Как рассчитать плотность энергии

Содержание

• Формула плотности энергии
• Единицы плотности энергии
• Расчет содержания энергии
• Калориметр бомбы
• Более высокая теплотворная способность
• Энергетическая плотность биодизеля

Что делает бензин и другие виды топлива такими мощными? Потенциал химических смесей, таких как топливо, которые приводят в движение автомобили, происходит от реакций, которые эти материалы способны вызывать.

Вы можете измерить эту плотность энергии, используя простые формулы и уравнения, которые управляют этими химическими и физическими свойствами, когда топливо используется. Уравнение плотности энергии дает способ измерения этой мощной энергии по отношению к самому топливу.

Формула плотности энергии

Формула для плотность энергии является Е_d = E / V для плотности энергии Е_dэнергия Е и объем В, Вы также можете измерить удельная энергия Е_s как ЭМ для массы вместо объема. Удельная энергия более тесно связана с доступной энергией, которую топливо использует при питании автомобилей, чем плотность энергии. Справочные таблицы показывают, что бензин, керосин и дизельное топливо имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем уголь, метанол и древесина.

Несмотря на это, химики, физики и инженеры используют как плотность энергии, так и удельную энергию при проектировании автомобилей и испытаниях материалов на физические свойства. Вы можете определить, сколько энергии будет выделять топливо, основываясь на сгорании этой плотно упакованной энергии. Это измеряется через содержание энергии.

Количество энергии на единицу массы или объема, которое выделяет топливо при сгорании, является содержанием энергии в топливе. В то время как более плотно упакованные топлива имеют более высокие значения энергосодержания с точки зрения объема, топлива с более низкой плотностью обычно производят больше энергии на единицу массы.

Единицы плотности энергии

Содержание энергии должно быть измерено для данного объема газа, определенной температуры и давления. В Соединенных Штатах инженеры и ученые сообщают содержание энергии в международных британских тепловых единицах (BtuIT), в то время как в Канаде и Мексике содержание энергии указывается в джоулях (Дж).

Вы также можете использовать калорий сообщить содержание энергии. Более стандартные методы расчета содержания энергии в науке и технике используют количество тепла, выделяемое при сжигании одного грамма этого материала в джоулях на грамм (Дж / г).

Расчет содержания энергии

Используя эту единицу джоулей на грамм, вы можете рассчитать, сколько тепла выделяется, увеличивая температуру конкретного вещества, когда вы знаете удельную теплоемкость. С_п из этого материала. С_п воды 4,18 Дж / г ° С. Вы используете уравнение для тепла ЧАС как H = ∆T x m x C_п в котором Delta; t изменение температуры, а m - масса вещества в граммах.

Если вы экспериментально измеряете начальную и конечную температуры химического материала, вы можете определить тепло, выделяемое реакцией. Если вы должны были нагреть колбу с топливом в качестве контейнера и записать изменение температуры в пространстве непосредственно за пределами контейнера, вы можете измерить тепло, выделяемое с помощью этого уравнения.

Калориметр бомбы

При измерении температуры температурный датчик может непрерывно измерять температуру с течением времени. Это даст вам широкий диапазон температур, для которых вы можете использовать уравнение тепла. Вы также должны искать места на графике, которые показывают линейные отношения между температурой во времени, так как это будет показывать, что температура выделяется с постоянной скоростью. Это, вероятно, указывает на линейную зависимость между температурой и теплом, используемую уравнением теплопроводности.

Затем, если вы измеряете, насколько изменилась масса топлива, вы можете определить, сколько энергии было сохранено в этом количестве массы для топлива. В качестве альтернативы, вы можете измерить, какая разница в объеме для соответствующих единиц плотности энергии.

Этот метод, известный как бомбовый калориметр метод, дает вам экспериментальный метод использования формулы плотности энергии для расчета этой плотности. Более усовершенствованные методы могут учитывать потерю тепла на стенках самого контейнера или теплопроводность материала контейнера.

Более высокая теплотворная способность

Вы также можете выразить содержание энергии как изменение более высокой теплотворной способности (HHV). Это количество тепла, выделяемого при комнатной температуре (25 ° C) массой или объемом топлива после его сгорания, и продукты возвращаются к комнатной температуре. Этот метод учитывает скрытое тепло, тепло энтальпии, которое возникает, когда происходит затвердевание и твердофазные фазовые превращения при охлаждении материала.

Посредством этого метода содержание энергии определяется более высокой теплотворной способностью в условиях основного объема (HHV_б). При стандартных или базовых условиях скорость потока энергии Q_Hb равен произведению объемного расхода Q_В.Б и более высокая теплотворная способность в условиях базового объема в уравнении Q_Hb = q_В.Б х ВГЧ_б.

С помощью экспериментальных методов ученые и инженеры изучили HHV_б для различных видов топлива определить, как его можно определить как функцию от других переменных, имеющих отношение к эффективности использования топлива. Стандартные условия определены как 10 ° C (273,15 K или 32 oF) и 105 паскалей (1 бар).

Эти эмпирические результаты показали, что HHV_б зависит от давления и температуры в базовых условиях, а также от состава топлива или газа. Напротив, чем ниже теплотворная способность LHV это то же самое измерение, но в точке, в которой вода в конечных продуктах сгорания остается в виде пара или пара.

Другое исследование показало, что вы можете рассчитать HHV от состава самого топлива. Это должно дать вам HHV = .35X_С + 1.18X_ЧАС + 0,10X_S + - 0,02X_N - 0,10X_О - 0,02X_ясень с каждым Икс в качестве дробной массы для углерода (C), водорода (H), серы (S), азота (N), кислорода (O) и остаточного содержания золы. Азот и кислород оказывают неблагоприятное воздействие на HHV поскольку они не способствуют выделению тепла, как это делают другие элементы и молекулы.

Энергетическая плотность биодизеля

Биодизельное топливо предлагает экологически чистый способ производства топлива в качестве альтернативы другим, более вредным видам топлива. Они созданы из натуральных масел, экстрактов сои и водорослей. Этот возобновляемый источник топлива приводит к меньшему загрязнению окружающей среды, и его обычно смешивают с нефтяным топливом (бензином и дизельным топливом). Это делает их идеальными кандидатами для изучения того, сколько энергии расходует топливо с использованием таких величин, как плотность энергии и содержание энергии.

К сожалению, с точки зрения энергосодержания, биодизельное топливо содержит большое количество кислорода, поэтому оно производит более низкие значения энергии по отношению к своей массе (в единицах МДж / кг). Биодизельное топливо имеет на 10% более низкое содержание энергии по массе. Например, B100 имеет содержание энергии 119 550 Btu / галлон.

Другим способом измерения количества энергии, потребляемой топливом, является энергетический баланс, который для биодизеля составляет 4,56. Это означает, что биодизельное топливо производит 4,56 единиц энергии на каждую единицу ископаемой энергии, которую они используют. Другие виды топлива содержат больше энергии, например, B20, смесь дизельного топлива с топливом из биомассы. Это топливо имеет около 99 процентов энергии одного галлона дизельного топлива или 109 процентов энергии одного галлона бензина.

Существуют альтернативные методы определения эффективности тепла, выделяемого биомассой в целом. Ученые и инженеры, изучающие биомассу, используют метод калориметрии бомбы для измерения тепла, выделяемого при сгорании, которое передается воздуху или воде, окружающей контейнер. Исходя из этого, вы можете определить HHV для биомассы.