4,18 J/g°C. Używasz równania na ciepłoHtak jak

w którymTjest zmianą temperatury, a m jest masą substancji w gramach.

Jeśli eksperymentalnie zmierzysz temperaturę początkową i końcową materiału chemicznego, możesz określić ciepło wydzielane przez reakcję. Gdybyś miał ogrzać butelkę z paliwem jako pojemnik i zarejestrować zmianę temperatury w przestrzeni bezpośrednio na zewnątrz pojemnika, możesz zmierzyć wydzielane ciepło za pomocą tego równania.

Podczas pomiaru temperatury sonda temperatury może stale mierzyć temperaturę w czasie. To da ci szeroki zakres temperatur, dla których możesz użyć równania ciepła. Powinieneś także poszukać na wykresie miejsc, które pokazują azależność liniowamiędzy temperaturą w czasie, ponieważ pokazuje to, że temperatura jest wydzielana ze stałą szybkością. To prawdopodobnie wskazuje na liniową zależność między temperaturą a ciepłem, którą wykorzystuje równanie ciepła.

Następnie, jeśli zmierzysz, jak zmieniła się masa paliwa, możesz określić, w jaki sposób energia została zmagazynowana w tej ilości masy paliwa. Alternatywnie możesz zmierzyć, jaka jest różnica objętości dla odpowiednich jednostek gęstości energii.

Ta metoda, znana jakokalorymetr bombowyMetoda daje eksperymentalną metodę wykorzystania wzoru na gęstość energii do obliczenia tej gęstości. Bardziej wyrafinowane metody mogą uwzględniać utratę ciepła przez ściany samego pojemnika lub przewodzenie ciepła przez materiał pojemnika.

Zawartość energii można również wyrazić jako zmianę wyższej wartości opałowej (HHV). Jest to ilość ciepła uwalnianego w temperaturze pokojowej (25°C) przez masę lub objętość paliwa po jego spaleniu, a produkty powróciły do ​​temperatury pokojowej. Ta metoda uwzględnia ciepło utajone, ciepło entalpii, które pojawia się, gdy zachodzi krzepnięcie i przemiany fazy stałej podczas chłodzenia materiału.

Dzięki tej metodzie zawartość energii jest podawana przez wyższą wartość opałową w podstawowych warunkach objętościowych (HHV_b). W warunkach standardowych lub bazowych natężenie przepływu energiiq_Hbjest równy iloczynowi objętościowego natężenia przepływuq_vbi wyższa wartość opałowa w warunkach objętości bazowej w równaniu

Dzięki metodom eksperymentalnym naukowcy i inżynierowie zbadaliHHV_bdla różnych paliw, aby określić, w jaki sposób można to określić jako funkcję innych zmiennych odnoszących się do efektywności paliwowej. Standardowe warunki są zdefiniowane jako 10 °C (273,15 K lub 32 °F) i 105 paskali (1 bar).

Te empiryczne wyniki wykazały, żeHHV_bzależy od ciśnienia i temperatury w warunkach bazowych oraz składu paliwa lub gazu. Natomiast niższa wartość opałowaLHVjest tym samym pomiarem, ale w punkcie, w którym woda w końcowych produktach spalania pozostaje w postaci pary lub pary.

Inne badania wykazały, że można obliczyćHHVze składu samego paliwa. To powinno ci dać

z każdymXjako masa ułamkowa węgla (C), wodoru (H), siarki (S), azotu (N), tlenu (O) i pozostałej zawartości popiołu. Azot i tlen mają niekorzystny wpływ naHHVponieważ nie przyczyniają się do uwalniania ciepła, jak robią to inne pierwiastki i cząsteczki.

Paliwa biodiesel oferują przyjazną dla środowiska metodę produkcji paliwa jako alternatywę dla innych, bardziej szkodliwych paliw. Powstają z naturalnych olejków, ekstraktów z soi i alg. To odnawialne źródło paliwa powoduje mniejsze zanieczyszczenie środowiska i zwykle miesza się je z paliwami ropopochodnymi (benzyną i olejem napędowym). To sprawia, że ​​są idealnymi kandydatami do badania, ile energii zużywa paliwo na podstawie wielkości takich jak gęstość energii i zawartość energii.

Niestety z punktu widzenia zawartości energii paliwa biodiesel zawierają dużą ilość tlenu, więc wytwarzają niższą wartość energetyczną w stosunku do swojej masy (w jednostkach MJ/kg). Paliwa biodiesel mają o około 10 procent mniejszą masową zawartość energii. Na przykład B100 ma zawartość energetyczną 119 550 Btu/gal.

Innym sposobem pomiaru ilości energii zużywanej przez paliwo jest bilans energetyczny, który dla biodiesla wynosi 4,56. Oznacza to, że paliwa biodiesel wytwarzają 4,56 jednostki energii na każdą jednostkę energii kopalnej, którą wykorzystują. Inne paliwa pakują więcej energii, takie jak B20, mieszanka oleju napędowego z paliwem z biomasy. Paliwo to ma około 99 procent energii jednego galonu oleju napędowego lub 109 procent energii jednego galonu benzyny.

Istnieją alternatywne metody określania ogólnej wydajności ciepła wydzielanego przez biomasę. Naukowcy i inżynierowie badający biomasę wykorzystują metodę kalorymetru bombowego do pomiaru ciepła uwalnianego podczas spalania, które jest przekazywane do powietrza lub wody otaczającej pojemnik. Na tej podstawie możesz określićHHVdla biomasy.