Ako vypočítať hustotu energie

Čím je benzín a iné palivá také silné? Potenciál chemických zmesí, ako sú palivá, ktoré poháňajú automobily, pochádzajú z reakcií, ktoré tieto materiály môžu spôsobiť.

Túto hustotu energie môžete merať pomocou priamych vzorcov a rovníc, ktoré riadia tieto chemické a fyzikálne vlastnosti, keď sa majú palivá používať. Rovnica energetickej hustoty poskytuje spôsob merania tejto silnej energie vzhľadom na samotné palivo.

Vzorec prehustota energieje

pre hustotu energieE_d, energiaEa objemV.. Môžete tiež zmeraťšpecifická energia​ ​E_sakoE / Mpre hmotu namiesto objemu. Špecifická energia viac koreluje s dostupnou energiou, ktorú používajú palivá na pohon automobilov, ako s hustotou energie. Referenčné tabuľky ukazujú, že benzín, petrolej a nafta majú oveľa vyššiu hustotu energie ako uhlie, metanol a drevo.

Bez ohľadu na to chemici, fyzici a inžinieri používajú pri navrhovaní automobilov a testovaní fyzikálnych vlastností hustotu energie aj špecifickú energiu. Na základe spaľovania tejto husto zabalenej energie môžete určiť, koľko energie bude palivo vydávať. Meria sa to prostredníctvom energetického obsahu.

Množstvo energie na jednotku hmotnosti alebo objemu, ktoré palivo vydáva pri spaľovaní, je energetický obsah paliva. Zatiaľ čo hustejšie balené palivá majú vyššie hodnoty energetického obsahu z hľadiska objemu, palivá s nižšou hustotou všeobecne produkujú viac energetického obsahu na jednotku hmotnosti.

Energetický obsah sa musí merať pre daný objem plynu t a konkrétnu teplotu a tlak. V Spojených štátoch amerických informujú inžinieri a vedci o energetickom obsahu v medzinárodných britských tepelných jednotkách (BtuIT), zatiaľ čo v Kanade a Mexiku sa energetický obsah uvádza v jouloch (J).

Môžete tiež použiťkalórienahlásiť energetický obsah. Štandardnejšie metódy výpočtu obsahu energie vo vede a technike využívajú množstvo tepla vyrobeného pri spálení jedného gramu tohto materiálu v jouloch na gram (J / g).

Pomocou tejto jednotky joulov na gram môžete vypočítať, koľko tepla sa odovzdáva, zvýšením teploty konkrétnej látky, keď poznáte špecifickú tepelnú kapacitu.C._ptohto materiálu. TheC._pvody je 4,18 J / g ° C. Použijete rovnicu pre teploHako

v ktorom∆Tje zmena teploty am je hmotnosť látky v gramoch.

Ak experimentálne zmeriate počiatočnú a konečnú teplotu chemického materiálu, môžete určiť teplo, ktoré vydáva reakcia. Ak by ste chceli ohriať banku paliva ako nádobu a zaznamenať zmenu teploty v priestore priamo mimo nádobu, môžete pomocou tejto rovnice zmerať vydané teplo.

Pri meraní teplôt môže teplotná sonda priebežne merať teplotu v priebehu času. Získate tak širokú škálu teplôt, pre ktoré môžete použiť rovnicu tepla. Mali by ste tiež vyhľadať miesta v grafe, ktoré ukazujú alineárny vzťahmedzi teplotou v priebehu času, pretože by to ukazovalo, že teplota sa vydáva konštantnou rýchlosťou. To pravdepodobne naznačuje lineárny vzťah medzi teplotou a teplom, ktorý tepelná rovnica využíva.

Potom, ak zmeriate, ako veľmi sa zmenila hmotnosť paliva, môžete určiť, ako sa energia ukladala v takom množstve hmoty pre palivo. Prípadne môžete zmerať, o koľko ide o objemový rozdiel pre príslušné jednotky hustoty energie.

Táto metóda známa akobombový kalorimetermetóda, vám poskytne experimentálnu metódu použitia vzorca hustoty energie na výpočet tejto hustoty. Rafinovanejšie spôsoby môžu brať do úvahy teplo stratené na stenách samotnej nádoby alebo vedenie tepla materiálom kontajnera.

Energetický obsah môžete vyjadriť aj ako variáciu vyššej výhrevnosti (HHV). Toto je množstvo tepla uvoľneného pri izbovej teplote (25 ° C) hmotnosťou alebo objemom paliva po jeho spálení a produkty sa vrátili na izbovú teplotu. Táto metóda zohľadňuje latentné teplo, entalpické teplo, ktoré vzniká pri tuhnutí a fázových transformáciách v pevnom stave počas ochladzovania materiálu.

Touto metódou je energetický obsah daný vyššou výhrevnosťou pri podmienkach základného objemu (HHV_b). Pri štandardných alebo základných podmienkach prietok energieq_Hbsa rovná súčinu objemového prietokuq_vba vyššiu hodnotu vykurovania pri podmienkach základného objemu v rovnici

Vedci a inžinieri študovali pomocou experimentálnych metódHHV_bpre rôzne palivá určiť, ako sa dá určiť ako funkcia iných premenných týkajúcich sa palivovej úspornosti. Štandardné podmienky sú definované ako 10 ° C (273,15 K alebo 32 oF) a 105 pascalov (1 bar).

Tieto empirické výsledky to ukázaliHHV_bzávisí od tlaku a teploty pri základných podmienkach, ako aj od zloženia paliva alebo plynu. Naproti tomu nižšia výhrevnosťLHVje rovnaké meranie, ale v bode, v ktorom voda v konečných produktoch spaľovania zostáva ako para alebo para.

Ďalší výskum ukázal, že viete vypočítaťHHVzo zloženia samotného paliva. Toto by ti malo dať

s každýmXako zlomková hmotnosť uhlíka (C), vodíka (H), síry (S), dusíka (N), kyslíka (O) a zvyšného obsahu popola. Dusík a kyslík majú nepriaznivý vplyv naHHVpretože neprispievajú k uvoľňovaniu tepla ako iné prvky a molekuly.

Bionaftové palivá ponúkajú ekologický spôsob výroby paliva ako alternatívu k iným, škodlivejším palivám. Sú vyrobené z prírodných olejov, výťažkov zo sójových bôbov a rias. Tento obnoviteľný zdroj paliva vedie k menšiemu znečisťovaniu životného prostredia a zvyčajne sa zmieša s ropnými palivami (benzín a nafta). To z nich robí ideálnych kandidátov na štúdium toho, koľko energie spotrebuje palivo pomocou množstva, ako je hustota energie a energetický obsah.

Bohužiaľ z hľadiska energetického obsahu majú bionaftové palivá veľké množstvo kyslíka, takže produkujú nižšie energetické hodnoty vzhľadom na ich hmotnosť (v jednotkách MJ / kg). Bionafta má asi o 10 percent nižší energetický obsah. Napríklad B100 má energetický obsah 119 550 Btu / gal.

Ďalším spôsobom, ako merať, koľko energie spotrebuje palivo, je energetická bilancia, ktorá je v prípade bionafty 4,56. To znamená, že bionaftové palivá produkujú 4,56 jednotky energie na každú jednotku fosílnej energie, ktorú používajú. Ostatné palivá obsahujú viac energie, napríklad B20, zmes nafty s palivom z biomasy. Toto palivo má asi 99 percent energie jedného galónu nafty alebo 109 percent energie jedného galónu benzínu.

Na stanovenie účinnosti tepla vydávaného biomasou všeobecne existujú alternatívne metódy. Vedci a inžinieri, ktorí skúmajú biomasu, používajú metódu bombového kalorimetra na meranie tepla uvoľneného zo spaľovania, ktoré sa prenáša na vzduch alebo vodu obklopujúcu nádobu. Z tohto môžete určiťHHVpre biomasu.