วิธีการคำนวณความหนาแน่นพลังงาน

เนื้อหา

• สูตรความหนาแน่นพลังงาน
• หน่วยความหนาแน่นพลังงาน
• การคำนวณปริมาณพลังงาน
• Bomb Calorimeter
• ค่าพลังงานความร้อนที่สูงขึ้น
• ความหนาแน่นพลังงานของไบโอดีเซล

อะไรทำให้น้ำมันเบนซินและเชื้อเพลิงอื่น ๆ ทรงพลัง? ศักยภาพของสารเคมีผสมเช่นเชื้อเพลิงที่รถยนต์พลังงานมาจากปฏิกิริยาที่วัสดุเหล่านี้สามารถก่อให้เกิด

คุณสามารถวัดความหนาแน่นของพลังงานนี้ได้โดยใช้สูตรและสมการที่ตรงไปตรงมาซึ่งควบคุมคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพเหล่านี้เมื่อนำเชื้อเพลิงมาใช้ สมการความหนาแน่นพลังงานให้วิธีการวัดพลังงานอันทรงพลังนี้ด้วยความเคารพต่อเชื้อเพลิง

สูตรความหนาแน่นพลังงาน

สูตรสำหรับ ความหนาแน่นของพลังงาน คือ E_d = E / V สำหรับความหนาแน่นของพลังงาน E_dพลังงาน E และปริมาณ V. คุณยังสามารถวัด พลังงานเฉพาะ E_s เช่น E / M สำหรับมวลแทนปริมาตร พลังงานเฉพาะนั้นมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพลังงานที่มีอยู่ซึ่งเชื้อเพลิงใช้เมื่อให้พลังงานแก่รถยนต์มากกว่าความหนาแน่นของพลังงาน ตารางอ้างอิงแสดงว่าเชื้อเพลิงน้ำมันเบนซินน้ำมันก๊าดและดีเซลมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าถ่านหินเมทานอลและไม้

ไม่ว่านักเคมีนักฟิสิกส์และวิศวกรจะใช้ทั้งความหนาแน่นของพลังงานและพลังงานเฉพาะในการออกแบบรถยนต์และวัสดุทดสอบสำหรับคุณสมบัติทางกายภาพ คุณสามารถกำหนดว่าจะให้พลังงานเชื้อเพลิงเท่าไรโดยขึ้นอยู่กับการเผาไหม้ของพลังงานที่อัดแน่นนี้ วัดจากปริมาณพลังงาน

ปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวลหรือปริมาตรที่เชื้อเพลิงมอบให้เมื่อเผาไหม้คือปริมาณพลังงานของเชื้อเพลิง ในขณะที่เชื้อเพลิงที่อัดแน่นมากขึ้นจะมีค่าพลังงานสูงขึ้นในแง่ของปริมาณ แต่โดยทั่วไปแล้วเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นต่ำจะผลิตปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวลมากกว่า

หน่วยความหนาแน่นพลังงาน

ต้องทำการวัดปริมาณพลังงานสำหรับปริมาณแก๊สที่กำหนดอุณหภูมิและความดันที่เฉพาะเจาะจง ในสหรัฐอเมริกาวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์รายงานปริมาณพลังงานในหน่วยความร้อนระหว่างประเทศของอังกฤษ (BtuIT) ในขณะที่ในแคนาดาและเม็กซิโกจะมีการรายงานปริมาณพลังงานเป็นจูล (J)

คุณยังสามารถใช้ แคลอรี่ เพื่อรายงานปริมาณพลังงาน วิธีการที่เป็นมาตรฐานมากขึ้นในการคำนวณปริมาณพลังงานในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมใช้ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อคุณเผาวัสดุหนึ่งกรัมในหน่วยจูลต่อกรัม (J / g)

การคำนวณปริมาณพลังงาน

การใช้หน่วยจูลต่อกรัมนี้คุณสามารถคำนวณจำนวนความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยการเพิ่มอุณหภูมิของสารเฉพาะเมื่อคุณรู้ว่าความจุความร้อนจำเพาะ C_พี ของวัสดุนั้น C_พี น้ำคือ 4.18 J / g ° C คุณใช้สมการเพื่อความร้อน H เช่น H = ∆T x m x C_พี ซึ่งใน ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและ m คือมวลของสารในหน่วยกรัม

หากคุณวัดอุณหภูมิเริ่มต้นและอุณหภูมิสุดท้ายของวัสดุเคมีคุณสามารถกำหนดความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยา หากคุณให้ความร้อนขวดน้ำมันเป็นภาชนะและบันทึกการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในอวกาศโดยตรงนอกภาชนะคุณสามารถวัดความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยใช้สมการนี้

Bomb Calorimeter

เมื่อทำการวัดอุณหภูมิตัววัดอุณหภูมิสามารถวัดอุณหภูมิได้อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา สิ่งนี้จะทำให้คุณมีอุณหภูมิที่หลากหลายซึ่งคุณสามารถใช้สมการความร้อนได้ คุณควรมองหาสถานที่ในกราฟที่แสดง ความสัมพันธ์เชิงเส้น ระหว่างอุณหภูมิเมื่อเวลาผ่านไปเช่นนี้จะแสดงว่าอุณหภูมิถูกปล่อยออกมาในอัตราคงที่ สิ่งนี้น่าจะบ่งบอกถึงความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างอุณหภูมิและความร้อนที่สมการความร้อนใช้

จากนั้นหากคุณวัดว่ามวลของเชื้อเพลิงมีการเปลี่ยนแปลงเท่าใดคุณสามารถกำหนดได้ว่าจะเก็บพลังงานไว้ในปริมาณเท่าใดสำหรับเชื้อเพลิง หรือคุณสามารถวัดความแตกต่างของปริมาตรนี้สำหรับหน่วยความหนาแน่นพลังงานที่เหมาะสม

วิธีนี้เรียกว่า ระเบิดความร้อน method ให้วิธีการทดลองในการใช้สูตรความหนาแน่นพลังงานเพื่อคำนวณความหนาแน่นนี้ วิธีการกลั่นที่ดีกว่านี้อาจคำนึงถึงความร้อนที่สูญเสียไปกับผนังของภาชนะบรรจุเองหรือการนำความร้อนผ่านวัสดุบรรจุภัณฑ์

ค่าพลังงานความร้อนที่สูงขึ้น

คุณยังสามารถแสดงเนื้อหาพลังงานเป็นรูปแบบของค่าความร้อนที่สูงขึ้น (HHV) นี่คือปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาที่อุณหภูมิห้อง (25 ° C) โดยมวลหรือปริมาตรของเชื้อเพลิงหลังจากการเผาไหม้และผลิตภัณฑ์กลับสู่อุณหภูมิห้อง วิธีการนี้อธิบายถึงความร้อนแฝงความร้อนเอนทาลปีที่เกิดขึ้นเมื่อการแข็งตัวและการเปลี่ยนสถานะของแข็งเกิดขึ้นระหว่างการระบายความร้อนของวัสดุ

ด้วยวิธีนี้ปริมาณพลังงานจะถูกกำหนดโดยค่าความร้อนที่สูงขึ้นที่สภาวะปริมาณฐาน (HHV_ข) ที่สภาวะมาตรฐานหรือฐานอัตราการไหลของพลังงาน Q_HB เท่ากับผลคูณของอัตราการไหลตามปริมาตร Q_VB และค่าความร้อนที่สูงขึ้นที่สภาวะปริมาณฐานในสมการ Q_HB = q_VB x HHV_ข.

ด้วยวิธีการทดลองนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้ศึกษา HHV_ข สำหรับเชื้อเพลิงต่าง ๆ เพื่อกำหนดว่าจะสามารถกำหนดเป็นฟังก์ชันของตัวแปรอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างไร เงื่อนไขมาตรฐานถูกกำหนดเป็น 10 ° C (273.15 K หรือ 32 oF) และ 105 pascals (1 บาร์)

ผลลัพธ์เชิงประจักษ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่า HHV_ข ขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิที่สภาวะพื้นฐานเช่นเดียวกับองค์ประกอบของเชื้อเพลิงหรือก๊าซ ในทางตรงกันข้ามค่าความร้อนต่ำ LHV เป็นการวัดเดียวกัน แต่ ณ จุดที่น้ำในผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ขั้นสุดท้ายยังคงเป็นไอหรือไอ

การวิจัยอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถคำนวณได้ HHV จากองค์ประกอบของเชื้อเพลิงเอง สิ่งนี้ควรให้คุณ HHV = .35X_C + 1.18X_H + 0.10X_S + - 0.02X_{ยังไม่มีข้อความ} - 0.10X_O - 0.02X_เถ้า กับแต่ละ X เป็นเศษส่วนของคาร์บอน (C), ไฮโดรเจน (H), ซัลเฟอร์ (S), ไนโตรเจน (N), ออกซิเจน (O) และปริมาณเถ้าที่เหลืออยู่ ไนโตรเจนและออกซิเจนมีผลกระทบต่อ HHV ในขณะที่มันไม่ได้มีส่วนช่วยในการปล่อยความร้อนเช่นเดียวกับองค์ประกอบและโมเลกุลอื่น ๆ

ความหนาแน่นพลังงานของไบโอดีเซล

เชื้อเพลิงไบโอดีเซลนั้นเป็นวิธีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการผลิตเชื้อเพลิงทดแทนเชื้อเพลิงชนิดอื่นและเป็นอันตราย พวกเขากำลังสร้างจากน้ำมันธรรมชาติสารสกัดจากถั่วเหลืองและสาหร่าย แหล่งเชื้อเพลิงทดแทนนี้ส่งผลให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าและมักผสมกับเชื้อเพลิงปิโตรเลียม (น้ำมันเบนซินและเชื้อเพลิงดีเซล) สิ่งนี้ทำให้ผู้สมัครในอุดมคติสำหรับการศึกษาว่าพลังงานเชื้อเพลิงใช้ปริมาณเท่าใดเช่นความหนาแน่นของพลังงานและปริมาณพลังงาน

น่าเสียดายจากมุมมองด้านพลังงานเชื้อเพลิงไบโอดีเซลมีออกซิเจนเป็นจำนวนมากดังนั้นพวกเขาจึงผลิตพลังงานที่มีค่าต่ำลงเมื่อเทียบกับมวล (หน่วยเป็น MJ / กิโลกรัม) เชื้อเพลิงไบโอดีเซลมีปริมาณพลังงานมวลลดลงประมาณ 10% ตัวอย่างเช่น B100 มีเนื้อหาพลังงาน 119,550 Btu / gal

อีกวิธีในการวัดปริมาณพลังงานที่เชื้อเพลิงใช้คือความสมดุลของพลังงานซึ่งสำหรับไบโอดีเซลคือ 4.56 ซึ่งหมายความว่าเชื้อเพลิงไบโอดีเซลผลิตพลังงานได้ 4.56 หน่วยสำหรับพลังงานฟอสซิลทุกหน่วยที่ใช้ เชื้อเพลิงชนิดอื่นบรรจุพลังงานมากขึ้นเช่น B20 ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่างดีเซลกับเชื้อเพลิงชีวมวล เชื้อเพลิงนี้มีพลังงานประมาณ 99 เปอร์เซ็นต์ของน้ำมันดีเซลหนึ่งแกลลอนหรือ 109 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานน้ำมันหนึ่งแกลลอน

มีวิธีการทางเลือกอื่นสำหรับการประเมินประสิทธิภาพของความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยชีวมวลโดยทั่วไป นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ศึกษาชีวมวลใช้วิธีระเบิดความร้อนเพื่อวัดความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ที่ถูกถ่ายโอนไปยังอากาศหรือน้ำรอบ ๆ ภาชนะ จากนี้คุณสามารถกำหนด HHV สำหรับชีวมวล