Hvordan beregne energitetthet

Innhold

• Energidensitetsformel
• Enheter for energidensitet
• Beregning av energiinnhold
• Bomb Calorimeter
• Høyere varmeverdi Energiinnhold
• Energidensitet av biodiesel

Hva er det som gjør bensin og annet drivstoff så kraftig? Potensialet til kjemiske blandinger som drivstoff som driver biler kommer fra reaksjonene disse materialene kan forårsake.

Du kan måle denne energitettheten ved å bruke enkle formler og ligninger som styrer disse kjemiske og fysiske egenskapene når drivstoffene tas i bruk. Energidensitetsligningen gir en måte å måle denne kraftige energien i forhold til selve drivstoffet.

Energidensitetsformel

Formelen for energi tetthet er E_d = E / V for energitetthet E_d, energi E og volum V. Du kan også måle spesifikk energi E_s som E / M for masse i stedet for volum. Den spesifikke energien er nærmere korrelert med den tilgjengelige energien som drivstoff bruker når du driver biler enn energitetthet er. Henvisningstabeller viser at bensin, parafin og diesel har mye høyere energitetthet enn kull, metanol og tre.

Uansett bruker kjemikere, fysikere og ingeniører både energitetthet og spesifikk energi når de designer biler og tester materialer for fysiske egenskaper. Du kan bestemme hvor mye energi et drivstoff vil gi ut basert på forbrenningen av denne tette pakningen. Dette måles gjennom energiinnhold.

Mengden energi per masse eller volum som et drivstoff avgir når det forbrenner er energiinnholdet i drivstoff. Mens mer tettpakket brensel har høyere verdier av energiinnhold når det gjelder volum, produserer drivstoff med lavere tetthet generelt mer energiinnhold per masseenhet.

Enheter for energidensitet

Energiinnholdet måles for et gitt volum av gass t en spesifikk temperatur og trykk. I USA rapporterer ingeniører og forskere energiinnholdet i internasjonale britiske termiske enheter (BtuIT), mens det i Canada og Mexico er rapportert energiinnhold i joules (J).

Du kan også bruke kalorier å rapportere energiinnhold. Mer standardmetoder for beregning av energiinnhold i naturvitenskap og teknikk bruker mengden varme som produseres når du brenner et enkelt gram av det materialet i joule per gram (J / g).

Beregning av energiinnhold

Ved hjelp av denne enheten dinles per gram kan du beregne hvor mye varme som gis av ved å øke temperaturen på et spesifikt stoff når du kjenner den spesifikke varmekapasiteten C_p av det materialet. De C_p vann er 4,18 J / g ° C. Du bruker ligningen for varme H som H = ∆T x m x C_p der AT er en endring i temperatur, og m er stoffets masse i gram.

Hvis du eksperimentelt måler de innledende og sluttemperaturene til et kjemisk materiale, kan du bestemme varmen gitt av reaksjonen. Hvis du skulle varme opp en kolbe med drivstoff som en beholder og registrere temperaturendringen i plassen rett utenfor beholderen, kan du måle varmen som er gitt av ved hjelp av denne ligningen.

Bomb Calorimeter

Når du måler temperaturer, kan en temperatursonde kontinuerlig måle temperaturen over tid. Dette vil gi deg et bredt temperaturområde som du kan bruke varmen. Du bør også se etter steder i grafen som viser a lineært forhold mellom temperatur over tid, da dette vil vise at temperaturen gis av med konstant hastighet. Dette indikerer sannsynligvis det lineære forholdet mellom temperatur og varme som varmeregningen bruker.

Hvis du måler hvor mye massen til drivstoffet har endret seg, kan du bestemme hvordan energi ble lagret i den mengden masse for drivstoffet. Alternativt kan du måle hvor mye av en volumforskjell dette er for de riktige energitetthetenhetene.

Denne metoden, kjent som bombekalorimeter metoden, gir deg en eksperimentell metode for å bruke energitetthetsformelen for å beregne denne tettheten. Mer raffinerte metoder kan ta hensyn til varme som går tapt til veggene i selve beholderen eller ledning av varme gjennom beholdermaterialet.

Høyere varmeverdi Energiinnhold

Du kan også uttrykke energiinnhold som en variant av den høyere varmeverdien (HHV). Dette er mengden varme som frigjøres ved romtemperatur (25 ° C) av en masse eller volum med drivstoff etter at den har forbrent seg, og produktene har returnert til romtemperatur. Denne metoden står for den latente varmen, entalpivarmen som oppstår når størkning og faststoff-transformasjon skjer under avkjøling av et materiale.

Gjennom denne metoden gis energiinnholdet av den høyere varmeverdien ved grunnvolumforhold (HHV_b). Ved standard- eller baseforhold, strømningshastigheten q_Hb er lik produktet av den volumetriske strømningshastigheten q_vb og den høyere varmeverdien ved grunnvolumforhold i ligningen q_Hb = q_vb x HHV_b.

Gjennom eksperimentelle metoder har forskere og ingeniører studert HHV_b for forskjellige brensler for å bestemme hvordan det kan bestemmes som funksjon av andre variabler som er relevante for drivstoffeffektivitet. Standardbetingelser er definert som 10 ° C (273,15 K eller 32 oF) og 105 pascal (1 bar).

Disse empiriske resultatene har vist det HHV_b avhenger av trykk og temperatur ved baseforhold samt sammensetningen av drivstoff eller gass. I kontrast til den lavere varmeverdien LHV er den samme målingen, men på det tidspunktet vannet i de endelige forbrenningsproduktene forblir som damp eller damp.

Annen forskning har vist at du kan beregne HHV fra sammensetningen av selve drivstoffet. Dette burde gi deg HHV = .35X_C + 1,18X_H + 0,10X_S + - 0,02X_N - 0,10X_O - 0,02X_aske med hver X som brøkmasse for karbon (C), hydrogen (H), svovel (S), nitrogen (N), oksygen (O) og det gjenværende askeinnholdet. Nitrogen og oksygen har en negativ innvirkning på HHV som de ikke bidrar til frigjøring av varme som andre elementer og molekyler gjør.

Energidensitet av biodiesel

Biodieselbrensel tilbyr en miljøvennlig metode for å produsere drivstoff som et alternativ til andre, mer skadelige drivstoff. De er laget av naturlige oljer, soyabønneekstrakter og alger. Denne fornybare drivstoffkilden resulterer i mindre forurensning av miljøet, og de blandes vanligvis med petroleumsdrivstoff (bensin og dieselbrensel). Dette gjør dem til ideelle kandidater for å studere hvor mye energi et drivstoff bruker ved bruk av mengder som energitetthet og energiinnhold.

Dessverre fra et energiinnholdsperspektiv har biodieselbrensel en stor mengde oksygen, slik at de produserer lavere energiverdier med hensyn til deres masse (i enheter av MJ / kg). Biodieselbrensel har omtrent 10 prosent lavere masseenergiinnhold. B100 har for eksempel et energiinnhold på 119 550 Btu / gal.

En annen måte å måle hvor mye energi et drivstoff bruker er energibalansen, som for biodiesel er 4,56. Dette betyr at biodieselbrensel produserer 4,56 enheter energi for hver enhet fossil energi de bruker. Andre drivstoff pakker mer energi, for eksempel B20, en blanding av diesel med biomasse drivstoff. Dette drivstoffet har omtrent 99 prosent av energien til en liter diesel eller 109 prosent av energien til en liter bensin.

Det finnes alternative metoder for å bestemme effektiviteten til varme gitt av biomasse generelt. Forskere og ingeniører som studerer biomasse, bruker bomkalorimetermetoden for å måle varmen som frigjøres fra forbrenning som overføres til enten luft eller vann som omgir beholderen. Fra dette kan du bestemme HHV for biomassen.