Conţinut
- Formula de densitate energetică
- Unități de densitate energetică
- Calcularea conținutului energetic
- Calorimetru cu bomba
- Valoare mai mare de încălzire Conținut energetic
- Densitatea energetică a biodieselului
Ce face benzina și alți combustibili atât de puternici? Potențialul amestecurilor chimice, cum ar fi combustibilii care produc mașinile electrice provin din reacțiile pe care aceste materiale le pot provoca.
Puteți măsura această densitate de energie folosind formule și ecuații simple care guvernează aceste proprietăți chimice și fizice atunci când combustibilii sunt folosiți. Ecuația densității energetice oferă o modalitate de măsurare a acestei energii puternice în raport cu combustibilul în sine.
Formula de densitate energetică
Formula pentru densitatea energiei este Ed = E / V pentru densitatea energetică Ed, energie E și volum V. Puteți măsura, de asemenea energie specifică Es la fel de E / M pentru masă în loc de volum. Energia specifică este mai strâns corelată cu energia disponibilă pe care o utilizează combustibilii atunci când alimentează mașinile decât densitatea energetică. Tabelele de referință arată că benzina, kerosenul și motorina au densități energetice mult mai mari decât cărbunele, metanolul și lemnul.
Indiferent, chimiștii, fizicienii și inginerii folosesc atât densitatea de energie, cât și energia specifică atunci când proiectează automobile și testează materiale pentru proprietățile fizice. Puteți stabili câtă energie va emite un combustibil pe baza combustiei acestei energii dens ambalate. Aceasta se măsoară prin conținutul de energie.
Cantitatea de energie pe unitate de masă sau volum pe care un combustibil o emite atunci când arde este conținutul de energie al combustibilului. În timp ce combustibilii ambalate mai dens au valori mai mari ale conținutului de energie din punct de vedere al volumului, combustibilii cu densitate mai mică produc, în general, mai mult conținut de energie pe unitate de masă.
Unități de densitate energetică
Conținutul de energie trebuie măsurat pentru un volum dat de gaz t o temperatură și presiune specifică. În Statele Unite, ingineri și oameni de știință raportează conținutul de energie din unitățile termice internaționale britanice (BtuIT), în timp ce, în Canada și Mexic, conținutul de energie este raportat în joules (J).
Puteți utiliza, de asemenea calorii pentru a raporta conținutul energetic. Mai multe metode standard de calcul al conținutului de energie în știință și inginerie utilizează cantitatea de căldură produsă atunci când arzi un singur gram din material în joule pe gram (J / g).
Calcularea conținutului energetic
Folosind această unitate de jouli pe gram, puteți calcula cât de multă căldură este emisă prin creșterea temperaturii unei substanțe specifice atunci când cunoașteți capacitatea specifică de căldură Cp din materialul respectiv. Cp apa este de 4,18 J / g ° C. Folosiți ecuația pentru căldură H la fel de H = ∆T x m x Cp in care AT este o modificare a temperaturii, iar m este masa substanței în grame.
Dacă măsurați experimental temperaturile inițiale și finale ale unui material chimic, puteți determina căldura degajată de reacție. Dacă ar trebui să încălziți un vas de combustibil ca un container și să înregistrați schimbarea temperaturii în spațiul direct în afara containerului, puteți măsura căldura degajată folosind această ecuație.
Calorimetru cu bomba
La măsurarea temperaturilor, o sondă de temperatură poate măsura continuu temperatura în timp. Acest lucru vă va oferi o gamă largă de temperaturi pentru care puteți utiliza ecuația de căldură. De asemenea, ar trebui să căutați locuri în graficul care arată a relație liniară între temperatură în timp, deoarece acest lucru ar arăta că temperatura este dată în mod constant. Acest lucru indică probabil relația liniară între temperatură și căldură pe care o folosește ecuația de căldură.
Apoi, dacă măsurați cât s-a schimbat masa combustibilului, puteți determina modul în care a fost stocată energia în acea cantitate de masă pentru combustibil. În mod alternativ, puteți măsura cât de mult este o diferență de volum pentru unitățile de densitate energetică corespunzătoare.
Această metodă, cunoscută sub numele de calorimetru bomba metoda, vă oferă o metodă experimentală de a utiliza formula densității de energie pentru a calcula această densitate. Metodele mai rafinate pot lua în considerare căldura pierdută la pereții containerului în sine sau la conducerea căldurii prin materialul recipientelor.
Valoare mai mare de încălzire Conținut energetic
De asemenea, puteți exprima conținutul de energie ca o variație a valorii mai mari de încălzire (H HV). Aceasta este cantitatea de căldură degajată la temperatura camerei (25 ° C) de o masă sau volum de combustibil după ce acesta arde, iar produsele au revenit la temperatura camerei. Această metodă ține cont de căldura latentă, căldura de entalpie care apare când solidificarea și transformările de fază în stare solidă au loc în timpul răcirii unui material.
Prin această metodă, conținutul de energie este dat de valoarea mai mare de încălzire în condiții de volum de bază (H HVb). La condiții standard sau de bază, debitul de energie qHb este egal cu produsul debitului volumetric qvb și valoarea mai mare a încălzirii la condițiile volumului de bază din ecuație qHb = qvb x HHVb.
Prin metode experimentale, oamenii de știință și inginerii au studiat H HVb pentru diferiți combustibili pentru a determina modul în care acesta poate fi determinat ca funcție a altor variabile pertinente pentru eficiența combustibilului. Condițiile standard sunt definite ca 10 ° C (273,15 K sau 32 oF) și 105 pascali (1 bar).
Aceste rezultate empirice au arătat că H HVb depinde de presiune și temperatură în condițiile de bază, precum și de compoziția combustibilului sau a gazului. În schimb, valoarea mai mică a încălzirii LHV este aceeași măsurare, dar în punctul în care apa din produsele de ardere finale rămâne ca vapori sau aburi.
Alte cercetări au arătat că puteți calcula H HV din compoziția combustibilului în sine. Acest lucru ar trebui să vă ofere HHV = .35XC + 1,18XH + 0,10XS + - 0,02XN - 0,10XO - 0,02Xfrasin cu fiecare X ca masă fracțională pentru carbon (C), hidrogen (H), sulf (S), azot (N), oxigen (O) și conținutul rămas de cenușă. Azotul și oxigenul au un efect negativ asupra H HV deoarece acestea nu contribuie la eliberarea de căldură așa cum fac alte elemente și molecule.
Densitatea energetică a biodieselului
Combustibilii biodiesel oferă o metodă ecologică de a produce combustibil ca o alternativă la alți combustibili mai nocivi. Sunt create din uleiuri naturale, extracte de soia și alge. Această sursă regenerabilă de combustibil duce la reducerea poluării pentru mediu și, de obicei, sunt amestecate cu combustibili petrolieri (benzină și motorină). Acest lucru îi face candidați ideali pentru a studia câtă energie consumă un combustibil folosind cantități precum densitatea de energie și conținutul de energie.
Din păcate, din perspectiva conținutului de energie, combustibilii biodiesel au o cantitate mare de oxigen, astfel încât acestea produc valori energetice mai mici în raport cu masa lor (în unități de MJ / kg). Combustibilii cu biodiesel au un conținut de energie de masă cu aproximativ 10% mai mic. B100, de exemplu, are un conținut de energie de 119.550 Btu / gal.
Un alt mod de a măsura câtă energie consumă un combustibil este echilibrul energetic, care, pentru biodiesel, este 4,56. Aceasta înseamnă că combustibilii biodiesel produc 4,56 unități de energie pentru fiecare unitate de energie fosilă pe care o folosesc. Alți combustibili ambalează mai multă energie, cum ar fi B20, un amestec de motorină cu combustibil pentru biomasă. Acest combustibil are aproximativ 99 la sută din energia unui galon de motorină sau 109 la sută din energia unui galon de benzină.
Există metode alternative pentru determinarea eficienței căldurii emise de biomasă în general. Oamenii de știință și inginerii care studiază biomasa folosesc metoda calorimetrului cu bombe pentru a măsura căldura eliberată din combustie, care este transferată fie aerului, fie apei din jurul containerului. Din aceasta, puteți determina H HV pentru biomasă.