Contenu
- Formule de densité d'énergie
- Unités de densité d'énergie
- Calcul du contenu énergétique
- Calorimètre de bombe
- Teneur énergétique élevée
- Densité énergétique du biodiesel
Qu'est-ce qui rend l'essence et les autres carburants si puissants? Le potentiel des mélanges chimiques, tels que les carburants utilisés dans les voitures, provient des réactions que ces matériaux peuvent provoquer.
Vous pouvez mesurer cette densité d'énergie en utilisant des formules simples et des équations qui régissent ces propriétés chimiques et physiques lorsque les carburants sont utilisés. L'équation de densité d'énergie permet de mesurer cette énergie puissante par rapport au carburant lui-même.
Formule de densité d'énergie
La formule pour densité d'énergie est Eré = E / V pour la densité d'énergie Eré, énergie E et volume V. Vous pouvez également mesurer le énergie spécifique Es comme E / M pour la masse au lieu du volume. L'énergie spécifique est plus étroitement corrélée à l'énergie disponible utilisée par les carburants pour alimenter les voitures que la densité énergétique. Les tableaux de référence montrent que l'essence, le kérosène et les carburants diesel ont des densités d'énergie bien supérieures à celles du charbon, du méthanol et du bois.
Quoi qu'il en soit, les chimistes, les physiciens et les ingénieurs utilisent à la fois la densité énergétique et une énergie spécifique lors de la conception d'automobiles et du test de matériaux pour leurs propriétés physiques. Vous pouvez déterminer la quantité d'énergie dégagée par un carburant en fonction de la combustion de cette énergie compacte. Ceci est mesuré par le contenu énergétique.
La quantité d'énergie par unité de masse ou de volume qu'un carburant dégage lors de sa combustion est le contenu énergétique du carburant. Tandis que les carburants plus compacts ont des valeurs plus élevées de contenu énergétique en termes de volume, les carburants de densité inférieure produisent généralement plus de contenu énergétique par unité de masse.
Unités de densité d'énergie
La teneur en énergie doit être mesurée pour un volume de gaz donné à une température et une pression spécifiques. Aux États-Unis, des ingénieurs et des scientifiques communiquent le contenu énergétique des unités thermiques britanniques internationales (BtuIT), tandis qu'au Canada et au Mexique, le contenu énergétique est exprimé en joules (J).
Vous pouvez aussi utiliser les calories pour signaler le contenu énergétique. Les méthodes plus classiques de calcul du contenu énergétique en science et en ingénierie utilisent la quantité de chaleur produite lorsque vous brûlez un gramme de ce matériau en joules par gramme (J / g).
Calcul du contenu énergétique
En utilisant cette unité de joules par gramme, vous pouvez calculer la quantité de chaleur dégagée en augmentant la température d'une substance spécifique lorsque vous connaissez la capacité calorifique spécifique. Cp de ce matériau. le Cp d’eau est de 4,18 J / g ° C. Vous utilisez l'équation pour la chaleur H comme H = ∆T x m x Cp dans lequel ∆T est un changement de température et m est la masse de la substance en grammes.
Si vous mesurez expérimentalement les températures initiales et finales d'un matériau chimique, vous pouvez déterminer la chaleur dégagée par la réaction. Si vous deviez chauffer un ballon de carburant comme récipient et enregistrer le changement de température dans l'espace situé directement à l'extérieur du récipient, vous pouvez mesurer la chaleur dégagée à l'aide de cette équation.
Calorimètre de bombe
Lors de la mesure de la température, une sonde de température peut mesurer en permanence la température dans le temps. Cela vous donnera une large gamme de températures pour lesquelles vous pouvez utiliser l'équation de la chaleur. Vous devez également rechercher des endroits dans le graphique qui présentent une relation linéaire entre la température dans le temps, car cela montrerait que la température est dégagée à un taux constant. Cela indique probablement la relation linéaire entre la température et la chaleur utilisée par l'équation thermique.
Ensuite, si vous mesurez combien la masse de carburant a changé, vous pouvez déterminer comment l’énergie a été stockée dans cette quantité de carburant. Vous pouvez également mesurer la différence de volume exprimée en unités de densité d'énergie appropriées.
Cette méthode, connue sous le nom de bombe calorimètre méthode, vous donne une méthode expérimentale d'utilisation de la formule de densité d'énergie pour calculer cette densité. Des méthodes plus raffinées peuvent prendre en compte la chaleur perdue aux parois du conteneur lui-même ou la conduction de chaleur à travers le matériau du conteneur.
Teneur énergétique élevée
Vous pouvez également exprimer le contenu énergétique sous forme de variation de la valeur calorifique supérieure (HHV) Il s’agit de la quantité de chaleur dégagée à la température ambiante (25 ° C) par une masse ou un volume de combustible après sa combustion, le produit étant alors revenu à la température ambiante. Cette méthode prend en compte la chaleur latente, la chaleur d'enthalpie qui se dégage lorsque la solidification et les transformations de phase à l'état solide se produisent pendant le refroidissement d'un matériau.
Grâce à cette méthode, le contenu énergétique est donné par la valeur calorifique supérieure aux conditions de volume de base (HHVb) Aux conditions standard ou de base, le débit d’énergie qHb est égal au produit du débit volumétrique qvb et la valeur de chauffage plus élevée aux conditions de volume de base dans l'équation qHb = qvb x HHVb.
Grâce à des méthodes expérimentales, scientifiques et ingénieurs ont étudié les HHVb pour divers carburants afin de déterminer comment il peut être déterminé en fonction d’autres variables pertinentes pour le rendement énergétique. Les conditions standard sont définies à 10 ° C (273,15 K ou 32 ° F) et 105 pascals (1 bar).
Ces résultats empiriques ont montré que HHVb dépend de la pression et de la température dans les conditions de base ainsi que de la composition du combustible ou du gaz. En revanche, le pouvoir calorifique inférieur LHV est la même mesure, mais au point où l’eau des produits de la combustion finale reste sous forme de vapeur ou de vapeur.
D'autres recherches ont montré que vous pouvez calculer HHV de la composition du carburant lui-même. Cela devrait vous donner HHV = .35XC + 1.18XH + 0.10XS + - 0.02XN - 0.10XO - 0.02Xcendre avec chaque X en tant que masse fractionnelle pour le carbone (C), l'hydrogène (H), le soufre (S), l'azote (N), l'oxygène (O) et la teneur en cendres restantes. L'azote et l'oxygène ont un effet néfaste sur HHV car ils ne contribuent pas à la libération de chaleur, contrairement aux autres éléments et molécules.
Densité énergétique du biodiesel
Les carburants biodiesel constituent une méthode respectueuse de l'environnement pour la production de carburants, à la place d'autres carburants plus nocifs. Ils sont créés à partir d'huiles naturelles, d'extraits de soja et d'algues. Cette source de carburant renouvelable engendre moins de pollution pour l'environnement et est généralement mélangée à des carburants à base de pétrole (essence et diesel). Cela en fait des candidats idéaux pour étudier la quantité d'énergie utilisée par un carburant en utilisant des quantités telles que la densité énergétique et le contenu énergétique.
Malheureusement, du point de vue de la teneur en énergie, les biodiesels contiennent une grande quantité d'oxygène et produisent donc des valeurs d'énergie inférieures à celles de leur masse (en unités de MJ / kg). Le biodiesel a une teneur en masse d'environ 10% inférieure. Le B100, par exemple, a un contenu énergétique de 119 550 Btu / gal.
Le bilan énergétique est un autre moyen de mesurer la quantité d'énergie utilisée par un carburant: 4,56 pour le biodiesel. Cela signifie que les biodiesels produisent 4,56 unités d'énergie pour chaque unité d'énergie fossile utilisée. D'autres carburants contiennent plus d'énergie, comme le B20, un mélange de diesel et de biomasse. Ce carburant contient environ 99% de l'énergie d'un gallon de diesel ou 109% de l'énergie d'un gallon d'essence.
Des méthodes alternatives existent pour déterminer l'efficacité de la chaleur dégagée par la biomasse en général. Les scientifiques et les ingénieurs qui étudient la biomasse utilisent la méthode du calorimètre à la bombe pour mesurer la chaleur dégagée par la combustion qui est transférée dans l'air ou dans l'eau entourant le conteneur. À partir de là, vous pouvez déterminer le HHV pour la biomasse.