Меню

Плотность энергии это единица измерения



Плотность энергии — Energy density

В физике , плотность энергии является количество энергии хранится в данной системе или области пространства на единицу объема . Его также можно использовать для обозначения энергии на единицу массы , хотя более точным термином для этого является удельная энергия (или гравиметрическая плотность энергии).

Часто измеряется только полезная или извлекаемая энергия, то есть недоступная энергия (например, энергия массы покоя ) игнорируется. Однако в космологическом и других общих релятивистских контекстах рассматриваемые плотности энергии соответствуют элементам тензора энергии-импульса и, следовательно, включают энергию массы, а также плотности энергии, связанные с давлениями, описанными в следующем абзаце.

Энергия на единицу объема имеет те же физические единицы, что и давление , и во многих случаях является синонимом : например, плотность энергии магнитного поля может быть выражена как (и ведет себя как) физическое давление, а энергия, необходимая для сжатия немного больше сжатого газа можно определить, умножив разницу между давлением газа и внешним давлением на изменение объема. Короче говоря, давление — это мера энтальпии на единицу объема системы. Градиент давления имеет потенциал для выполнения работ на окружающую среду путем преобразования энтальпию на работу до тех пор , пока не достигается равновесие.

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

В материалах хранятся разные типы энергии, и для высвобождения каждого типа энергии требуется определенный тип реакции. В порядке типичной величины выделяемой энергии эти типы реакций бывают: ядерные, химические, электрохимические и электрические.

Ядерные реакции происходят в звездах и на атомных электростанциях, обе из которых получают энергию из энергии связи ядер. Химические реакции используются животными для получения энергии из пищи и автомобилями для получения энергии из бензина. Жидкие углеводороды (такие как бензин, дизельное топливо и керосин) на сегодняшний день являются наиболее плотным из известных способов экономичного хранения и транспортировки химической энергии в очень больших масштабах (1 кг дизельного топлива горит с кислородом, содержащимся в ≈15 кг воздуха). Электрохимические реакции используются большинством мобильных устройств, таких как портативные компьютеры и мобильные телефоны, для высвобождения энергии из батарей.

Типы энергоемкости

Есть несколько различных типов содержания энергии. Один из них — это теоретический общий объем термодинамической работы, который может быть получен от системы с заданной температурой и давлением для окружающей среды. Это называется эксергия . Другой — это теоретический объем работы, который может быть получен из реагентов , которые изначально находятся при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это дается изменением стандартной свободной энергии Гиббса . Но в качестве источника тепла или для использования в тепловом двигателе релевантной величиной является изменение стандартной энтальпии или теплоты сгорания .

Есть два вида теплоты сгорания:

  • Более высокое значение (HHV), или общая теплота сгорания, включает все тепло, выделяемое при охлаждении продуктов до комнатной температуры и конденсации присутствующего водяного пара.
  • Нижнее значение (LHV), или чистая теплота сгорания, не включает тепло, которое может выделяться при конденсации водяного пара, и может не включать тепло, выделяющееся при полном охлаждении до комнатной температуры.

Удобную таблицу HHV и LHV некоторых видов топлива можно найти в справочных материалах.

В хранении энергии и топлива

В приложениях для хранения энергии плотность энергии связывает энергию в хранилище энергии с объемом хранилища, например, топливного бака. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии может быть сохранено или транспортировано для того же объема. Плотность энергии топлива на единицу массы называется удельной энергией этого топлива. В общем, двигатель, использующий это топливо, будет генерировать меньше кинетической энергии из-за неэффективности и термодинамических соображений — следовательно, удельный расход топлива двигателем всегда будет больше, чем его скорость производства кинетической энергии движения.

Плотность энергии отличается от эффективности преобразования энергии (чистый выход на вход) или воплощенной энергии (затраты на выработку энергии для обеспечения, поскольку сбор , переработка , распределение и борьба с загрязнением используют энергию). Крупномасштабное и интенсивное использование энергии оказывает влияние на климат , хранение отходов и экологические последствия .

Ни один из методов накопления энергии не может похвастаться лучшими по удельной мощности , удельной энергии и плотности энергии. Закон Пейкерта описывает, как количество полезной энергии, которое может быть получено (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, как быстро она извлекается. Чтобы максимизировать как удельную энергию, так и плотность энергии, можно вычислить удельную плотность энергии вещества, умножив два значения вместе, где чем выше число, тем лучше вещество сохраняет энергию.

Обсуждаются альтернативные варианты хранения энергии для увеличения плотности энергии и сокращения времени зарядки.

На рисунке справа показаны гравиметрическая и объемная плотность энергии некоторых видов топлива и технологий хранения (изменено из статьи о бензине ).

Примечание. Некоторые значения могут быть неточными из-за изомеров или других отклонений. См. « Теплотворная способность» для получения подробной таблицы удельной энергии важных видов топлива. Примечание. Также важно понимать, что обычно значения плотности химического топлива не включают вес кислорода, необходимый для сгорания. Обычно это два атома кислорода на атом углерода и один на два атома водорода. Атомный вес углерода и кислород подобен, в то время как водород намного легче , чем кислород. Цифры представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух будет втягиваться в горелку только локально. Это объясняет явно более низкую плотность энергии материалов, которые уже включают в себя свой собственный окислитель (например, порох и тротил), где масса окислителя фактически добавляет мертвый вес и поглощает часть энергии сгорания для диссоциации и высвобождения кислорода для продолжения Реакция. Это также объясняет некоторые очевидные аномалии, такие как плотность энергии сэндвича, который кажется выше, чем у динамитной шашки.

Список плотностей материальной энергии

При рассмотрении данных в таблицах могут оказаться полезными следующие преобразования единиц измерения: 3,6 МДж = 1 кВт⋅ч ≈ 1,34 л.с.⋅ч . Поскольку 1 Дж = 10 −6 МДж и 1 м 3 = 10 3 л, разделите джоуль / м 3 на 10 9, чтобы получить МДж / л = ГДж / м 3 . Разделите МДж / л на 3,6, чтобы получить кВт⋅ч / л.

В ядерных реакциях

Плотность энергии
Единица СИ Дж / м 3
В базовых единицах СИ м −1 кг⋅с −2
Энергия, выделяемая в результате ядерных реакций

Материал Удельная энергия
(МДж / кг)
Плотность энергии
(МДж / л)
Удельная энергия
( Вт⋅ч / кг )
Плотность энергии
(Вт⋅ч / л)
Комментарий
Антивещество 89,875,517,874 ≈ 90 ПДж / кг Зависит от плотности формы антивещества 24,965,421,631,578 ≈ 25 ТВтч / кг Зависит от плотности формы антивещества Аннигиляция с учетом как поглощенной массы антивещества, так и массы обычного вещества.
Водород (термоядерный) 639 780 320, но не менее 2% из них теряется из-за нейтрино . Зависит от условий 177 716 755 600 Зависит от условий Реакция 4H → 4 He
Дейтерий (синтез) 571 182 758 Зависит от условий 158 661 876 600 Зависит от условий Предлагаемая схема слияния для D + D → 4 He, путем объединения D + D → T + H, T + D → 4 He + n, n + H → D и D + D → 3 He + n, 3 He + D → 4 He + H, n + H → D
Дейтерий + тритий (синтез) 337 387 388 Зависит от условий 93 718 718 800 Зависит от условий D + T → 4 He + n Развивается.
Плутоний-239 83 610 000 1 300 000 000–1 700 000 000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) 23 222 915 000 370,000,000,000–460,000,000,000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) Тепло, произведенное в реакторе деления
Плутоний-239 31 000 000 490 000 000–620 000 000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) 8 700 000 000 140,000,000,000–170,000,000,000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) Электроэнергия, произведенная в реакторе деления
Уран 80 620 000 1 539 842 000 22 394 000 000 Тепло, произведенное в реакторе-размножителе
Торий 79 420 000 929 214 000 22 061 000 000 Тепло, произведенное в реакторе-размножителе (экспериментально)
Плутоний-238 2 239 000 43 277 631 621 900 000 Радиоизотопный термоэлектрический генератор . Обратите внимание, что тепло вырабатывается только в размере 0,57 Вт / г.

В химических реакциях (окислении)

Если не указано иное, значения в следующей таблице являются более низкими значениями теплотворной способности для идеального сгорания , не считая массы или объема окислителя.

Энергия, выделяемая в результате химических реакций (окисление)

Материал Удельная энергия
(МДж / кг)
Плотность энергии
(МДж / л)
Удельная энергия
( Вт⋅ч / кг )
Плотность энергии
(Вт⋅ч / л)
Комментарий
Водород, жидкость 141,86 ( HHV )
119,93 ( LHV )
10,044 (HHV)
8,491 (LHV)
39 405,6 39 405,6 (HHV)
33 313,9 (LHV)
2790,0 (HHV)
2358,6 (LHV)
Значения энергии действительны после повторного нагрева до 25 ° C.
Водород, при 690 бар и 25 ° C 141,86 (HHV)
119,93 (LHV)
5,323 (HHV)
4,500 (LHV)
39 405,6 39 405,6 (HHV)
33 313,9 (LHV)
1478,6 (HHV)
1250,0 (LHV)
Водород, газ , 1 атм , 25 ° C 141,86 (HHV)
119,93 (LHV)
0,01188 (HHV)
0,01005 (LHV)
39 405,6 39 405,6 (HHV)
33 313,9 (LHV)
3,3 (HHV)
2,8 (LHV)
Диборан 78,2 21 722,2
Бериллий 67,6 125,1 18 777,8 34 750,0
Боргидрид лития 65,2 43,4 18 111,1 12 055,6
Бор 58,9 137,8 16 361,1 38 277,8
Метан (1,013 бар, 15 ° C) 55,6 0,0378 15 444,5 10,5
СПГ (ПГ при -160 ° C) 53,6 22,2 14 888,9 6 166,7
СПГ (сжатый газ до 250 бар / ≈3 600 фунтов на кв. Дюйм) 53,6 9 14 888,9 2,500,0
Натуральный газ 53,6 0,0364 14 888,9 10.1
LPG пропан 49,6 25,3 13 777,8 7 027,8
Сжиженный нефтяной газ бутан 49,1 27,7 13 638,9 7 694,5
Бензин (бензин) 46,4 34,2 12 888,9 9 500,0
Полипропиленовый пластик 46,4 41,7 12 888,9 11 583,3
Полиэтиленовый пластик 46,3 42,6 12 861,1 11 833,3
Жидкое отопление 46,2 37,3 12 833,3 10 361,1
Дизельное топливо 45,6 38,6 12 666,7 10 722,2
100LL Avgas 44,0 31,59 12 222,2 8 775,0
Реактивное топливо (например, керосин ) 43 год 35 год Авиационный двигатель
Бензохол Е10 (10% этанола 90% бензина по объему) 43,54 33,18 12 094,5 9 216,7
Литий 43,1 23,0 11 972,2 6 388,9
Биодизельное масло (растительное масло) 42,20 33 11 722,2 9 166,7
ДМФ (2,5-диметилфуран) 42 37,8 11 666,7 10 500,0
Сырая нефть ( тонна нефтяного эквивалента ) 41 868 37 11 630 10 278
Полистирол пластик 41,4 43,5 11 500,0 12 083,3
Телесный жир 38 35 год 10 555,6 9 722,2 Обмен веществ в организме человека (эффективность 22%)
Бутанол 36,6 29,2 10 166,7 8 111,1
Бензохол E85 (85% этанол 15% бензин по объему) 33,1 25,65 9 194,5 7 125,0
Графитовый 32,7 72,9 9 083,3 20 250,0
Уголь , антрацит 26–33 34–43 7 222,2–9 166,7 9 444,5–11 944,5 Цифры представляют идеальное сгорание без учета окислителя, но эффективность преобразования в электричество составляет ≈36%.
Кремний 1,790 4.5 500 1,285 Энергия, накопленная за счет перехода кремния из твердой фазы в жидкую
Алюминий 31,0 83,8 8 611,1 23 277,8
Этиловый спирт 30 24 8 333,3 6 666,7
DME 31,7 (HHV)
28,4 (LHV)
21,24 (HHV)
19,03 (LHV)
8 805,6 8 805,6 (HHV) 7
888,9 (LHV)
5 900,0 (HHV) 5
286,1 (LHV)
Полиэфирный пластик 26,0 35,6 7 222,2 9 888,9
Магний 24,7 43,0 6 861,1 11 944,5
Уголь , битуминозные 24–35 26–49 6 666,7–9 722,2 7 222,2–13 611,1
ПЭТ- пластик (нечистый) 23,5 6 527,8
Метанол 19,7 15,6 5 472,2 4 333,3
Гидразин (сгорает до N 2 + H 2 O) 19,5 19,3 5 416,7 5 361,1
Жидкий аммиак (сжигаемый до N 2 + H 2 O) 18,6 11,5 5 166,7 3 194,5
ПВХ пластик ( токсичный для неправильного горения ) 18.0 25,2 5 000,0 7 000,0
Дерево 18.0 5 000,0
Торфяной брикет 17,7 4 916,7
Сахар, углеводы и белок 17 26,2 ( декстроза ) 4 722,2 7 277,8 Обмен веществ в организме человека (эффективность 22%)
Кальций 15,9 24,6 4 416,7 6 833,3
Глюкоза 15.55 23,9 4 319,5 6 638,9
Сухой коровий навоз и верблюжий навоз 15.5 4 305,6
Уголь , бурый уголь 10–20 2 777,8–5 555,6
Натрий 13,3 12,8 3 694,5 3 555,6 сгорел до влажного гидроксида натрия
Торф 12,8 3 555,6
Нитрометан 11,3 3 138,9
Сера 9,23 19.11 2,563,9 5 308,3 сгорел до диоксида серы
Натрий 9.1 8,8 2,527,8 2444,5 сгорел до высыхания оксида натрия
Батарея воздушно-литиевая перезаряжаемая 9.0 2,500,0 Контролируемый электрический разряд
Домашние отходы 8.0 2222,2
Цинк 5,3 38,0 1 472,2 10 555,6
Утюг 5.2 40,68 1,444,5 11 300,0 сгорел до оксида железа (III)
Тефлоновый пластик 5.1 11.2 1416,7 3 111,1 горючий токсичный, но негорючий
Утюг 4.9 38,2 1,361,1 10 611,1 сгорел до оксида железа (II)
Порох 4,7–11,3 5,9–12,9
TNT 4,184 6,92
ANFO 3,7 1 027,8

Другие механизмы выпуска

Энергия, выделяемая электрохимическими реакциями или другими способами

Материал Удельная энергия
(МДж / кг)
Плотность энергии
(МДж / л)
Удельная энергия
( Вт⋅ч / кг )
Плотность энергии
(Вт⋅ч / л)
Комментарий
Батарея цинково-воздушная 1,59 6.02 441,7 1 672,2 Контролируемый электрический разряд
Жидкий азот 0,77 0,62 213,9 172,2 Максимальная обратимая работа при 77,4 К с резервуаром 300 К
Натрий-серная батарея 0,54–0,86 150–240
Сжатый воздух при 300 бар 0,5 0,2 138,9 55,6 Потенциальная энергия
Скрытая теплота плавления льда (термическая) 0,335 0,335 93,1 93,1
Литий-металлический аккумулятор 1,8 4,32 Контролируемый электрический разряд
Литий-ионный аккумулятор 0,36–0,875 0,9–2,63 100,00–243,06 250,00–730,56 Контролируемый электрический разряд
Маховик 0,36–0,5 5,3 Потенциальная энергия
Щелочная батарея 0,48 1.3 Контролируемый электрический разряд
Никель-металлогидридная батарея 0,41 0,504–1,46 Контролируемый электрический разряд
Свинцово-кислотная батарея 0,17 0,56 Контролируемый электрический разряд
Суперконденсатор ( EDLC ) 0,01–0,030 0,006–0,06 до 8,57 Контролируемый электрический разряд
Вода на высоте 100 м плотины 0,000981 0,000978 0,272 0,272 Цифры представляют потенциальную энергию, но эффективность преобразования в электричество составляет 85–90%.
Электролитический конденсатор 0,00001–0,0002 0,00001–0,001 Контролируемый электрический разряд

В деформации материала

Механическая емкость хранения энергии, или упругость , из Гука материала при его деформировании с точкой отказа может быть вычислена путем вычисления на растяжение раз превышаю прочность на максимальное удлинение деления на два. Максимальное удлинение материала Гука можно вычислить, разделив жесткость этого материала на его предел прочности на разрыв. В следующей таблице перечислены эти значения, вычисленные с использованием модуля Юнга в качестве меры жесткости:

Емкости механической энергии

Материал Плотность энергии по массе

Устойчивость : плотность энергии по объему

Резинка 1,651–6,605 2 200–8 900 1,35
Сталь, ASTM A228 (предел текучести, диаметр 1 мм) 1,440–1,770 11 200–13 800 7,80 210 2 170–2 410
Ацетали 908 754 0,831 2,8 65 (максимальная)
Нейлон-6 233–1 870 253–2 030 1.084 2–4 45–90 (максимальная)
Медь Бериллий 25-1 / 2 HT (выход) 684 5720 8,36 131 1,224
Поликарбонаты 433–615 520–740 1.2 2,6 52–62 (максимальная)
АБС-пластик 241–534 258–571 1.07 1,4–3,1 40 (максимум)
Акрил 1,530 3,2 70 (максимум)
Алюминий 7077-Т8 (урожай) 399 1120 2,81 71,0 400
Сталь нержавеющая , 301-Н (урожайность) 301 2,410 8.0 193 965
Эпоксидные смолы 113–1810 2–3 26–85 (максимальная)
Пихта Дугласа Вуд 158–200 96 .481 – .609 13 50 (сжатие)
Сталь, мягкая AISI 1018 42,4 334 7,87 205 370 (440 Максимальное)
Алюминий (нелегированный) 32,5 87,7 2,70 69 110 (максимальная)
Сосна (американская восточная белая, изгиб ) 31,8–32,8 11,1–11,5 0,350 8.30–8.56 (изгиб) 41,4 (изгиб)
Латунь 28,6–36,5 250–306 8,4–8,73 102–125 250 (максимальная)
Медь 23,1 207 8,93 117 220 (максимальная)
Стекло 5,56–10,0 13,9–25,0 2,5 50–90 50 (сжатие)

В батареях

Батареи энергетические мощности

Устройство хранения Энергетическое содержание
( Джоуль )
Тип энергии Типичная
масса (г)
Типовые размеры
(диаметр × высота в мм)
Типичный объем (мл) Плотность энергии
по объему (МДж / л)
Плотность энергии
по массе (МДж / кг)
Щелочная батарея AA 9 360 Электрохимический 24 14,2 × 50 7,92 1.18 0,39
Щелочная батарея C 34 416 Электрохимический 65 26 × 46 24,42 1,41 0,53
NiMH батарея AA 9 072 Электрохимический 26 14,2 × 50 7,92 1,15 0,35
NiMH C аккумулятор 19 440 Электрохимический 82 26 × 46 24,42 0,80 0,24
Литий-ионный аккумулятор 18650 28 800–46 800 Электрохимический 44–49 18 × 65 16,54 1,74–2,83 0,59–1,06

Источники ядерной энергии

На сегодняшний день величайшим источником энергии является сама масса. Эта энергия, E = mc 2 , где m = ρV , ρ — масса единицы объема, V — объем самой массы, а c — скорость света. Эта энергия, однако, может быть высвобождена только процессами ядерного деления (0,1%), ядерного синтеза (1%) или аннигиляции части или всей материи в объеме V столкновениями материи и антивещества (100%). . Ядерные реакции не могут быть реализованы химическими реакциями, такими как горение. Хотя можно достичь большей плотности материи, плотность нейтронной звезды будет приближаться к наиболее плотной системе, способной к аннигиляции материи и антивещества. Черная дыра , хотя более плотный , чем нейтронная звезда, не имеет эквивалентную формы анти-частиц, но была бы предложить такую же степень конверсии 100% массы в энергию в виде излучения Хокинга. В случае относительно небольших черных дыр (меньше, чем астрономические объекты) выходная мощность будет огромной.

Источниками энергии с самой высокой плотностью, помимо антивещества, являются синтез и деление . Термоядерный синтез включает в себя энергию солнца, которая будет доступна в течение миллиардов лет (в форме солнечного света), но до сих пор (2021 год) устойчивое производство термоядерной энергии по- прежнему остается труднодостижимым.

Энергия расщепления урана и тория на атомных электростанциях будет доступна в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обильных запасов элементов на Земле, хотя весь потенциал этого источника может быть реализован только через реакторы-размножители , которые, помимо прочего, от реактора БН-600 , коммерчески не используется. Уголь , газ и нефть являются текущими основными источниками энергии в США, но имеют гораздо более низкую плотность энергии. Сжигание местного топлива из биомассы обеспечивает потребности домашних хозяйств в энергии ( камины , масляные лампы и т. Д.) По всему миру.

Тепловая мощность ядерных реакторов деления

Плотность тепловой энергии, содержащейся в активной зоне легководного реактора ( PWR или BWR ), обычно составляет 1 ГВт (1000 МВт электрической, что соответствует ≈3 000 МВт тепловой) находится в диапазоне от 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубический метр. метр охлаждающей воды в зависимости от рассматриваемого места в системе (сама активная зона (≈30 м 3 ), корпус реактора (≈50 м 3 ) или весь первый контур (≈300 м 3 )). Это представляет собой значительную плотность энергии, которая требует при любых обстоятельствах непрерывного потока воды с высокой скоростью, чтобы иметь возможность отводить тепло от активной зоны даже после аварийного останова реактора. Неспособность охладить активные зоны трех реакторов с кипящей водой (BWR) на Фукусиме в 2011 году после цунами и связанная с этим потеря внешней электроэнергии и источника холода стали причиной расплавления трех активных зон всего за несколько часов. , хотя сразу после землетрясения Тохоку все три реактора были правильно остановлены . Эта чрезвычайно высокая удельная мощность отличает атомные электростанции (АЭС) от любых тепловых электростанций (сжигающих уголь, топливо или газ) или любых химических заводов и объясняет большую избыточность, необходимую для постоянного контроля нейтронной реактивности и отвода остаточного тепла из активной зоны. АЭС.

Плотность энергии электрического и магнитного полей

Электрические и магнитные поля хранят энергию. В вакууме (объемная) плотность энергии определяется выражением

ты знак равно ε 0 2 E 2 + 1 2 μ 0 B 2 <\ displaystyle u = <\ frac <\ varepsilon _ <0>> <2>> \ mathbf ^ <2>+ <\ frac <1><2 \ mu _ <0>>> \ mathbf ^ <2>>

где Е представляет собой электрическое поле и B является магнитным полем . Решение будет (в единицах СИ) в Джоулях на кубический метр. В контексте магнитогидродинамики , физики проводящих жидкостей, плотность магнитной энергии ведет себя как дополнительное давление, которое увеличивает давление газа в плазме .

В нормальных (линейных и недисперсных) веществах плотность энергии (в единицах СИ) равна

ты знак равно 1 2 ( E ⋅ D + ЧАС ⋅ B ) <\ Displaystyle и = <\ гидроразрыва <1><2>> (\ mathbf \ cdot \ mathbf + \ mathbf \ cdot \ mathbf )>

В случае отсутствия магнитных полей, используя соотношения Фрелиха, можно также распространить эти уравнения на анизотропные и нелинейные диэлектрики, а также вычислить коррелированные плотности свободной энергии и энтропии Гельмгольца .

Когда импульсный лазер воздействует на поверхность, излучение , то есть энергия, выделяемая на единицу поверхности, можно назвать плотностью энергии или флюенсом.

Источник

Читайте также:  Чем измерить частоту кадров