Hur man beräknar energitäthet

Vad gör bensin och andra bränslen så kraftfulla? Potentialen hos kemiska blandningar som bränslen som driver bilar kommer från de reaktioner som dessa material kan orsaka.

Du kan mäta denna energitäthet med enkla formler och ekvationer som styr dessa kemiska och fysiska egenskaper när bränslen tas i bruk. Energidensitetsekvationen ger ett sätt att mäta denna kraftfulla energi i förhållande till själva bränslet.

Formeln förenergi densitetär

för energitäthetE_d, energiEoch volymV. Du kan också mätaspecifik energi​ ​E_ssomE / Mför massa istället för volym. Den specifika energin är närmare korrelerad med den tillgängliga energi som bränslen använder när man driver bilar än energitätheten är. Referenstabeller visar att bensin, fotogen och dieselbränslen har mycket högre energitäthet än kol, metanol och trä.

Oavsett använder kemister, fysiker och ingenjörer både energitäthet och specifik energi när de utformar bilar och testar material för fysiska egenskaper. Du kan bestämma hur mycket energi ett bränsle kommer att ge ut baserat på förbränningen av denna tätt packade energi. Detta mäts genom energiinnehåll.

Mängden energi per massenhet eller volym som ett bränsle avger när det förbränns är energiinnehållet i bränslet. Medan tätare packade bränslen har högre värden på energiinnehåll i volym, producerar bränslen med lägre densitet i allmänhet mer energiinnehåll per massenhet.

Energiinnehållet måste mätas för en viss gasvolym t en specifik temperatur och ett specifikt tryck. I USA rapporterar ingenjörer och forskare energiinnehållet i internationella brittiska termiska enheter (BtuIT) medan energiinnehåll rapporteras i joule (J) i Kanada och Mexiko.

Du kan också användakalorieratt rapportera energiinnehåll. Mer standardmetoder för beräkning av energiinnehåll inom vetenskap och teknik använder mängden värme som produceras när du bränner ett enda gram av det materialet i joule per gram (J / g).

Med denna enhet joule per gram kan du beräkna hur mycket värme som avges genom att öka temperaturen på ett specifikt ämne när du känner till den specifika värmekapacitetenC_sidav det materialet. DeC_sidvatten är 4,18 J / g ° C. Du använder ekvationen för värmeHsom

i vilken∆Tär en temperaturförändring och m är ämnets massa i gram.

Om du experimentellt mäter början och slutstemperaturen för ett kemiskt material kan du bestämma värmen som avges av reaktionen. Om du skulle värma upp en bränslekolv som en behållare och registrera temperaturförändringen i utrymmet direkt utanför behållaren, kan du mäta den avgivna värmen med denna ekvation.

Vid mätning av temperaturer kan en temperatursond kontinuerligt mäta temperaturen över tiden. Detta ger dig ett brett temperaturintervall för vilket du kan använda värmeekvationen. Du bör också leta efter platser i diagrammet som visar enlinjärt förhållandemellan temperaturen över tiden, eftersom detta skulle visa att temperaturen avges i konstant takt. Detta indikerar sannolikt det linjära sambandet mellan temperatur och värme som värmeekvationen använder.

Om du sedan mäter hur mycket bränslemassan har förändrats kan du bestämma hur energi lagrades i den massan för bränslet. Alternativt kan du mäta hur mycket av en volymskillnad detta är för lämpliga energitäthetenheter.

Denna metod, känd sombombkalorimetermetod, ger dig en experimentell metod för att använda energidensitetsformeln för att beräkna denna densitet. Mer förfinade metoder kan ta hänsyn till värme som går förlorad till själva behållarens väggar eller ledningen av värme genom behållarens material.

Du kan också uttrycka energiinnehåll som en variation av det högre värmevärdet (H HV). Detta är mängden värme som frigörs vid rumstemperatur (25 ° C) av en massa eller volym bränsle efter att det förbränts och produkterna har återgått till rumstemperatur. Denna metod tar hänsyn till latent värme, entalpivärmen som uppstår när stelning och fast tillståndsfastransformationer inträffar under kylning av ett material.

Genom denna metod ges energiinnehållet av det högre värmevärdet vid basvolymförhållanden (H HV_b). Vid standard- eller basförhållanden, energiflödenq_Hbär lika med produkten av volymflödetq_vboch det högre värmevärdet vid basvolymförhållandena i ekvationen

Genom experimentella metoder har forskare och ingenjörer studeratH HV_bför olika bränslen för att bestämma hur det kan bestämmas som funktion av andra variabler som är relevanta för bränsleeffektivitet. Standardförhållanden definieras som 10 ° C (273,15 K eller 32 oF) och 105 pascal (1 bar).

Dessa empiriska resultat har visat detH HV_bberor på tryck och temperatur vid basförhållanden samt sammansättningen av bränslet eller gasen. Däremot det lägre värmevärdetLHVär samma mätning, men vid den punkt där vattnet i de slutliga förbränningsprodukterna förblir som ånga eller ånga.

Annan forskning har visat att du kan beräknaH HVfrån sammansättningen av själva bränslet. Detta borde ge dig

Med varjeXsom den fraktionerade massan för kol (C), väte (H), svavel (S), kväve (N), syre (O) och återstående askhalt. Kväve och syre har en negativ effekt påH HVeftersom de inte bidrar till frisättningen av värme som andra element och molekyler gör.

Biodieselbränslen erbjuder en miljövänlig metod för att producera bränsle som ett alternativ till andra, mer skadliga bränslen. De är skapade av naturliga oljor, sojaextrakt och alger. Denna förnybara bränslekälla leder till mindre miljöföroreningar och de blandas vanligtvis med petroleumbränslen (bensin och dieselbränslen). Detta gör dem till idealiska kandidater för att studera hur mycket energi ett bränsle använder med mängder som energitäthet och energiinnehåll.

Tyvärr ur ett energiinnehållsperspektiv har biodieselbränslen en stor mängd syre, så de producerar lägre energivärden i förhållande till deras massa (i enheter av MJ / kg). Biodieselbränslen har cirka 10 procent lägre energiinnehåll. B100 har till exempel ett energiinnehåll på 119,550 Btu / gal.

Ett annat sätt att mäta hur mycket energi ett bränsle använder är energibalansen, som för biodiesel är 4,56. Detta innebär att biodieselbränslen producerar 4,56 enheter energi för varje enhet fossil energi de använder. Andra bränslen packar mer energi, till exempel B20, en blandning av diesel och biobränsle. Detta bränsle har cirka 99 procent av energin i en liter diesel eller 109 procent av energin i en liter bensin.

Alternativa metoder finns för att bestämma effektiviteten för värme som genereras av biomassa i allmänhet. Forskare och ingenjörer som studerar biomassa använder bombkalorimetermetoden för att mäta värmen som frigörs från förbränningen som överförs till antingen luft eller vatten som omger behållaren. Från detta kan du bestämmaH HVför biomassan.