Cum se calculează densitatea energetică

Ce face benzina și alți combustibili atât de puternici? Potențialul amestecurilor chimice, cum ar fi combustibilii care alimentează mașinile, provin din reacțiile pe care aceste materiale le pot provoca.

Puteți măsura această densitate de energie folosind formule și ecuații simple care guvernează aceste proprietăți chimice și fizice atunci când combustibilii sunt folosiți. Ecuația densității energetice oferă o modalitate de măsurare a acestei energii puternice în raport cu combustibilul însuși.

Formula pentrudensitatea energieieste

pentru densitatea energieiE_d, energieEși volumV. De asemenea, puteți măsuraenergie specifică​ ​E_sla fel deE / Mpentru masă în loc de volum. Energia specifică este mai strâns corelată cu energia disponibilă pe care o folosesc combustibilii la alimentarea autovehiculelor decât densitatea energetică. Tabelele de referință arată că benzina, kerosenul și motorina au densități energetice mult mai mari decât cărbunele, metanolul și lemnul.

Indiferent, chimiștii, fizicienii și inginerii folosesc atât densitatea energetică, cât și energia specifică atunci când proiectează automobile și testează materiale pentru proprietățile fizice. Puteți stabili câtă energie va emite un combustibil pe baza arderii acestei energii dens ambalate. Aceasta se măsoară prin conținutul de energie.

Cantitatea de energie pe unitate de masă sau volum pe care un combustibil o degajă atunci când arde este conținutul de energie al combustibilului. În timp ce combustibilii mai dens ambalați au valori mai ridicate ale conținutului de energie în termeni de volum, combustibilii cu densitate mai mică produc, în general, mai mult conținut de energie pe unitate de masă.

Conținutul de energie trebuie măsurat pentru un anumit volum de gaz t o temperatură și o presiune specifice. În Statele Unite, inginerii și oamenii de știință raportează conținutul de energie în unitățile termice internaționale britanice (BtuIT), în timp ce, în Canada și Mexic, conținutul de energie este raportat în jouli (J).

Puteți utiliza, de asemeneacaloriipentru a raporta conținutul de energie. Mai multe metode standard de calcul al conținutului de energie în știință și inginerie utilizează cantitatea de căldură produsă atunci când arzi un singur gram din acel material în jouli pe gram (J / g).

Folosind această unitate de jouli pe gram, puteți calcula cantitatea de căldură emanată prin creșterea temperaturii unei substanțe specifice atunci când cunoașteți capacitatea de căldură specificăC_pdin acel material.C_pde apă este de 4,18 J / g ° C. Folosiți ecuația pentru căldurăHla fel de

in care∆Teste o modificare a temperaturii, iar m este masa substanței în grame.

Dacă măsurați experimental temperaturile inițiale și finale ale unui material chimic, puteți determina căldura degajată de reacție. Dacă ar fi să încălziți un balon de combustibil ca recipient și să înregistrați schimbarea temperaturii în spațiul direct în afara containerului, puteți măsura căldura degajată folosind această ecuație.

La măsurarea temperaturilor, o sondă de temperatură poate măsura continuu temperatura în timp. Acest lucru vă va oferi o gamă largă de temperaturi pentru care puteți utiliza ecuația căldurii. De asemenea, ar trebui să căutați locuri în grafic care să afișeze unrelație liniarăîntre temperatură în timp, deoarece acest lucru ar arăta că temperatura se degajă la o rată constantă. Acest lucru indică probabil relația liniară dintre temperatură și căldură pe care o folosește ecuația căldurii.

Apoi, dacă măsurați cât s-a schimbat masa combustibilului, puteți determina cum a fost stocată energia în acea cantitate de masă pentru combustibil. Alternativ, ați putea măsura diferența de volum pentru unitățile de densitate a energiei adecvate.

Această metodă, cunoscută sub numele decalorimetru bombă, vă oferă o metodă experimentală de utilizare a formulei densității energiei pentru a calcula această densitate. Metodele mai rafinate pot lua în considerare căldura pierdută pe pereții containerului sau conducerea căldurii prin materialul containerului.

De asemenea, puteți exprima conținutul de energie ca o variație a valorii de încălzire mai mari (H HV). Aceasta este cantitatea de căldură degajată la temperatura camerei (25 ° C) de o masă sau volum de combustibil după ce a ars, iar produsele au revenit la temperatura camerei. Această metodă ține cont de căldura latentă, căldura de entalpie care apare atunci când solidificarea și transformările în fază solidă au loc în timpul răcirii unui material.

Prin această metodă, conținutul de energie este dat de valoarea de încălzire mai mare la condiții de volum de bază (H HV_b). În condiții standard sau de bază, debitul de energieq_Hbeste egal cu produsul debitului volumetricq_vbși valoarea de încălzire mai mare la condițiile de volum de bază din ecuație

Prin metode experimentale, oamenii de știință și inginerii au studiatH HV_bpentru diferiți combustibili pentru a determina cum poate fi determinat în funcție de alte variabile relevante pentru eficiența combustibilului. Condițiile standard sunt definite ca 10 ° C (273,15 K sau 32 oF) și 105 pascali (1 bar).

Aceste rezultate empirice au arătat căH HV_bdepinde de presiunea și temperatura în condițiile de bază, precum și de compoziția combustibilului sau gazului. În schimb, valoarea de încălzire mai micăLHVeste aceeași măsurare, dar în punctul în care apa din produsele finale de ardere rămâne ca vapori sau aburi.

Alte cercetări au arătat că puteți calculaH HVdin compoziția combustibilului în sine. Acest lucru ar trebui să vă ofere

cu fiecareXca masa fracționată pentru carbon (C), hidrogen (H), sulf (S), azot (N), oxigen (O) și conținutul de cenușă rămas. Azotul și oxigenul au un efect negativ asupraH HVdeoarece acestea nu contribuie la eliberarea căldurii ca și alte elemente și molecule.

Combustibilii cu biodiesel oferă o metodă ecologică de a produce combustibil ca alternativă la alți combustibili mai dăunători. Sunt create din uleiuri naturale, extracte de soia și alge. Această sursă de combustibil regenerabil are ca rezultat o mai mică poluare a mediului și sunt de obicei amestecate cu combustibili petrolieri (benzină și motorină). Acest lucru îi face să fie candidați ideali pentru a studia câtă energie consumă un combustibil folosind cantități precum densitatea energetică și conținutul de energie.

Din păcate, din perspectiva conținutului de energie, combustibilii biodiesel au o cantitate mare de oxigen, deci produc valori energetice mai mici în raport cu masa lor (în unități de MJ / kg). Combustibilii cu biodiesel au un conținut de masă cu aproximativ 10% mai mic. B100, de exemplu, are un conținut de energie de 119.550 Btu / gal.

Un alt mod de măsurare a cantității de energie pe care o folosește un combustibil este echilibrul energetic, care, pentru biodiesel, este de 4,56. Aceasta înseamnă că combustibilii biodiesel produc 4,56 de unități de energie pentru fiecare unitate de energie fosilă pe care o utilizează. Alți combustibili conțin mai multă energie, cum ar fi B20, un amestec de motorină cu combustibil din biomasă. Acest combustibil are aproximativ 99% din energia unui galon de motorină sau 109% din energia unui galon de benzină.

Există metode alternative pentru determinarea eficienței căldurii degajate de biomasă în general. Oamenii de știință și inginerii care studiază biomasa folosesc metoda calorimetrului bombei pentru a măsura căldura eliberată din combustie care este transferată fie în aer, fie în apă care înconjoară containerul. Din aceasta, puteți determinaH HVpentru biomasă.