Jak obliczyć gęstość energii

Zawartość

• Wzór na gęstość energii
• Jednostki gęstości energii
• Obliczanie zawartości energii
• Kalorymetr bomby
• Wyższa wartość opałowa Zawartość energii
• Gęstość energetyczna biodiesla

Co sprawia, że ​​benzyna i inne paliwa są tak mocne? Potencjał mieszanin chemicznych, takich jak paliwa, które napędzają samochody, wynika z reakcji, które mogą powodować te materiały.

Gęstość energii można zmierzyć za pomocą prostych wzorów i równań, które rządzą tymi właściwościami chemicznymi i fizycznymi podczas używania paliw. Równanie gęstości energii umożliwia pomiar tej potężnej energii w odniesieniu do samego paliwa.

Wzór na gęstość energii

Wzór na gęstość energii jest mi_re = E / V dla gęstości energii mi_reenergia mi i objętość V.. Możesz także zmierzyć specyficzna energia mi_s tak jak E / M dla masy zamiast objętości. Energia właściwa jest ściślej skorelowana z dostępną energią zużywaną przez paliwa przy zasilaniu samochodów niż gęstość energii. Tabele referencyjne pokazują, że benzyna, nafta i oleje napędowe mają znacznie wyższą gęstość energii niż węgiel, metanol i drewno.

Niezależnie od tego chemicy, fizycy i inżynierowie wykorzystują gęstość energii i energię właściwą do projektowania samochodów i testowania materiałów pod kątem właściwości fizycznych. Możesz określić, ile energii wydziela paliwo na podstawie spalania tej gęsto upakowanej energii. Mierzy się to poprzez zawartość energii.

Ilość energii na jednostkę masy lub objętości, którą paliwo wydziela podczas spalania, stanowi zawartość energetyczną paliwa. Podczas gdy bardziej gęsto upakowane paliwa mają wyższe wartości zawartości energii pod względem objętości, paliwa o niższej gęstości generalnie generują więcej zawartości energii na jednostkę masy.

Jednostki gęstości energii

Zawartość energii należy zmierzyć dla danej objętości gazu o określonej temperaturze i ciśnieniu. W Stanach Zjednoczonych inżynierowie i naukowcy zgłaszają zawartość energii w międzynarodowych brytyjskich jednostkach termicznych (BtuIT), natomiast w Kanadzie i Meksyku zawartość energii podaje się w dżulach (J).

Możesz także użyć kalorie zgłaszać zawartość energii. Bardziej standardowe metody obliczania zawartości energii w nauce i inżynierii wykorzystują ilość ciepła wytworzonego podczas spalania jednego grama tego materiału w dżulach na gram (J / g).

Obliczanie zawartości energii

Korzystając z tej jednostki dżuli na gram, możesz obliczyć, ile ciepła oddaje, zwiększając temperaturę konkretnej substancji, gdy znasz konkretną pojemność cieplną do_p tego materiału. The do_p wody wynosi 4,18 J / g ° C. Używasz równania dla ciepła H. tak jak H = ∆T x m x C_p w którym ∆T jest zmianą temperatury, a m jest masą substancji w gramach.

Jeśli eksperymentalnie zmierzysz początkową i końcową temperaturę materiału chemicznego, możesz określić ciepło wydzielane przez reakcję. Jeśli miałbyś podgrzać kolbę paliwa jako pojemnik i zarejestrować zmianę temperatury w przestrzeni bezpośrednio na zewnątrz pojemnika, możesz zmierzyć wydzielane ciepło za pomocą tego równania.

Kalorymetr bomby

Podczas pomiaru temperatur sonda temperatury może stale mierzyć temperaturę w czasie. To da ci szeroki zakres temperatur, dla których możesz użyć równania ciepła. Powinieneś także poszukać miejsc na wykresie, które pokazują zależność liniowa między temperaturą w czasie, ponieważ oznaczałoby to, że temperatura jest wydzielana ze stałą szybkością. Wskazuje to prawdopodobnie na liniową zależność między temperaturą a ciepłem wykorzystywaną przez równanie ciepła.

Następnie, jeśli zmierzysz, jak bardzo zmieniła się masa paliwa, możesz określić, w jaki sposób energia była magazynowana w tej ilości masy dla paliwa. Alternatywnie możesz zmierzyć, ile to jest różnicy objętości dla odpowiednich jednostek gęstości energii.

Ta metoda, znana jako kalorymetr bomby metoda, daje eksperymentalną metodę użycia formuły gęstości energii do obliczenia tej gęstości. Bardziej wyrafinowane metody mogą uwzględniać ciepło tracone na ściankach samego pojemnika lub przewodzenie ciepła przez materiał pojemnika.

Wyższa wartość opałowa Zawartość energii

Można również wyrazić zawartość energii jako odmianę wyższej wartości opałowej (HHV). Jest to ilość ciepła uwalnianego w temperaturze pokojowej (25 ° C) przez masę lub objętość paliwa po jego spaleniu, a produkty powróciły do ​​temperatury pokojowej. Ta metoda uwzględnia ciepło utajone, ciepło entalpii, które pojawia się, gdy podczas chłodzenia materiału zachodzą zestalenia i przemiany fazowe w ciele stałym.

Dzięki tej metodzie zawartość energii jest podawana przez wyższą wartość opałową w warunkach objętości bazowej (HHV_b). W warunkach standardowych lub podstawowych natężenie przepływu energii q_Hb jest równe iloczynowi objętościowego natężenia przepływu q_czasownik oraz wyższą wartość opałową w warunkach objętości podstawowej w równaniu q_Hb = q_czasownik x HHV_b.

Za pomocą metod eksperymentalnych naukowcy i inżynierowie badali HHV_b dla różnych paliw w celu ustalenia, w jaki sposób można je określić jako funkcję innych zmiennych dotyczących efektywności paliwowej. Standardowe warunki są zdefiniowane jako 10 ° C (273,15 K lub 32 oF) i 105 paskali (1 bar).

Te wyniki empiryczne to wykazały HHV_b zależy od ciśnienia i temperatury w warunkach podstawowych, a także od składu paliwa lub gazu. Natomiast niższa wartość ogrzewania LHV to ten sam pomiar, ale w punkcie, w którym woda w końcowych produktach spalania pozostaje w postaci pary lub pary.

Inne badania wykazały, że można obliczyć HHV ze składu samego paliwa. To powinno ci dać HHV = 0,35X_do + 1,18X_H. + 0,10X_S. + - 0,02X_N. - 0,10X_O - 0,02X_popiół z każdym X jako masa ułamkowa węgla (C), wodoru (H), siarki (S), azotu (N), tlenu (O) i pozostałej zawartości popiołu. Azot i tlen mają niekorzystny wpływ na HHV ponieważ nie przyczyniają się do uwalniania ciepła, podobnie jak inne pierwiastki i cząsteczki.

Gęstość energetyczna biodiesla

Paliwa biodiesel stanowią przyjazną dla środowiska metodę produkcji paliwa jako alternatywę dla innych, bardziej szkodliwych paliw. Powstają z naturalnych olejków, ekstraktów z soi i alg. To odnawialne źródło paliwa powoduje mniejsze zanieczyszczenie środowiska i zwykle jest mieszane z paliwami ropopochodnymi (benzyną i olejami napędowymi). Dzięki temu są idealnymi kandydatami do badania ilości energii zużywanej przez paliwo przy użyciu takich ilości, jak gęstość energii i zawartość energii.

Niestety z punktu widzenia zawartości energii paliwa biodiesla mają dużą ilość tlenu, więc wytwarzają niższe wartości energetyczne w stosunku do ich masy (w jednostkach MJ / kg). Paliwa biodiesel mają około 10 procent niższą masową zawartość energii. Na przykład B100 ma zawartość energii 119 950 Btu / gal.

Innym sposobem pomiaru ilości energii zużywanej przez paliwo jest bilans energetyczny, który w przypadku biodiesla wynosi 4,56. Oznacza to, że paliwa biodiesel wytwarzają 4,56 jednostek energii na każdą jednostkę zużytej energii kopalnej. Inne paliwa zawierają więcej energii, takie jak B20, mieszanka oleju napędowego z paliwem z biomasy. Paliwo to ma około 99 procent energii jednego galona oleju napędowego lub 109 procent energii jednego galonu benzyny.

Istnieją alternatywne metody określania wydajności ciepła oddawanego przez biomasę ogólnie. Naukowcy i inżynierowie badający biomasę stosują metodę kalorymetru bombowego do pomiaru ciepła uwalnianego ze spalania, które jest przenoszone do powietrza lub wody otaczającej pojemnik. Na tej podstawie możesz określić HHV dla biomasy.