Kako izračunati gostoto energije

Zakaj so bencin in druga goriva tako močni? Potencial kemičnih zmesi, kot so goriva, ki jih poganjajo avtomobili, izhaja iz reakcij, ki jih ti materiali lahko povzročijo.

To gostoto energije lahko izmerite z enostavnimi formulami in enačbami, ki urejajo te kemijske in fizikalne lastnosti, ko se goriva uporabljajo. Enačba gostote energije omogoča način merjenja te močne energije glede na gorivo.

Formula zagostota energijeje

za gostoto energijeE_d, energijaEin prostorninoV. Lahko tudi izmeritespecifična energija​ ​E_skotE / Mza maso namesto prostornine. Specifična energija je tesneje povezana z energijo, ki jo gorivo porabi za pogon avtomobilov, kot je gostota energije. Referenčne tabele kažejo, da imajo bencin, kerozin in dizelsko gorivo veliko večjo gostoto energije kot premog, metanol in les.

Ne glede na to kemiki, fiziki in inženirji pri načrtovanju avtomobilov in preskušanju materialov za fizikalne lastnosti uporabljajo tako energijsko gostoto kot specifično energijo. Na podlagi zgorevanja te gosto zapakirane energije lahko določite, koliko energije bo oddalo gorivo. To se meri z energijsko vsebnostjo.

Količina energije na enoto mase ali prostornine, ki jo gorivo odda ob zgorevanju, je vsebnost energije v gorivu. Medtem ko imajo bolj gosto zapakirana goriva višje vrednosti vsebnosti energije glede na prostornino, goriva z manjšo gostoto praviloma proizvedejo več energijske vsebnosti na enoto mase.

Vsebnost energije je treba izmeriti za določeno prostornino plina t za določeno temperaturo in tlak. V ZDA inženirji in znanstveniki poročajo o vsebnosti energije v mednarodnih britanskih toplotnih enotah (BtuIT), medtem ko se v Kanadi in Mehiki vsebnost energije poroča v džulih (J).

Lahko tudi uporabitekalorijza poročanje o vsebnosti energije. Bolj običajne metode za izračun energijske vsebnosti v znanosti in inženirstvu uporabljajo količino toplote, ki nastane, ko en gram tega materiala pokurite v džulih na gram (J / g).

Z uporabo te enote džuljev na gram lahko izračunate, koliko toplote oddate s povečanjem temperature določene snovi, ko poznate specifično toplotno zmogljivostC_strtega materiala. TheC_strvode znaša 4,18 J / g ° C. Enačbo uporabljate za toplotoHkot

v kateri∆Tje sprememba temperature in m masa snovi v gramih.

Če eksperimentalno izmerite začetno in končno temperaturo kemičnega materiala, lahko določite toploto, ki jo odda reakcija. Če bi bučko z gorivom segrevali kot posodo in zabeležili spremembo temperature v prostoru neposredno izven posode, lahko s pomočjo te enačbe izmerite toploto, ki se odda.

Pri merjenju temperatur lahko temperaturna sonda neprekinjeno meri temperaturo skozi čas. Tako boste dobili širok razpon temperatur, za katere lahko uporabite enačbo toplote. Na grafu poiščite tudi mesta, ki prikazujejo alinearno razmerjemed temperaturo skozi čas, saj bi to pokazalo, da se temperatura oddaja s stalno hitrostjo. To verjetno kaže na linearno razmerje med temperaturo in toploto, ki ga uporablja enačba toplote.

Potem, če izmerite, koliko se je spremenila masa goriva, lahko ugotovite, kako je bila energija shranjena v tej masni količini goriva. Lahko pa izmerite, kolikšna je volumska razlika za ustrezne enote gostote energije.

Ta metoda, znana kotbombni kalorimetermetoda vam daje eksperimentalno metodo uporabe formule gostote energije za izračun te gostote. Bolj izpopolnjene metode lahko upoštevajo toploto, izgubljeno na stenah same posode, ali prevod toplote skozi material posode.

Vsebnost energije lahko izrazite tudi kot variacijo višje ogrevalne vrednosti (HHV). To je količina toplote, ki se pri sobni temperaturi (25 ° C) sprosti z maso ali prostornino goriva po izgorevanju in proizvodi se vrnejo na sobno temperaturo. Ta metoda upošteva latentno toploto, entalpijsko toploto, ki nastane, ko med hlajenjem materiala pride do strjevanja in pretvorbe v trdnem stanju.

Po tej metodi je vsebnost energije podana z višjo vrednostjo ogrevanja pri pogojih osnovne prostornine (HHV_b). V standardnih ali osnovnih pogojih je pretok energijeq_Hbje enako zmnožku volumetričnega pretokaq_vbin višjo ogrevalno vrednost pri pogojih osnovne prostornine v enačbi

Z eksperimentalnimi metodami so znanstveniki in inženirji preučevaliHHV_bza različna goriva določiti, kako je to mogoče določiti v odvisnosti od drugih spremenljivk, pomembnih za izkoristek goriva. Standardni pogoji so opredeljeni kot 10 ° C (273,15 K ali 32 ° F) in 105 paskalov (1 bar).

Ti empirični rezultati so to pokazaliHHV_bje odvisna od tlaka in temperature v osnovnih pogojih ter od sestave goriva ali plina. Nasprotno pa nižja ogrevalna vrednostLHVje enaka meritev, toda na točki, ko voda v končnih produktih zgorevanja ostane kot para ali para.

Druge raziskave so pokazale, da lahko računateHHVod same sestave goriva. To bi vam moralo dati

z vsakimXkot delna masa ogljika (C), vodika (H), žvepla (S), dušika (N), kisika (O) in preostale vsebnosti pepela. Dušik in kisik škodljivo vplivata naHHVsaj ne prispevajo k sproščanju toplote kot drugi elementi in molekule.

Biodizelska goriva ponujajo okolju prijazen način pridobivanja goriva kot alternativo drugim, bolj škodljivim gorivom. Ustvarjeni so iz naravnih olj, izvlečkov soje in alg. Ta obnovljivi vir goriva povzroči manjše onesnaževanje okolja in se običajno mešajo z naftnimi gorivi (bencin in dizelsko gorivo). Zaradi tega so idealni kandidati za preučevanje, koliko energije gorivo porabi z uporabo količin, kot sta gostota energije in vsebnost energije.

Na žalost imajo biodizelska goriva z vidika vsebnosti energije veliko kisika, zato proizvajajo nižje energijske vrednosti glede na svojo maso (v enotah MJ / kg). Biodizelska goriva imajo približno 10 odstotkov manjšo masno vsebnost energije. Na primer, B100 ima energijsko vsebnost 119.550 Btu / gal.

Drug način merjenja, koliko energije gorivo porabi, je energijska bilanca, ki za biodizel znaša 4,56. To pomeni, da biodizelska goriva proizvedejo 4,56 enote energije za vsako enoto fosilne energije, ki jo porabijo. Druga goriva pakirajo več energije, na primer B20, mešanica dizelskega goriva in goriva iz biomase. To gorivo ima približno 99 odstotkov energije enega galona dizelskega goriva ali 109 odstotkov energije enega galona bencina.

Obstajajo alternativne metode za določanje učinkovitosti toplote, ki jo oddaja biomasa na splošno. Znanstveniki in inženirji, ki preučujejo biomaso, uporabljajo kalorimetrsko metodo bombe za merjenje toplote, ki se sprosti pri zgorevanju in se prenese v zrak ali vodo, ki obdaja posodo. Iz tega lahko določiteHHVza biomaso.