Hur man beräknar energidensitet

Innehåll

• Energidensitetsformel
• Enheter för energidensitet
• Beräkning av energiinnehåll
• Bomb Calorimeter
• Högre värmevärde energiinnehåll
• Energidensitet av biodiesel

Vad gör bensin och andra bränslen så kraftfulla? Potentialen hos kemiska blandningar som bränslen som driver bilar kommer från de reaktioner som dessa material kan orsaka.

Du kan mäta denna energitäthet med enkla formler och ekvationer som styr dessa kemiska och fysiska egenskaper när bränslena tas i bruk. Energidensitetsekvationen ger ett sätt att mäta denna kraftfulla energi med avseende på själva bränslet.

Energidensitetsformel

Formeln för energi densitet är E_d = E / V för energitäthet E_d, energi E och volym V. Du kan också mäta specifik energi E_s som E / M för massa istället för volym. Den specifika energin är närmare korrelerad med den tillgängliga energin som bränslen använder när man driver bilar än energitätheten är. Hänvisningstabeller visar att bensin, fotogen och dieselbränslen har mycket högre energitäthet än kol, metanol och trä.

Hur som helst, kemister, fysiker och ingenjörer använder både energitäthet och specifik energi vid utformning av bilar och testning av material för fysiska egenskaper. Du kan bestämma hur mycket energi ett bränsle kommer att ge ut baserat på förbränningen av denna täta packade energi. Detta mäts genom energiinnehåll.

Mängden energi per massa eller volym som ett bränsle avger när det förbränns är energiinnehållet i bränsle. Medan mer tätt packade bränslen har högre värden på energiinnehåll i volym, producerar bränslen med lägre densitet generellt mer energiinnehåll per enhet.

Enheter för energidensitet

Energihalten måste mätas för en given gasvolym t en specifik temperatur och tryck. I USA rapporterar ingenjörer och forskare energiinnehållet i internationella brittiska termiska enheter (BtuIT) medan i Kanada och Mexiko rapporteras energiinnehållet i joules (J).

Du kan också använda kalorier att rapportera energiinnehåll. Mer standardmetoder för att beräkna energiinnehåll inom vetenskap och teknik använder mängden värme som produceras när du bränner ett enda gram av det materialet i joule per gram (J / g).

Beräkning av energiinnehåll

Med denna enhet av joule per gram kan du beräkna hur mycket värme som avges genom att öka temperaturen på ett specifikt ämne när du vet den specifika värmekapaciteten C_p av det materialet. De C_p vatten är 4,18 J / g ° C. Du använder ekvationen för värme H som H = ∆T x m x C_p i vilken AT är en förändring i temperatur, och m är ämnets massa i gram.

Om du experimentellt mäter de initiala och slutliga temperaturerna för ett kemiskt material, kan du bestämma värmen som avges av reaktionen. Om du skulle värma en kolv med bränsle som en behållare och registrera temperaturförändringen i utrymmet direkt utanför behållaren, kan du mäta värmen som avges med denna ekvation.

Bomb Calorimeter

Vid mätning av temperaturer kan en temperatursond kontinuerligt mäta temperaturen över tiden. Detta ger dig ett brett temperaturintervall som du kan använda värmekvationen. Du bör också leta efter platser i diagrammet som visar a linjär relation mellan temperatur över tid, eftersom detta skulle visa att temperaturen avges med en konstant hastighet. Detta indikerar troligtvis det linjära förhållandet mellan temperatur och värme som värmeekvationen använder.

Om du sedan mäter hur mycket bränslets massa har förändrats kan du bestämma hur energi lagrades i den mängden massa för bränslet. Alternativt kan du mäta hur mycket av en volymskillnad detta är för lämpliga energitäthetsenheter.

Denna metod, känd som bombkalorimeter ger dig en experimentell metod för att använda energitäthetsformeln för att beräkna denna densitet. Mer raffinerade metoder kan ta hänsyn till värme som går förlorad till väggarna i själva behållaren eller ledning av värme genom behållarmaterialet.

Högre värmevärde energiinnehåll

Du kan också uttrycka energiinnehåll som en variation av det högre värmevärdet (H HV). Detta är den mängd värme som frigörs vid rumstemperatur (25 ° C) av en massa eller volym bränsle efter det att det har bränts, och produkterna har återgått till rumstemperatur. Denna metod redovisar den latenta värmen, den entalpiska värmen som uppstår när stelning och fast tillstånd fasomvandlingar sker under kylning av ett material.

Genom denna metod ges energiinnehållet av det högre värmevärdet vid basvolymförhållanden (H HV_b). Vid standard- eller basförhållanden, energiflödeshastigheten q_Hb är lika med produkten av den volymetriska flödeshastigheten q_vb och det högre värmevärdet vid basvolymförhållanden i ekvationen q_Hb = q_vb x HHV_b.

Genom experimentella metoder har forskare och ingenjörer studerat H HV_b för olika bränslen för att bestämma hur det kan bestämmas som funktion av andra variabler som är relevanta för bränsleeffektivitet. Standardbetingelser definieras som 10 ° C (273,15 K eller 32 oF) och 105 pascaler (1 bar).

Dessa empiriska resultat har visat det H HV_b beror på tryck och temperatur vid basförhållanden samt bränsle- eller gasens sammansättning. Däremot är det lägre värmevärdet LHV är samma mätning, men vid den punkt då vattnet i de slutliga förbränningsprodukterna förblir som ånga eller ånga.

Annan forskning har visat att du kan beräkna H HV från sammansättningen av själva bränslet. Detta borde ge dig HHV = .35X_C + 1,18X_H + 0,10X_S + - 0,02X_N - 0,10X_O - 0,02X_aska Med varje X som fraktionsmassa för kol (C), väte (H), svavel (S), kväve (N), syre (O) och resterande askinnehåll. Kväve och syre har en negativ inverkan på H HV eftersom de inte bidrar till frisläppandet av värme som andra element och molekyler gör.

Energidensitet av biodiesel

Biodieselbränslen erbjuder en miljövänlig metod för att producera bränsle som ett alternativ till andra, mer skadliga bränslen. De skapas från naturliga oljor, sojabönsextrakt och alger. Denna förnybara bränslekälla resulterar i mindre föroreningar för miljön, och de blandas vanligtvis med petroleumbränsle (bensin och dieselbränslen). Detta gör dem till ideala kandidater för att studera hur mycket energi ett bränsle använder med mängder som energitäthet och energiinnehåll.

Ur tyvärr av energiinnehåll har biodieselbränslen en stor mängd syre, så de producerar lägre energivärden med avseende på deras massa (i enheter av MJ / kg). Biodieselbränslen har cirka 10 procent lägre massenergiinnehåll. B100 har till exempel ett energiinnehåll på 119 550 Btu / gal.

Ett annat sätt att mäta hur mycket energi ett bränsle använder är energibalansen, som för biodiesel är 4,56. Detta innebär att biodieselbränslen producerar 4,56 enheter energi för varje enhet fossil energi de använder. Andra bränslen packar mer energi, till exempel B20, en blandning av diesel med biomassbränsle. Detta bränsle har cirka 99 procent av energin för en gallon diesel eller 109 procent av energin för en gallon bensin.

Det finns alternativa metoder för att bestämma effektiviteten hos värme som avges av biomassa i allmänhet. Forskare och ingenjörer som studerar biomassa använder bombkalorimetermetoden för att mäta värmen som frigörs från förbränning som överförs till antingen luft eller vatten som omger behållaren. Från detta kan du bestämma H HV för biomassa.