Як розрахувати щільність енергії

Що робить бензин та інші види палива такими потужними? Потенціал хімічних сумішей, таких як паливо, які енергетичні автомобілі походять від реакцій, які ці матеріали можуть викликати.

Ви можете виміряти цю щільність енергії, використовуючи прості формули та рівняння, що регулюють ці хімічні та фізичні властивості, коли паливо використовується. Рівняння щільності енергії дає спосіб вимірювати цю потужну енергію відносно самого палива.

Формула длящільність енергіїє

для щільності енергіїЕ_d, енергіяЕта обсягуV. Ви також можете вимірятипитома енергія​ ​Е_sякE / Mдля маси замість обсягу. Питома енергія більш тісно корелює з наявною енергією, яку паливо використовує для живлення автомобілів, ніж щільність енергії. Довідкові таблиці показують, що бензин, гас та дизельне паливо мають набагато вищу щільність енергії, ніж вугілля, метанол та деревина.

Незважаючи на це, хіміки, фізики та інженери використовують як щільність енергії, так і питому енергію при проектуванні автомобілів та випробуванні матеріалів на фізичні властивості. Ви можете визначити, скільки енергії буде віддавати паливо, виходячи із згоряння цієї щільно упакованої енергії. Це вимірюється через вміст енергії.

Кількість енергії на одиницю маси або об’єму, яку видає паливо при згорянні, - це вміст енергії в паливі. У той час як більш щільно упаковані палива мають більш високі значення енергетичного вмісту в перерахунку на обсяг, паливо з меншою щільністю, як правило, виробляє більше енергетичного вмісту на одиницю маси.

Вміст енергії потрібно вимірювати для даного об'єму газу t, певної температури та тиску. У США інженери та вчені повідомляють про вміст енергії в міжнародних британських теплових одиницях (BtuIT), тоді як у Канаді та Мексиці вміст енергії повідомляється в джоулях (J).

Ви також можете використовуватикалорійповідомляти про вміст енергії. Більш стандартні методи розрахунку енергетичного вмісту в науці та техніці використовують кількість тепла, яке виробляється при спалюванні одного грама цього матеріалу в джоулях на грам (Дж / г).

Використовуючи цю одиницю джоулів на грам, ви можете підрахувати, скільки теплоти віддається, збільшуючи температуру певної речовини, коли ви знаєте питому теплоємністьC._сторцього матеріалу.C._сторводи становить 4,18 Дж / г ° С. Ви використовуєте рівняння для теплаHяк

в якій∆T- це зміна температури, а m - маса речовини в грамах.

Якщо експериментально виміряти початкову та кінцеву температури хімічного матеріалу, можна визначити тепло, яке виділяється в результаті реакції. Якщо вам потрібно було нагріти колбу з паливом як ємність і записати зміну температури в просторі безпосередньо за межами ємності, ви можете виміряти виділене тепло, використовуючи це рівняння.

При вимірюванні температур температурний зонд може постійно вимірювати температуру з часом. Це дасть вам широкий діапазон температур, для яких ви можете використовувати рівняння теплоти. Вам також слід шукати місця на графіку, на яких показано алінійна залежністьміж температурою з часом, оскільки це може показати, що температура віддається з постійною швидкістю. Це, ймовірно, вказує на лінійну залежність між температурою та теплом, яку використовує рівняння тепла.

Потім, якщо виміряти, наскільки змінилася маса палива, можна визначити, як зберігалася енергія в цій кількості маси палива. Крім того, ви можете виміряти, скільки різниці обсягів це для відповідних одиниць густини енергії.

Цей метод, відомий якбомбовий калориметрметод, дає вам експериментальний метод використання формули щільності енергії для обчислення цієї щільності. Більш вдосконалені методи можуть враховувати тепло, що втрачається до стінок самої ємності, або проведення тепла через матеріал контейнера.

Ви також можете виразити вміст енергії як варіацію вищої теплової потужності (HHV). Це кількість тепла, яке виділяється при кімнатній температурі (25 ° С) масою або об’ємом палива після його згоряння, і продукти повертаються до кімнатної температури. Цей метод враховує приховане тепло, ентальпійне тепло, яке виникає, коли під час охолодження матеріалу відбуваються твердіння та твердотільні фазові перетворення.

За допомогою цього методу вміст енергії визначається вищим значенням нагрівання в умовах базового об'єму (HHV_b). У стандартних або базових умовах швидкість потоку енергіїq_Hbдорівнює добутку об'ємної витратиq_vbі вища теплова цінність в умовах базового об'єму в рівнянні

За допомогою експериментальних методів вчені та інженери вивчалиHHV_bдля різних видів палива, щоб визначити, як його можна визначити як функцію інших змінних, що стосуються паливної ефективності. Стандартні умови визначаються як 10 ° C (273,15 K або 32 oF) і 105 паскалів (1 бар).

Ці емпіричні результати показали, щоHHV_bзалежить від тиску та температури в базових умовах, а також від складу палива або газу. На відміну від цього, нижча теплова потужністьLHV- це те саме вимірювання, але в точці, при якій вода в продуктах остаточного згоряння залишається у вигляді пари або пари.

Інші дослідження показали, що ви можете підрахуватиHHVвід складу самого палива. Це повинно дати вам

з кожнимXяк дробова маса вуглецю (C), водню (H), сірки (S), азоту (N), кисню (O) та залишку золи. Азот і кисень негативно впливають наHHVоскільки вони не сприяють виділенню тепла, як інші елементи та молекули.

Біодизельне паливо пропонує екологічно чистий метод виробництва палива як альтернативу іншим, більш шкідливим паливам. Вони створені з натуральних масел, екстрактів сої та водоростей. Це поновлюване джерело палива призводить до меншого забруднення навколишнього середовища, і вони, як правило, змішуються з нафтовим паливом (бензином та дизельним паливом). Це робить їх ідеальними кандидатами для вивчення того, скільки енергії використовує паливо, використовуючи такі величини, як щільність енергії та вміст енергії.

На жаль, з точки зору енергетичного змісту, біодизельне паливо має велику кількість кисню, тому воно виробляє нижчі енергетичні значення щодо їх маси (в одиницях МДж / кг). Біодизельне паливо має приблизно на 10 відсотків нижчий масовий вміст енергії. Наприклад, B100 має енергетичний вміст 119 550 Бту / гал.

Іншим способом вимірювання того, скільки енергії використовує паливо, є енергетичний баланс, який для біодизеля становить 4,56. Це означає, що біодизельне паливо виробляє 4,56 одиниці енергії на кожну одиницю викопної енергії, яку вони використовують. Інші види палива отримують більше енергії, наприклад B20, суміш дизельного палива та палива з біомаси. Це паливо має близько 99 відсотків енергії одного галона дизеля або 109 відсотків енергії одного галону бензину.

Існують альтернативні методи визначення ефективності теплоти, що виділяється біомасою в цілому. Вчені та інженери, які вивчають біомасу, використовують метод бомбового калориметра для вимірювання тепла, яке виділяється при згорянні, яке передається або повітрю, або воді, що оточує контейнер. З цього ви можете визначитиHHVдля біомаси.