Hustota energie - Energy density

Hustota energie je částka energie uloženy v daném systému nebo oblasti vesmíru na jednotku objem. Může být také použit pro energii na jednotku Hmotnost, ačkoli přesný termín pro toto je specifická energie (nebo gravimetrická hustota energie). Často pouze užitečný nebo extrahovatelná energie se měří, což znamená, že nepřístupná energie (jako např odpočinková hmota energie) je ignorována.^[1] v kosmologický a další obecné relativistické v kontextech jsou však uvažovány energetické hustoty, které odpovídají prvkům tenzor napětí a energie a proto zahrnují hmotovou energii i energetické hustoty spojené s tlaky popsanými v následujícím odstavci.

Energie na jednotku objemu má stejné fyzické jednotky jako tlak, a za mnoha okolností je a synonymum: například hustota energie magnetického pole může být vyjádřena jako (a chová se) fyzickým tlakem a energii potřebnou k trochu většímu stlačení stlačeného plynu lze určit vynásobením rozdílu mezi tlakem plynu a vnějším tlak změnou objemu. Stručně řečeno, tlak je měřítkem entalpie na jednotku objemu systému. A tlakový gradient má potenciál hrát práce na okolí převedením entalpie na práci, dokud nebude dosaženo rovnováhy.

Úvod do hustoty energie

V materiálech jsou uloženy různé druhy energie a uvolnění každého druhu energie vyžaduje určitý typ reakce. V pořadí podle typické velikosti uvolněné energie jsou tyto typy reakcí: jaderné, chemické, elektrochemické a elektrické.

Jaderné reakce odehrávají se ve hvězdách a jaderných elektrárnách, přičemž obě energie pocházejí z vazebné energie jader. Chemické reakce jsou používána zvířaty k získávání energie z potravin a automobily k získávání energie z benzínu. Kapalné uhlovodíky (paliva jako benzín, nafta a petrolej) jsou dnes nejhustší způsob, jak je známo, že ekonomicky ukládají a přepravují chemickou energii ve velmi velkém měřítku (1 kg motorové nafty hoří kyslíkem obsaženým v ~ 15 kg vzduchu). Elektrochemické reakce jsou používány většinou mobilních zařízení, jako jsou notebooky a mobilní telefony, k uvolnění energie z baterií.

Druhy energetického obsahu

Existuje několik různých typů energetického obsahu. Jedním z nich je teoretické celkové množství termodynamická práce které lze odvodit ze systému s danou teplotou a tlakem pro okolí. Tomu se říká exergie. Dalším je teoretické množství práce, ze kterého lze odvodit reaktanty které jsou zpočátku při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku. To je dáno změnou standardu Gibbsova volná energie. Ale jako zdroj teplo nebo pro použití v a tepelný motor, příslušným množstvím je změna standardu entalpie nebo spalné teplo.

Existují dva druhy spalného tepla:

• Vyšší hodnota (HHV) neboli hrubé spalné teplo zahrnuje veškeré teplo uvolněné při ochlazení produktů na pokojovou teplotu a kondenzace jakékoli vodní páry.
• Nižší hodnota (LHV) nebo čisté spalovací teplo nezahrnuje teplo, které by se mohlo uvolnit kondenzací vodní páry, a nemusí zahrnovat teplo uvolněné při chlazení až na teplotu místnosti.

Praktická tabulka HHV a LHV některých paliv je uvedena v referencích.^[2]

Hustota energie při skladování energie a v palivu

Graf vybraných hustot energie^{[3][4][5][6][7][8][9]}

v zásobárna energie aplikace souvisí s hustotou energie energie v energetickém skladu na objem skladovacího zařízení, např. the palivo nádrž. Čím vyšší je energetická hustota paliva, tím více energie může být uloženo nebo přepraveno pro stejné množství objemu. Energetická hustota paliva na jednotku hmotnosti se nazývá specifická energie toho paliva. Obecně an motor používání tohoto paliva bude generovat méně Kinetická energie kvůli neefektivnosti a termodynamické úvahy - proto měrná spotřeba paliva motoru bude vždy větší než jeho rychlost produkce kinetické energie pohybu.

Široké důsledky

Hustota energie se liší od účinnost přeměny energie (čistý výstup na vstup) nebo ztělesněná energie (náklady na výstup energie, které je třeba poskytnout, as) sklizeň, rafinace, distribuce a jednání znečištění všichni používají energii). Rozsáhlé, intenzivní využívání energie má dopad a je ovlivněno klima, skladování odpadu, a environmentální důsledky.

Žádná jednotlivá metoda skladování energie se nechlubí tím nejlepším měrný výkon, specifická energie a hustota energie. Peukertův zákon popisuje, jak množství užitečné energie, které lze získat (pro olověný článek), závisí na tom, jak rychle je vytaženo. Abychom maximalizovali jak specifickou energii, tak hustotu energie, můžeme vypočítat měrná hustota energie látky vynásobením dvou hodnot dohromady, kde čím vyšší číslo, tím lépe látka účinně ukládá energii.

Jsou diskutovány alternativní možnosti skladování energie pro zvýšení hustoty energie a zkrácení doby nabíjení.^{[10][11][12][13]}

Gravimetrické a objemový energetická hustota některých paliv a technologie skladování (upravené z Benzín článek):

Poznámka: Některé hodnoty nemusí být přesné kvůli izomery nebo jiné nesrovnalosti. Vidět Hodnota vytápění pro komplexní tabulku specifických energií důležitých paliv.

Poznámka: Je také důležité si uvědomit, že hodnoty hustoty chemických paliv obecně nezahrnují hmotnost kyslíku potřebnou ke spalování. Jedná se obvykle o dva atomy kyslíku na atom uhlíku a jeden na dva atomy vodíku. The atomová hmotnost uhlíku a kyslíku jsou podobné, zatímco vodík je mnohem lehčí než kyslík. Takto jsou uvedeny údaje pro ta paliva, kde by se vzduch v praxi přiváděl pouze lokálně k hořáku. To vysvětluje zjevně nižší energetickou hustotu materiálů, které již obsahují vlastní oxidační činidlo (například střelný prach a TNT), kde hmotnost oxidačního činidla ve skutečnosti přidává mrtvou hmotnost a absorbuje část energie spalování, aby se oddělila a uvolnila kyslík, aby pokračovala reakce. To také vysvětluje některé zjevné anomálie, jako je například hustota energie sendviče, která se zdá být vyšší než hustota dynamitu.

Tabulky energetického obsahu

Tento článek nebo část se zdá být v rozporu. Přečtěte si prosím diskusní stránka Pro více informací. (Dubna 2019)

Některé z této části uvedené zdroje nemusí být spolehlivý. Pomozte prosím tomuto článku hledat lepší a spolehlivější zdroje. Nespolehlivé citace mohou být zpochybněny nebo smazány. (Únor 2020) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Pokud není uvedeno jinak, hodnoty v následující tabulce jsou nižší hodnoty vytápění pro dokonalé spalování nepočítáme-li hmotnost nebo objem okysličovadla. Následující převody jednotek mohou být užitečné při zvažování údajů v tabulce: 3.6MJ = 1 kW⋅h ≈ 1.34 hp⋅h.

Protože 1 J = 10^-6 MJ a 1 m³ = 10³ L, rozděl joule /m³ do 10⁹ dostat MJ /L = GJ / m³. Rozdělte MJ / L o 3,6 a získejte kW⋅h / L.

Kapacita akumulace mechanické energie, nebo odolnost, a Hookean materiál, který je deformován do bodu porušení, lze vypočítat výpočtem pevnosti v tahu krát maximálního prodloužení děleno dvěma. Maximální prodloužení hookeanského materiálu lze vypočítat dělením tuhosti tohoto materiálu jeho konečnou pevností v tahu. Následující tabulka uvádí tyto hodnoty vypočítané pomocí Youngova modulu jako míry tuhosti:

Tabulka energetického obsahu baterií:

Zdroje jaderné energie

Největším zdrojem energie zdaleka je samotná hmota. Tato energie, E = mc², kde m = ρV, ρ je hmotnost na jednotku objemu, PROTI je objem samotné hmoty a C je rychlost světla. Tato energie však může být uvolněna pouze procesy jaderné štěpení (0.1%), jaderná fůze (1%), nebo zničení části nebo celé hmoty ve svazku PROTI podle hmoty-antihmota kolize (100%).^{[Citace je zapotřebí ]} Jaderné reakce nelze uskutečnit chemickými reakcemi, jako je spalování. I když lze dosáhnout větší hustoty hmoty, hustota a neutronová hvězda by se přiblížil nejhustšímu systému, který je schopný zničení hmoty a antihmoty. A Černá díra, i když je hustší než neutronová hvězda, nemá ekvivalentní antičásticovou formu, ale nabízí stejnou 100% míru převodu hmoty na energii ve formě Hawkingova záření. V případě relativně malých černých děr (menších než astronomické objekty) by byl výstupní výkon ohromný.

Kromě antihmoty jsou zdroje energie s nejvyšší hustotou fúze a štěpení. Fúze zahrnuje energii ze slunce, která bude k dispozici po miliardy let (ve formě slunečního světla), ale zatím (2018), trvale fúzní síla výroba je i nadále nepolapitelná.

Síla štěpení uranu a thoria v jaderná energie rostliny budou k dispozici po mnoho desetiletí nebo dokonce staletí z důvodu velkého množství prvků na Zemi,^[79] plný potenciál tohoto zdroje lze realizovat pouze prostřednictvím rozmnožovací reaktory, které jsou kromě Reaktor BN-600, dosud komerčně nepoužíváno.^[80] Uhlí, plyn, a ropa jsou aktuální primární zdroje energie v USA^[81] ale mají mnohem nižší hustotu energie. Hořící místní biomasa paliva dodává energetické potřeby domácnosti (ohně na vaření, olejové lampy atd.) po celém světě.

Tepelná energie jaderných štěpných reaktorů

Hustota tepelné energie obsažená v jádru a lehkovodní reaktor (PWR nebo BWR ) typicky 1 GWe (1 000 MW elektrické, což odpovídá ~ 3 000 MW tepelné) se pohybuje v rozmezí 10 až 100 MW tepelné energie na metr krychlový chladicí vody v závislosti na místě uvažovaném v systému (samotné jádro (~ 30 m³), tlaková nádoba reaktoru (~ 50 m³) nebo celý primární okruh (~ 300 m.)³)). To představuje značnou hustotu energie, která za všech okolností vyžaduje nepřetržitý tok vody vysokou rychlostí, aby bylo možné odstranit teplo z aktivní zóny, a to i po nouzovém odstavení reaktoru. Neschopnost ochladit tři jádra vroucí vodní reaktory (BWR) ve společnosti Fukušima v roce 2011 po tsunami a výsledná ztráta vnější elektrické energie a zdroje chladu byla příčinou roztavení tří jader za pouhých několik hodin, přestože tři reaktory byly správně odstaveny hned po Tōhoku zemětřesení. Tato extrémně vysoká hustota energie odlišuje jaderné elektrárny od jakýchkoli tepelných elektráren (spalujících uhlí, palivo nebo plyn) nebo od jakýchkoli chemických závodů a vysvětluje velkou redundanci potřebnou k trvalému ovládání reaktivita neutronů a k odstranění zbytkového tepla z aktivní zóny JE.

Hustota energie elektrických a magnetických polí

Elektrický a magnetické pole ukládat energii. Ve vakuu je (objemová) hustota energie dána vztahem

${ displaystyle u = { frac { varepsilon _ {0}} {2}} mathbf {E} ^ {2} + { frac {1} {2 mu _ {0}}} mathbf {B } ^ {2}}$

kde E je elektrické pole a B je magnetické pole. Řešení bude (v jednotkách SI) v joulech na metr krychlový. V kontextu magnetohydrodynamika „Fyzika vodivých tekutin se chová hustota magnetické energie jako další tlak který přidává k tlak plynu a plazma.

U normálních (lineárních a nedisperzních) látek je hustota energie (v jednotkách SI)

${ displaystyle u = { frac {1} {2}} ( mathbf {E} cdot mathbf {D} + mathbf {H} cdot mathbf {B})}$

kde D je pole elektrického posunu a H je magnetizační pole.

V případě nepřítomnosti magnetických polí explozí Fröhlichovy vztahy je také možné rozšířit tyto rovnice na anizotropní a nelineární dielektrika, stejně jako pro výpočet korelovaného Helmholtzova volná energie a entropie hustoty.^[82]

Když pulzní laser narazí na povrch, radiační expozice, tj. energii uloženou na jednotku povrchu, lze volat hustota energie nebo plynulost.^[83]

Viz také

Poznámky pod čarou

Další čtení

• Inflační vesmír: Pátrání po nové teorii kosmického původu autor Alan H. Guth (1998) ISBN  0-201-32840-2
• Kosmologická inflace a struktura velkého rozsahu Andrew R. Liddle, David H. Lyth (2000) ISBN  0-521-57598-2
• Richard Becker, „Elektromagnetická pole a interakce“, Dover Publications Inc., 1964

externí odkazy

• ^ „Paliva pro letadla.“ Energie, technologie a životní prostředí Vyd. Attilio Bisio. Sv. 1. New York: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259
• "Paliva budoucnosti pro osobní a nákladní automobily "- Dr. James J. Eberhardt - Energetická účinnost a obnovitelná energie, americké ministerstvo energetiky - Workshop emise naftových motorů z roku 2002 (DEER), San Diego, Kalifornie - 25. - 29. srpna 2002
• „Tepelné hodnoty různých paliv - Světová jaderná asociace“. www.world-nuclear.org. Citováno 4. listopadu 2018.
• „Energie a typy energie - Springer“ (PDF). Citováno 4. listopadu 2018.