วิธีการคำนวณความหนาแน่นของพลังงาน

อะไรทำให้น้ำมันเบนซินและเชื้อเพลิงอื่นๆ มีพลังมหาศาล ศักยภาพของส่วนผสมทางเคมี เช่น เชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนรถยนต์มาจากปฏิกิริยาที่วัสดุเหล่านี้สามารถทำให้เกิดได้

คุณสามารถวัดความหนาแน่นของพลังงานนี้ได้โดยใช้สูตรและสมการที่ตรงไปตรงมาซึ่งควบคุมคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพเหล่านี้เมื่อเชื้อเพลิงถูกนำไปใช้ สมการความหนาแน่นของพลังงานเป็นวิธีการวัดพลังงานอันทรงพลังนี้โดยเทียบกับตัวเชื้อเพลิงเอง

สูตรสำหรับความหนาแน่นของพลังงานคือ

เพื่อความหนาแน่นของพลังงานอี_d, พลังงานอีและปริมาณวี. คุณยังสามารถวัดค่าพลังงานจำเพาะ​ ​อี_สเช่นE/Mสำหรับมวลแทนปริมาตร พลังงานจำเพาะมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพลังงานที่มีอยู่ซึ่งเชื้อเพลิงใช้เมื่อเปิดเครื่องรถยนต์มากกว่าความหนาแน่นของพลังงาน ตารางอ้างอิงแสดงให้เห็นว่าน้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด และดีเซลมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าถ่านหิน เมทานอล และไม้มาก

ไม่ว่านักเคมี นักฟิสิกส์ และวิศวกรจะใช้ทั้งความหนาแน่นของพลังงานและพลังงานเฉพาะเมื่อออกแบบรถยนต์และทดสอบวัสดุสำหรับคุณสมบัติทางกายภาพ คุณสามารถกำหนดได้ว่าเชื้อเพลิงจะปล่อยพลังงานออกมาเท่าใดโดยพิจารณาจากการเผาไหม้ของพลังงานที่อัดแน่นนี้ ซึ่งวัดจากปริมาณพลังงาน

ปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวลหรือปริมาตรที่เชื้อเพลิงปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้คือปริมาณพลังงานของเชื้อเพลิง แม้ว่าเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะมีปริมาณพลังงานที่สูงกว่าในแง่ของปริมาณ แต่โดยทั่วไปแล้วเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าจะให้ปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวลมากกว่า

ปริมาณพลังงานจะต้องถูกวัดสำหรับปริมาตรของก๊าซที่กำหนดที่อุณหภูมิและความดันจำเพาะ ในสหรัฐอเมริกา วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์รายงานปริมาณพลังงานในหน่วยความร้อนนานาชาติของอังกฤษ (BtuIT) ในขณะที่ในแคนาดาและเม็กซิโก ปริมาณพลังงานรายงานเป็นจูล (J)

คุณสามารถใช้ Youแคลอรี่เพื่อรายงานเนื้อหาด้านพลังงาน วิธีการมาตรฐานอื่นๆ ในการคำนวณปริมาณพลังงานในด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมจะใช้ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อคุณเผาวัสดุนั้นหนึ่งกรัมเป็นจูลต่อกรัม (J/g)

การใช้หน่วยจูลต่อกรัมนี้ คุณสามารถคำนวณปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยการเพิ่มอุณหภูมิของสารเฉพาะเมื่อคุณทราบความจุความร้อนจำเพาะค_พีของวัสดุนั้นๆค_พีของน้ำ 4.18 J/g°C คุณใช้สมการความร้อนโฮเช่น

ซึ่งใน∆Tคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และ m คือมวลของสารในหน่วยกรัม

หากคุณทดลองวัดอุณหภูมิเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของสารเคมี คุณสามารถกำหนดความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาได้ หากคุณต้องการให้ขวดเชื้อเพลิงร้อนเป็นภาชนะและบันทึกการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในพื้นที่ภายนอกภาชนะโดยตรง คุณสามารถวัดความร้อนที่จ่ายออกไปได้โดยใช้สมการนี้

เมื่อวัดอุณหภูมิ หัววัดอุณหภูมิสามารถวัดอุณหภูมิได้อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ซึ่งจะให้ช่วงอุณหภูมิกว้างๆ ซึ่งคุณสามารถใช้สมการความร้อนได้ คุณควรมองหาตำแหน่งในกราฟที่แสดง a. ด้วยความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างอุณหภูมิในช่วงเวลาหนึ่ง เนื่องจากจะแสดงให้เห็นว่ามีการให้อุณหภูมิที่อัตราคงที่ นี่น่าจะบ่งชี้ถึงความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างอุณหภูมิและความร้อนที่สมการความร้อนใช้

จากนั้น หากคุณวัดมวลของเชื้อเพลิงที่เปลี่ยนแปลงไป คุณจะทราบได้ว่ามวลของเชื้อเพลิงนั้นเก็บสะสมพลังงานไว้อย่างไร อีกวิธีหนึ่ง คุณสามารถวัดความแตกต่างของปริมาตรสำหรับหน่วยความหนาแน่นพลังงานที่เหมาะสมได้

วิธีนี้เรียกว่าแคลอรีมิเตอร์ระเบิดวิธีนี้จะให้วิธีการทดลองใช้สูตรความหนาแน่นของพลังงานในการคำนวณความหนาแน่นนี้ วิธีการกลั่นเพิ่มเติมสามารถพิจารณาความร้อนที่สูญเสียไปที่ผนังของภาชนะเองหรือการนำความร้อนผ่านวัสดุของภาชนะ

คุณยังสามารถแสดงปริมาณพลังงานเป็นรูปแบบของค่าความร้อนที่สูงขึ้น (HHV). นี่คือปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาที่อุณหภูมิห้อง (25 °C) โดยมวลหรือปริมาตรของเชื้อเพลิงหลังจากการเผาไหม้ และผลิตภัณฑ์ได้กลับสู่อุณหภูมิห้อง วิธีการนี้อธิบายความร้อนแฝง ความร้อนเอนทาลปีที่เกิดขึ้นเมื่อการแข็งตัวและการเปลี่ยนสถานะสถานะของแข็งเกิดขึ้นระหว่างการหล่อเย็นของวัสดุ

ด้วยวิธีนี้ ปริมาณพลังงานจะได้รับจากค่าความร้อนที่สูงขึ้นที่สภาวะปริมาตรฐาน (HHV_ข). ที่สภาวะมาตรฐานหรือสภาวะพื้นฐาน อัตราการไหลของพลังงานq_HBเท่ากับผลคูณของอัตราการไหลเชิงปริมาตรq_vbและค่าความร้อนที่สูงขึ้นที่สภาวะปริมาตรฐานในสมการ

ด้วยวิธีการทดลอง นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้ศึกษาHHV_ขสำหรับเชื้อเพลิงต่างๆ เพื่อกำหนดว่าสามารถกำหนดเป็นฟังก์ชันของตัวแปรอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างไร เงื่อนไขมาตรฐานถูกกำหนดเป็น 10 °C (273.15 K หรือ 32 oF) และ 105 ปาสกาล (1 บาร์)

ผลลัพธ์เชิงประจักษ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าHHV_ขขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิที่สภาวะพื้นฐานตลอดจนองค์ประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิงหรือก๊าซ ในทางตรงกันข้ามค่าความร้อนที่ต่ำกว่าLHVเป็นการวัดเดียวกัน แต่ ณ จุดที่น้ำในผลิตภัณฑ์เผาไหม้สุดท้ายยังคงเป็นไอหรือไอน้ำ

งานวิจัยอื่นๆ พบว่าคุณสามารถคำนวณได้HHVจากองค์ประกอบของเชื้อเพลิงนั่นเอง สิ่งนี้ควรให้คุณ

กับแต่ละXเป็นมวลเศษส่วนของคาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) กำมะถัน (S) ไนโตรเจน (N) ออกซิเจน (O) และปริมาณเถ้าที่เหลือ ไนโตรเจนและออกซิเจนมีผลเสียต่อHHVเนื่องจากไม่มีส่วนทำให้เกิดการปลดปล่อยความร้อนเหมือนกับองค์ประกอบและโมเลกุลอื่นๆ

เชื้อเพลิงไบโอดีเซลเสนอวิธีการผลิตเชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงอื่นๆ ที่เป็นอันตรายมากกว่า ผลิตจากน้ำมันธรรมชาติ สารสกัดจากถั่วเหลือง และสาหร่าย แหล่งเชื้อเพลิงหมุนเวียนนี้ส่งผลให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมน้อยลง และมักผสมกับเชื้อเพลิงปิโตรเลียม (น้ำมันเบนซินและดีเซล) สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเป็นผู้สมัครในอุดมคติในการศึกษาว่าเชื้อเพลิงใช้พลังงานเท่าใดโดยใช้ปริมาณ เช่น ความหนาแน่นของพลังงานและปริมาณพลังงาน

น่าเสียดายจากมุมมองด้านปริมาณพลังงาน เชื้อเพลิงไบโอดีเซลมีออกซิเจนในปริมาณมาก ดังนั้นจึงสร้างค่าพลังงานที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับมวลของเชื้อเพลิง (ในหน่วยของ MJ/กก.) เชื้อเพลิงไบโอดีเซลมีปริมาณพลังงานมวลต่ำกว่าประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ ตัวอย่างเช่น B100 มีปริมาณพลังงาน 119,550 บีทียู/แกลลอน

อีกวิธีหนึ่งในการวัดพลังงานที่เชื้อเพลิงใช้คือความสมดุลของพลังงาน ซึ่งสำหรับไบโอดีเซลคือ 4.56 ซึ่งหมายความว่าเชื้อเพลิงไบโอดีเซลผลิตพลังงานได้ 4.56 หน่วยสำหรับพลังงานฟอสซิลทุกหน่วยที่ใช้ เชื้อเพลิงชนิดอื่นมีพลังงานมากกว่า เช่น B20 ซึ่งเป็นน้ำมันดีเซลผสมกับเชื้อเพลิงชีวมวล เชื้อเพลิงนี้มีประมาณ 99 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานของน้ำมันดีเซลหนึ่งแกลลอนหรือ 109% ของพลังงานของน้ำมันเบนซินหนึ่งแกลลอน

มีวิธีการทางเลือกอื่นในการกำหนดประสิทธิภาพของความร้อนที่ปล่อยออกมาจากชีวมวลโดยทั่วไป นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ศึกษาชีวมวลใช้วิธีการวัดปริมาณความร้อนด้วยระเบิดเพื่อวัดความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ที่ถ่ายโอนไปยังอากาศหรือน้ำรอบๆ ภาชนะ จากนี้คุณสามารถกำหนดHHVสำหรับชีวมวล