Kuinka laskea energiatiheys

Sisältö

• Energiatiheyskaava
• Energian tiheysyksiköt
• Lasketaan energiasisältöä
• Pommi kalorimetri
• Korkeampi lämmitysarvo
• Biodieselin energiatiheys

Mikä tekee bensiinistä ja muista polttoaineista niin voimakkaita? Kemiallisten seosten, kuten polttoaineiden, potentiaalit, jotka moottoriajoneuvot tulevat reaktioista, joita nämä materiaalit voivat aiheuttaa.

Voit mitata tämän energiatiheyden käyttämällä yksinkertaisia ​​kaavoja ja yhtälöitä, jotka säätelevät näitä kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia polttoaineiden käytön aikana. Energiatiheysyhtälö antaa tavan mitata tämä voimakas energia itse polttoaineen suhteen.

Energiatiheyskaava

Kaava energiatiheys on E_d = E / V energian tiheydelle E_d, energiaa E ja tilavuus V. Voit myös mitata erityinen energia E_s kuten E / M massaa tilavuuden sijasta. Ominaisenergia korreloi läheisemmin käytettävissä olevan energian kanssa, jota polttoaineet käyttävät autojen energiansäästössä, kuin energian tiheys on. Vertailutaulukoista käy ilmi, että bensiinin, petrolin ja dieselpolttoaineiden energiatiheydet ovat paljon suurempia kuin hiilen, metanolin ja puun.

Siitä huolimatta kemistit, fyysikot ja insinöörit käyttävät sekä energiatiheyttä että erityistä energiaa autojen suunnittelussa ja fyysisten ominaisuuksien testaamisessa. Voit määrittää, kuinka paljon energiaa polttoaine tuottaa, tämän tiheästi pakatun energian palamisen perusteella. Tämä mitataan energiasisällön avulla.

Energian määrä massa- tai tilavuusyksikköä kohti, jonka polttoaine tuottaa palaessaan, on polttoaineen energiasisältö. Vaikka tiheämmin pakattujen polttoaineiden energiasisällön arvot ovat suuremmat tilavuudeltaan, pienemmän tiheyden polttoaineet tuottavat yleensä enemmän energiasisältöä massayksikköä kohti.

Energian tiheysyksiköt

Energiasisältö on mitattava tietylle kaasutilavuudelle t tiettyyn lämpötilaan ja paineeseen. Yhdysvalloissa insinöörit ja tutkijat ilmoittavat energiasisällön kansainvälisissä brittiläisissä lämpöyksiköissä (BtuIT), kun taas Kanadassa ja Meksikossa energiasisältö ilmoitetaan jouleina (J).

Voit myös käyttää kalorit ilmoittaa energiasisältö. Tavallisemmat menetelmät energiasisällön laskemiseksi tieteessä ja tekniikassa käyttävät tuotetun lämmön määrää, kun poltat yhden gramman materiaalia jouleina grammaa kohti (J / g).

Lasketaan energiasisältöä

Tämän jouleyksikön grammaa kohden voit laskea kuinka paljon lämpöä vapautuu lisäämällä tietyn aineen lämpötilaa, kun tiedät erityisen lämpökapasiteetin C_p siitä materiaalista. C_p vesimäärä on 4,18 J / g ° C. Käytät yhtälöä lämmölle H kuten H = ∆T x m x C_p jossa AT on lämpötilan muutos, ja m on aineen massa grammoina.

Jos mittaat kokeellisesti kemiallisen materiaalin alku- ja loppulämpötiloja, voit määrittää reaktion aiheuttaman lämmön. Jos haluat kuumentaa polttoainesäiliön säiliönä ja kirjata lämpötilan muutos tilassa, joka on suoraan säiliön ulkopuolella, voit mitata vapautuneen lämmön tällä yhtälöllä.

Pommi kalorimetri

Lämpötiloja mitattaessa lämpötila-anturi voi mitata lämpötilaa jatkuvasti ajan myötä. Tämä antaa sinulle laajan lämpötila-alueen, jota varten voit käyttää lämpöyhtälöä. Sinun pitäisi myös etsiä paikkoja kaaviosta, jotka osoittavat lineaarinen suhde lämpötilan välillä ajan kuluessa, koska tämä osoittaisi, että lämpötila vapautuu vakiona. Tämä todennäköisesti osoittaa lämpötilan ja lämmön välistä lineaarista suhdetta, jota lämpöyhtälö käyttää.

Sitten, jos mittaat kuinka paljon polttoaineen massa on muuttunut, voit määrittää, kuinka energiaa varastoitiin polttoaineen massamäärään. Vaihtoehtoisesti voit mitata, kuinka suuri tilavuusero on tämä sopiville energiatiheysyksiköille.

Tämä menetelmä, joka tunnetaan nimellä pommin kalorimetri menetelmä antaa sinulle kokeellisen menetelmän energiatiheyskaavan käyttämiseksi tämän tiheyden laskemiseksi. Hienostuneemmissa menetelmissä voidaan ottaa huomioon itse säiliön seinille menetetty lämpö tai lämmön johtavuus säiliöiden materiaalin läpi.

Korkeampi lämmitysarvo

Voit myös ilmaista energiasisällön suuremman lämpöarvon variaationa (HHV). Tämä on huoneenlämpötilassa (25 ° C) vapautuneen lämmön määrä polttoaineen massan tai tilavuuden jälkeen sen palamisen jälkeen ja tuotteiden palautumisen huoneenlämpötilaan. Tämä menetelmä ottaa huomioon piilevän lämmön, entalpialämmön, joka syntyy, kun kiinteytyminen ja kiinteän tilan vaiheen muutokset tapahtuvat materiaalin jäähdytyksen aikana.

Tämän menetelmän avulla energiasisällön antaa korkeampi lämmitysarvo kantatilavuusolosuhteissa (HHV_b). Vakio- tai perusolosuhteissa energian virtausnopeus q_hb on yhtä suuri kuin tilavuusvirran tulo q_vb ja suurempi lämpöarvo kantatilavuusolosuhteissa yhtälössä q_hb = q_vb x HHV_b.

Tutkijat ja insinöörit ovat tutkineet kokeellisten menetelmien avulla HHV_b eri polttoaineille sen määrittämiseksi, kuinka se voidaan määrittää muiden polttoainetehokkuuteen liittyvien muuttujien funktiona. Vakio-olosuhteet määritellään 10 ° C: ksi (273,15 K tai 32 ° F) ja 105 paskaliksi (1 bar).

Nämä empiiriset tulokset ovat osoittaneet sen HHV_b riippuu paineesta ja lämpötilasta perusolosuhteissa sekä polttoaineen tai kaasun koostumuksesta. Sen sijaan alempi lämmitysarvo LHV on sama mittaus, mutta siinä kohdassa, jossa lopullisissa palamistuotteissa oleva vesi jää höyryksi tai höyryksi.

Muut tutkimukset ovat osoittaneet, että voit laskea HHV itse polttoaineen koostumuksesta. Tämän pitäisi antaa sinulle HHV = .35X_C + 1,18X_H + 0,10X_S + - 0,02X_N - 0,10X_O - 0,02X_tuhka jokaisen kanssa X hiilen (C), vedyn (H), rikkin (S), typen (N), hapen (O) ja jäljelle jäävän tuhkapitoisuuden fraktiomassana. Typpillä ja hapella on haitallinen vaikutus HHV koska ne eivät edistä lämmön vapautumista kuten muut elementit ja molekyylit tekevät.

Biodieselin energiatiheys

Biodieselpolttoaineet tarjoavat ympäristöystävällisen tavan tuottaa polttoainetta vaihtoehtona muille haitallisemmille polttoaineille. Ne on luotu luonnollisista öljyistä, soijauuteista ja levistä. Tämä uusiutuva polttoainelähde johtaa vähemmän ympäristön pilaantumiseen, ja niitä sekoitetaan yleensä öljypolttoaineiden (bensiini ja dieselpolttoaineet) kanssa. Tämä tekee niistä ihanteellisia ehdokkaita tutkimaan kuinka paljon energiaa polttoaine kuluttaa käyttämällä sellaisia ​​määriä kuin energiatiheys ja energiasisältö.

Valitettavasti energiasisällön kannalta biodieselpolttoaineissa on suuri määrä happea, joten ne tuottavat pienemmät energiaarvot suhteessa massaan (yksikköinä MJ / kg). Biodieselpolttoaineiden massaenergiapitoisuus on noin 10 prosenttia pienempi. Esimerkiksi B100: n energiasisältö on 119 550 Btu / gal.

Toinen tapa mitata kuinka paljon energiaa polttoaine kuluttaa, on energiatasapaino, joka biodieselillä on 4,56. Tämä tarkoittaa, että biodieselpolttoaineet tuottavat 4,56 yksikköä energiaa jokaisesta fossiilisen energian yksiköstä. Muut polttoaineet lisäävät energiaa, kuten B20, sekoitus dieselin ja biomassan polttoaineita. Tässä polttoaineessa on noin 99 prosenttia yhden gallonan dieselistä tai 109 prosenttia yhden gallonan bensiinin energiasta.

Biomassasta vapautuvan lämmön hyötysuhteen määrittämiseksi on olemassa vaihtoehtoisia menetelmiä. Biomassaa tutkittavat tutkijat ja insinöörit käyttävät pommikalorimetrimenetelmää poltosta vapautuvan lämmön mittaamiseen, joka siirtyy säiliötä ympäröivään ilmaan tai veteen. Tästä voit määrittää HHV biomassalle.