O que torna a gasolina e outros combustíveis tão poderosos? O potencial das misturas químicas, como os combustíveis, que movem os carros, vem das reações que esses materiais são capazes de causar.
Você pode medir essa densidade de energia usando fórmulas e equações diretas que regem essas propriedades químicas e físicas quando os combustíveis são colocados em uso. A equação da densidade de energia fornece uma maneira de medir essa energia poderosa em relação ao próprio combustível.
Fórmula de densidade de energia
A fórmula paradensidade de energiaé
E_d = \ frac {E} {V}
para densidade de energiaEdenergiaEe volumeV. Você também pode medir oenergia especifica EscomoE / Mpara massa em vez de volume. A energia específica está mais intimamente correlacionada com a energia disponível que os combustíveis usam ao alimentar carros do que a densidade de energia. As tabelas de referência mostram que a gasolina, o querosene e os combustíveis diesel têm densidades de energia muito maiores do que o carvão, o metanol e a madeira.
Independentemente disso, químicos, físicos e engenheiros usam densidade de energia e energia específica ao projetar automóveis e testar materiais para propriedades físicas. Você pode determinar quanta energia um combustível emitirá com base na combustão dessa energia densamente compactada. Isso é medido através do conteúdo de energia.
A quantidade de energia por unidade de massa ou volume que um combustível emite quando entra em combustão é o conteúdo energético do combustível. Enquanto os combustíveis mais densamente compactados têm valores mais altos de conteúdo de energia em termos de volume, os combustíveis de densidade mais baixa geralmente produzem mais conteúdo de energia por unidade de massa.
Unidades de densidade de energia
O conteúdo de energia deve ser medido para um determinado volume de gás a uma temperatura e pressão específicas. Nos Estados Unidos, engenheiros e cientistas relatam o conteúdo de energia em unidades térmicas britânicas internacionais (BtuIT), enquanto no Canadá e no México, o conteúdo de energia é relatado em joules (J).
Você também pode usarcaloriaspara relatar o conteúdo de energia. Métodos mais padronizados de cálculo do conteúdo de energia em ciência e engenharia usam a quantidade de calor produzida quando você queima um único grama desse material em joules por grama (J / g).
Calculando o Conteúdo de Energia
Usando esta unidade de joules por grama, você pode calcular quanto calor é emitido aumentando a temperatura de uma substância específica quando você conhece a capacidade de calor específicaCpdesse material. OCpde água é 4,18 J / g ° C. Você usa a equação para calorHcomo
H = \ Delta T \ vezes m \ vezes C_p
no qual∆Té uma mudança na temperatura e m é a massa da substância em gramas.
Se você medir experimentalmente as temperaturas inicial e final de um material químico, poderá determinar o calor liberado pela reação. Se você fosse aquecer um frasco de combustível como um recipiente e registrar a mudança na temperatura no espaço diretamente fora do recipiente, você pode medir o calor emitido usando esta equação.
Calorímetro de bomba
Ao medir temperaturas, uma sonda de temperatura pode medir a temperatura continuamente ao longo do tempo. Isso lhe dará uma ampla gama de temperaturas para as quais você pode usar a equação do calor. Você também deve procurar lugares no gráfico que mostram umrelação linearentre a temperatura ao longo do tempo, pois isso mostraria que a temperatura está sendo emitida a uma taxa constante. Isso provavelmente indica a relação linear entre a temperatura e o calor que a equação do calor usa.
Então, se você medir o quanto a massa do combustível mudou, você pode determinar como a energia foi armazenada nessa quantidade de massa para o combustível. Alternativamente, você pode medir o quanto de diferença de volume isso representa para as unidades de densidade de energia apropriadas.
Este método, conhecido comocalorímetro de bomba, fornece um método experimental de uso da fórmula de densidade de energia para calcular essa densidade. Métodos mais refinados podem levar em consideração a perda de calor nas paredes do próprio recipiente ou a condução de calor através do material do recipiente.
Conteúdo de energia com maior valor de aquecimento
Você também pode expressar o conteúdo de energia como uma variação do valor de aquecimento mais alto (HHV). Esta é a quantidade de calor liberada à temperatura ambiente (25 ° C) por uma massa ou volume de combustível após sua combustão e os produtos terem retornado à temperatura ambiente. Este método leva em conta o calor latente, o calor de entalpia que emerge quando a solidificação e as transformações de fase de estado sólido ocorrem durante o resfriamento de um material.
Através deste método, o conteúdo de energia é dado pelo maior valor de aquecimento nas condições de volume de base (HHVb). Em condições padrão ou básicas, a taxa de fluxo de energiaqHbé igual ao produto da vazão volumétricaqvbe o maior valor de aquecimento nas condições de volume de base na equação
q_ {Hb} = q_ {vb} \ vezes HHV_b
Por meio de métodos experimentais, cientistas e engenheiros estudaram oHHVbpara vários combustíveis para determinar como ele pode ser determinado em função de outras variáveis pertinentes à eficiência de combustível. As condições padrão são definidas como 10 ° C (273,15 K ou 32 oF) e 105 pascal (1 bar).
Esses resultados empíricos mostraram queHHVbdepende da pressão e da temperatura nas condições básicas, bem como da composição do combustível ou gás. Em contraste, o menor valor de aquecimentoLHVé a mesma medida, mas no ponto em que a água nos produtos finais da combustão permanece como vapor ou vapor.
Outra pesquisa mostrou que você pode calcularHHVda composição do próprio combustível. Isso deve dar a você
HHV = 0,35X_C + 1,18X_H + 0,10X_S - 0,02X_N - 0,10X_O - 0,02X_ {cinza}
com cadaXcomo a massa fracionária de carbono (C), hidrogênio (H), enxofre (S), nitrogênio (N), oxigênio (O) e o conteúdo restante de cinzas. O nitrogênio e o oxigênio têm um efeito adverso sobre oHHVpois não contribuem para a liberação de calor como outros elementos e moléculas fazem.
Densidade de energia do biodiesel
Os combustíveis de biodiesel oferecem um método de produção de combustível que não agride o meio ambiente como alternativa a outros combustíveis mais prejudiciais. Eles são criados a partir de óleos naturais, extratos de soja e algas. Essa fonte de combustível renovável resulta em menos poluição ao meio ambiente, e geralmente são misturados aos combustíveis derivados do petróleo (gasolina e diesel). Isso os torna candidatos ideais para estudar quanta energia um combustível usa, usando quantidades como densidade e conteúdo de energia.
Infelizmente, do ponto de vista do conteúdo energético, os combustíveis biodiesel têm uma grande quantidade de oxigênio, portanto, produzem valores de energia mais baixos em relação à sua massa (em unidades de MJ / kg). Os combustíveis do biodiesel têm um teor de energia de massa cerca de 10% menor. O B100, por exemplo, tem um conteúdo de energia de 119.550 Btu / gal.
Outra forma de medir a quantidade de energia consumida por um combustível é o balanço energético, que para o biodiesel é de 4,56. Isso significa que os combustíveis biodiesel produzem 4,56 unidades de energia para cada unidade de energia fóssil que usam. Outros combustíveis carregam mais energia, como o B20, uma mistura de diesel com combustível de biomassa. Esse combustível tem cerca de 99% da energia de um galão de diesel ou 109% da energia de um galão de gasolina.
Existem métodos alternativos para determinar a eficiência do calor emitido pela biomassa em geral. Cientistas e engenheiros que estudam a biomassa usam o método do calorímetro de bomba para medir o calor liberado pela combustão que é transferido para o ar ou água ao redor do recipiente. A partir disso, você pode determinar oHHVpara a biomassa.
