Πώς να υπολογίσετε την ενεργειακή πυκνότητα

Περιεχόμενο

• Τύπος ενεργειακής πυκνότητας
• Μονάδες πυκνότητας ενέργειας
• Υπολογισμός του ενεργειακού περιεχομένου
• Βαθμονομητής βομβών
• Υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο θερμικής αξίας
• Πυκνότητα ενέργειας του βιοντίζελ

Τι κάνει τόσο ισχυρή βενζίνη και άλλα καύσιμα; Το δυναμικό των χημικών μειγμάτων όπως τα καύσιμα που προέρχονται από τις αντιδράσεις που τα υλικά αυτά μπορούν να προκαλέσουν.

Μπορείτε να μετρήσετε αυτήν την ενεργειακή πυκνότητα χρησιμοποιώντας απλές φόρμουλες και εξισώσεις που διέπουν αυτές τις χημικές και φυσικές ιδιότητες όταν χρησιμοποιούνται τα καύσιμα. Η εξίσωση της ενεργειακής πυκνότητας δίνει έναν τρόπο μέτρησης αυτής της ισχυρής ενέργειας σε σχέση με το ίδιο το καύσιμο.

Τύπος ενεργειακής πυκνότητας

Ο τύπος για πυκνότητα ενέργειας είναι μι_ρε = E / V για πυκνότητα ενέργειας μι_ρε, ενέργεια μι και την ένταση V. Μπορείτε επίσης να μετρήσετε το συγκεκριμένη ενέργεια μι_μικρό όπως και E / M για μάζα αντί για όγκο. Η συγκεκριμένη ενέργεια συνδέεται στενότερα με την διαθέσιμη ενέργεια που χρησιμοποιούν τα καύσιμα όταν τροφοδοτούν αυτοκίνητα από την πυκνότητα ενέργειας. Οι πίνακες αναφοράς δείχνουν ότι τα καύσιμα βενζίνης, κηροζίνης και ντίζελ έχουν πολύ υψηλότερες πυκνότητες ενέργειας από ότι ο άνθρακας, η μεθανόλη και το ξύλο.

Ανεξάρτητα από αυτό, οι χημικοί, οι φυσικοί και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν τόσο την ενεργειακή πυκνότητα όσο και την ειδική ενέργεια όταν σχεδιάζουν αυτοκίνητα και υλικά δοκιμών για φυσικές ιδιότητες. Μπορείτε να καθορίσετε πόση ενέργεια θα παράγει ένα καύσιμο με βάση την καύση αυτής της πυκνά συσσωρευμένης ενέργειας. Αυτό μετράται μέσω ενεργειακού περιεχομένου.

Η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα μάζας ή όγκου που εκπέμπει καύσιμο όταν καίγεται είναι η ενεργειακή περιεκτικότητα του καυσίμου. Ενώ τα πυκνά συσκευασμένα καύσιμα έχουν υψηλότερες τιμές ενεργειακού περιεχομένου όσον αφορά τον όγκο, τα καύσιμα χαμηλότερης πυκνότητας γενικά παράγουν περισσότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα μάζας.

Μονάδες πυκνότητας ενέργειας

Το ενεργειακό περιεχόμενο πρέπει να μετράται για δεδομένο όγκο αερίου, με συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες αναφέρουν το ενεργειακό περιεχόμενο στις διεθνείς βρετανικές θερμικές μονάδες (BtuIT), ενώ στον Καναδά και το Μεξικό το ενεργειακό περιεχόμενο αναφέρεται σε joules (J).

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε θερμίδες για την αναφορά ενεργειακού περιεχομένου. Περισσότερες συνήθεις μέθοδοι υπολογισμού του ενεργειακού περιεχομένου στην επιστήμη και στη μηχανική χρησιμοποιούν την ποσότητα θερμότητας που παράγεται όταν καίτε ένα γραμμάριο αυτού του υλικού σε joules ανά γραμμάριο (J / g).

Υπολογισμός του ενεργειακού περιεχομένου

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μονάδα ζελε ανά γραμμάριο, μπορείτε να υπολογίσετε πόση θερμότητα αποδίδεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία μιας συγκεκριμένης ουσίας όταν γνωρίζετε τη συγκεκριμένη θερμική ικανότητα ντο_Π του υλικού αυτού. ο ντο_Π νερού είναι 4,18 J / g ° C. Χρησιμοποιείτε την εξίσωση για τη θερμότητα H όπως και H = ΔT x m x C_Π στο οποίο ΔT είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας και m είναι η μάζα της ουσίας σε γραμμάρια.

Εάν μετρήσετε πειραματικά την αρχική και την τελική θερμοκρασία ενός χημικού υλικού, μπορείτε να προσδιορίσετε τη θερμότητα που εκπέμπεται από την αντίδραση. Εάν θερίζονταν μια φιάλη καυσίμου ως δοχείο και καταγράφετε τη μεταβολή της θερμοκρασίας στον χώρο ακριβώς έξω από το δοχείο, μπορείτε να μετρήσετε τη θερμότητα που εκπέμπεται χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση.

Βαθμονομητής βομβών

Κατά τη μέτρηση των θερμοκρασιών, ένας αισθητήρας θερμοκρασίας μπορεί να μετρά συνεχώς τη θερμοκρασία με την πάροδο του χρόνου. Αυτό θα σας δώσει ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών για τις οποίες μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση θερμότητας. Θα πρέπει επίσης να αναζητήσετε μέρη στο γράφημα που εμφανίζουν α γραμμική σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και του χρόνου, καθώς αυτό δείχνει ότι η θερμοκρασία εκπέμπεται με σταθερό ρυθμό. Αυτό πιθανόν να υποδεικνύει τη γραμμική σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και θερμότητας που χρησιμοποιεί η εξίσωση θερμότητας.

Στη συνέχεια, εάν μετρήσετε πόση ποσότητα καυσίμου έχει αλλάξει, μπορείτε να καθορίσετε πώς αποθηκεύτηκε ενέργεια σε αυτή την ποσότητα μάζας για το καύσιμο. Εναλλακτικά, θα μπορούσατε να μετρήσετε πόση διαφορά όγκου είναι αυτή για τις κατάλληλες μονάδες ενεργειακής πυκνότητας.

Αυτή η μέθοδος, γνωστή ως βόμβα θερμιδόμετρο , σας δίνει μια πειραματική μέθοδο χρήσης της φόρμουλας ενεργειακής πυκνότητας για να υπολογίσετε αυτήν την πυκνότητα. Οι πιο εξευγενισμένες μέθοδοι μπορούν να λάβουν υπόψη την απώλεια θερμότητας στα τοιχώματα του ίδιου του δοχείου ή τη διοχέτευση της θερμότητας μέσω του υλικού των δοχείων.

Υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο θερμικής αξίας

Μπορείτε επίσης να εκφράσετε το ενεργειακό περιεχόμενο ως μια παραλλαγή της υψηλότερης θερμικής αξίας (HHV). Αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται σε θερμοκρασία δωματίου (25 ° C) από μάζα ή όγκο καυσίμου μετά την καύση και τα προϊόντα έχουν επιστρέψει σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η μέθοδος αντιπροσωπεύει την λανθάνουσα θερμότητα, τη θερμότητα ενθαλπίας που προκύπτει όταν στερεοποίηση και μετασχηματισμοί φάσης στερεάς κατάστασης εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της ψύξης ενός υλικού.

Μέσω αυτής της μεθόδου, το ενεργειακό περιεχόμενο δίνεται από την υψηλότερη τιμή θέρμανσης σε συνθήκες όγκου βάσης (HHV_σι). Σε τυπικές συνθήκες ή συνθήκες βάσης, ο ρυθμός ροής ενέργειας q_Hb είναι ίση με το προϊόν της ογκομετρικής παροχής q_vb και την υψηλότερη τιμή θέρμανσης σε συνθήκες όγκου βάσης στην εξίσωση q_Hb = q_vb x HHV_σι.

Μέσω πειραματικών μεθόδων, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί έχουν μελετήσει το HHV_σι για διάφορα καύσιμα για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο μπορεί να προσδιοριστεί ως συνάρτηση άλλων μεταβλητών που σχετίζονται με την απόδοση καυσίμου. Οι τυπικές συνθήκες ορίζονται ως 10 ° C (273,15 K ή 32 oF) και 105 pascals (1 bar).

Αυτά τα εμπειρικά αποτελέσματα έχουν δείξει αυτό HHV_σι εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία στις συνθήκες βάσης καθώς και τη σύνθεση του καυσίμου ή του αερίου. Αντίθετα, η χαμηλότερη τιμή θέρμανσης LHV είναι η ίδια μέτρηση, αλλά στο σημείο στο οποίο το νερό στα τελικά προϊόντα καύσης παραμένει ως ατμός ή ατμός.

Άλλες έρευνες έχουν δείξει ότι μπορείτε να υπολογίσετε HHV από τη σύνθεση του ίδιου του καυσίμου. Αυτό θα σας δώσει HHV = .35X_ντο + 1.18Χ_H + 0,10Χ_μικρό + - 0,02Χ_Ν - 0,10Χ_Ο - 0,02Χ_{φλαμουριά} με κάθε Χ ως κλάσμα μάζας άνθρακα (C), υδρογόνου (H), θείου (S), αζώτου (Ν), οξυγόνου (O) και της υπόλοιπης περιεκτικότητας σε τέφρα. Το άζωτο και το οξυγόνο έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην HHV καθώς δεν συμβάλλουν στην απελευθέρωση της θερμότητας όπως κάνουν άλλα στοιχεία και μόρια.

Πυκνότητα ενέργειας του βιοντίζελ

Τα καύσιμα βιοντίζελ προσφέρουν μια φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής καυσίμων ως εναλλακτική λύση σε άλλα, πιο επιβλαβή καύσιμα. Δημιουργούνται από φυσικά έλαια, εκχυλίσματα σόγιας και άλγη. Αυτή η πηγή ανανεώσιμων καυσίμων οδηγεί σε λιγότερη ρύπανση στο περιβάλλον και συνήθως αναμιγνύεται με καύσιμα πετρελαίου (βενζίνη και καύσιμα ντίζελ). Αυτό τους καθιστά ιδανικούς υποψήφιους για να μελετήσουν πόση ενέργεια χρησιμοποιεί ένα καύσιμο χρησιμοποιώντας ποσότητες όπως η ενεργειακή πυκνότητα και το ενεργειακό περιεχόμενο.

Δυστυχώς, από άποψη ενεργειακού περιεχομένου, τα καύσιμα βιοντίζελ έχουν μεγάλη ποσότητα οξυγόνου, έτσι ώστε να παράγουν χαμηλότερες τιμές ενέργειας σε σχέση με τη μάζα τους (σε μονάδες MJ / kg). Τα καύσιμα βιοντίζελ έχουν περίπου 10% χαμηλότερη ενεργειακή περιεκτικότητα σε μάζα. Το Β100, για παράδειγμα, έχει ενεργειακό περιεχόμενο 119.550 Btu / gal.

Ένας άλλος τρόπος μέτρησης της ποσότητας ενέργειας που καταναλώνει καύσιμο είναι το ενεργειακό ισοζύγιο, το οποίο για το βιοντίζελ είναι 4,56. Αυτό σημαίνει ότι τα καύσιμα βιοντίζελ παράγουν 4,56 μονάδες ενέργειας για κάθε μονάδα ορυκτής ενέργειας που χρησιμοποιούν. Άλλα καύσιμα συσκευάζουν περισσότερη ενέργεια, όπως το Β20, ένα μείγμα ντίζελ με καύσιμο βιομάζας. Αυτό το καύσιμο έχει περίπου το 99 τοις εκατό της ενέργειας ενός γαλόνι ντίζελ ή 109 τοις εκατό της ενέργειας ενός γαλόνι βενζίνης.

Υπάρχουν εναλλακτικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της απόδοσης της θερμότητας που εκπέμπεται από τη βιομάζα εν γένει. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί που μελετούν τη βιομάζα χρησιμοποιούν τη μέθοδο θερμιδόμετρου βόμβας για τη μέτρηση της θερμότητας που απελευθερώνεται από την καύση, η οποία μεταφέρεται είτε στον αέρα είτε στο νερό που περιβάλλει το δοχείο. Από αυτό, μπορείτε να καθορίσετε το HHV για τη βιομάζα.