Как рассчитать плотность энергии

Что делает бензин и другие виды топлива такими мощными? Возможности химических смесей, таких как топливо, которые используются в автомобилях, возникают в результате реакций, которые эти материалы могут вызывать.

Вы можете измерить эту плотность энергии, используя простые формулы и уравнения, которые определяют эти химические и физические свойства при использовании топлива. Уравнение плотности энергии позволяет измерить эту мощную энергию по отношению к самому топливу.

Формула дляплотность энергииявляется

для плотности энергииE_d, энергияEи объемV. Вы также можете измеритьудельная энергия​ ​E_sв видеЭМдля массы, а не для объема. Удельная энергия более тесно связана с доступной энергией, которая используется топливом для привода автомобилей, чем плотность энергии. Справочные таблицы показывают, что бензин, керосин и дизельное топливо имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем уголь, метанол и древесина.

Тем не менее, химики, физики и инженеры используют плотность энергии и удельную энергию при проектировании автомобилей и проверке физических свойств материалов. Вы можете определить, сколько энергии будет выделять топливо, основываясь на сгорании этой плотно упакованной энергии. Это измеряется содержанием энергии.

Количество энергии на единицу массы или объема, выделяемое топливом при сгорании, является содержанием энергии в топливе. В то время как более плотно упакованные виды топлива имеют более высокие значения энергосодержания с точки зрения объема, топлива с более низкой плотностью обычно производят больше энергии на единицу массы.

Энергосодержание должно быть измерено для данного объема газа t при определенной температуре и давлении. В Соединенных Штатах инженеры и ученые указывают содержание энергии в международных британских тепловых единицах (BtuIT), в то время как в Канаде и Мексике содержание энергии указывается в джоулях (Дж).

Вы также можете использоватькалориисообщить о содержании энергии. Более стандартные методы расчета содержания энергии в науке и технике используют количество тепла, выделяемого при сжигании одного грамма этого материала, в джоулях на грамм (Дж / г).

Используя эту единицу измерения в джоулях на грамм, вы можете рассчитать, сколько тепла выделяется, увеличивая температуру определенного вещества, если вам известна его удельная теплоемкость.C_пиз этого материала. ВC_пводы составляет 4,18 Дж / г ° C. Вы используете уравнение для теплаЧАСв виде

в котором∆T- изменение температуры, m - масса вещества в граммах.

Если вы экспериментально измеряете начальную и конечную температуры химического материала, вы можете определить тепло, выделяемое реакцией. Если вы должны были нагреть флягу с топливом как контейнер и записать изменение температуры в пространстве непосредственно за пределами контейнера, вы можете измерить выделяемое тепло, используя это уравнение.

При измерении температуры датчик температуры может непрерывно измерять температуру с течением времени. Это даст вам широкий диапазон температур, для которого вы можете использовать уравнение теплопроводности. Вы также должны искать места на графике, которые показываютлинейная связьмежду температурой с течением времени, так как это показывает, что температура снижается с постоянной скоростью. Это, вероятно, указывает на линейную зависимость между температурой и теплотой, которую использует уравнение теплопроводности.

Затем, если вы измеряете, насколько изменилась масса топлива, вы можете определить, сколько энергии было сохранено в этом количестве массы для топлива. В качестве альтернативы вы можете измерить, насколько это разница в объеме для соответствующих единиц плотности энергии.

Этот метод, известный каккалориметр бомбыметод, дает вам экспериментальный метод использования формулы плотности энергии для вычисления этой плотности. Более совершенные методы могут учитывать потери тепла стенками самого контейнера или теплопроводность через материал контейнера.

Вы также можете выразить энергосодержание как вариацию более высокой теплотворной способности (HHV). Это количество тепла, выделяемого при комнатной температуре (25 ° C) массой или объемом топлива после того, как оно сгорит и продукты вернулись к комнатной температуре. Этот метод учитывает скрытую теплоту, теплоту энтальпии, которая возникает при затвердевании и твердотельных фазовых превращениях во время охлаждения материала.

С помощью этого метода энергосодержание определяется более высокой теплотворной способностью в условиях базового объема (HHV_б). В стандартных или базовых условиях расход энергииq_Hbравно произведению объемного расходаq_vbи более высокая теплотворная способность при базовом объеме в уравнении

С помощью экспериментальных методов ученые и инженеры изучилиHHV_бдля различных видов топлива, чтобы определить, как его можно определить как функцию других переменных, относящихся к эффективности использования топлива. Стандартные условия определены как 10 ° C (273,15 K или 32 ° F) и 105 паскалей (1 бар).

Эти эмпирические результаты показали, чтоHHV_бзависит от давления и температуры в основных условиях, а также от состава топлива или газа. Напротив, более низкая теплотворная способностьLHVтакое же измерение, но в точке, в которой вода в конечных продуктах сгорания остается в виде пара или пара.

Другое исследование показало, что вы можете рассчитатьHHVот состава самого топлива. Это должно дать вам

с каждымИкскак массовая доля углерода (C), водорода (H), серы (S), азота (N), кислорода (O) и оставшейся золы. Азот и кислород отрицательно влияют наHHVпоскольку они не способствуют выделению тепла, как другие элементы и молекулы.

Биодизельное топливо предлагает экологически чистый метод производства топлива в качестве альтернативы другим, более вредным видам топлива. Они созданы из натуральных масел, экстрактов соевых бобов и водорослей. Этот возобновляемый источник топлива приводит к меньшему загрязнению окружающей среды и обычно смешивается с нефтяным топливом (бензином и дизельным топливом). Это делает их идеальными кандидатами для изучения того, сколько энергии использует топливо, используя такие величины, как плотность энергии и энергосодержание.

К сожалению, с точки зрения энергоемкости биодизельное топливо содержит большое количество кислорода, поэтому оно дает более низкие значения энергии по сравнению с их массой (в единицах МДж / кг). Биодизельное топливо имеет примерно на 10 процентов меньшее массовое энергосодержание. B100, например, имеет содержание энергии 119 550 БТЕ / галлон.

Еще один способ измерения количества энергии, потребляемой топливом, - это энергетический баланс, который для биодизеля составляет 4,56. Это означает, что биодизельное топливо производит 4,56 единицы энергии на каждую единицу ископаемой энергии, которую они используют. Другие виды топлива содержат больше энергии, например, B20, смесь дизельного топлива с топливом из биомассы. Это топливо содержит около 99 процентов энергии одного галлона дизельного топлива или 109 процентов энергии одного галлона бензина.

Существуют альтернативные методы определения эффективности теплоотдачи биомассы в целом. Ученые и инженеры, изучающие биомассу, используют метод калориметра бомбы для измерения тепла, выделяемого при сгорании, которое передается воздуху или воде, окружающей контейнер. Исходя из этого, вы можете определитьHHVдля биомассы.