Плотность энергии | |
---|---|
Единица СИ | J /m |
В Основные единицы СИ | кг · Мс |
Производные от. других величин | U = E /V |
Плотность энергии - это количество энергии, хранящейся в данной системе или области пространства на единицу том. Его также можно использовать для обозначения энергии на единицу массы, хотя точным термином для этого является удельная энергия. Часто измеряется только полезная или извлекаемая энергия, то есть недоступная энергия (такая как масса покоя энергия) игнорируется. Однако в космологическом и других общих релятивистских контекстах учитываются плотности энергии, которые соответствуют элементам тензора энергии-импульса и, следовательно, включают массу энергия, а также плотности энергии, связанные с давлениями, описанными в следующем параграфе.
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 выражается как физическое давление (и ведет себя как), а энергия, необходимая для большего сжатия сжатого газа, может быть определена путем умножения разницы между давлением газа и внешним давлением на изменение объема. Короче говоря, давление - это мера энтальпии на единицу объема системы. градиент давления может выполнять работу с окружающей средой путем преобразования энтальпии в работу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.
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 виды топлива, 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.
Есть несколько различных типов содержания энергии. Один из них - это теоретический общий объем термодинамической работы, который может быть получен из системы при заданных температуре и давлении окружающей среды. Это называется эксергия. Другой пример - 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.
Существует два вида теплоты сгорания:
Удобную таблицу HHV и LHV некоторых видов топлива можно найти в справочных материалах.
В накоплении энергии В приложениях плотность энергии связывает энергию в накопителе энергии с объемом накопителя, например топливный бак . Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии может быть сохранено или транспортировано в том же объеме. Плотность энергии топлива на единицу массы называется удельной энергией этого топлива. Как правило, двигатель , использующий это топливо, будет генерировать меньше кинетической энергии из-за неэффективности и термодинамических соображений - отсюда конкретное топливо потребление двигателя 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 энергии на обеспечение, поскольку сбор урожая, очистка, распределение и устранение загрязнения используют энергию). Крупномасштабное интенсивное энергопотребление оказывает воздействие и подвергается воздействию климата, хранения отходов и экологических последствий.
Ни один метод накопления энергии не может похвастаться лучшими в конкретных мощность, удельная энергия и плотность энергии. Закон Пойкерта описывает, как количество полезной энергии, которое может быть получено (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, как быстро он извлекается. Чтобы максимизировать как удельную энергию, так и плотность энергии, можно вычислить удельную плотность энергии вещества, умножив два значения вместе, где чем больше число, тем лучше вещество в плане эффективного хранения энергии.
Обсуждаются альтернативные варианты накопления энергии для увеличения плотности энергии и сокращения времени зарядки.
Гравиметрическая и объемная удельная энергия некоторых видов топлива и технологий хранения (изменено из Бензин артикул):
Если не указано иное, значения в следующей таблице более низкая теплотворная способность для идеального сгорания без учета массы или объема окислителя. При рассмотрении данных в таблице могут оказаться полезными следующие преобразования единиц измерения: 3,6 МДж = 1 кВт⋅ч ≈ 1,34 л.с.⋅ч.
Тип накопителя | Удельная энергия. (МДж / кг) | Плотность энергии. (МДж / л) | Удельная энергия. (Вт⋅ч / кг ) | Плотность энергии. (Вт⋅ч / л) | Как выделяется энергия и Комментарии |
---|---|---|---|---|---|
Антивещество | 89,875,517,874 | Зависит от плотность формы антивещества | 24,965,421,631,578 | Зависит от плотности формы антивещества | Аннигиляция, с учетом как поглощенной массы антивещества, так и массы обычного вещества |
Водород (синтез) | 639,780,320, но не менее 2% из них теряется на нейтрино. | Зависит от условий | 177,716,755,600 | Зависит от условий | Реакция 4H → He |
Дейтерий. | 571,182,758 | Зависит от условий | 158,661,876,600 | Зависит от условий | Предложено схема слияния e для D + D → He, комбинируя D + D → T + H, T + D → He + n, n + H → D и D + D → He + n, He + D → He + H, n + H → D |
Дейтерий +тритий | 337,387,388 | Зависит от условий | 93,718,718,800 | Зависит от условий | D + T → 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 (Зависит от кристаллографической фазы ) | 8,700,000,000 | 140,000,000,000–170,000,000,000 ( Зависит от кристаллографической фазы ) | Электроэнергия, произведенная в реакторе деления |
уран | 80,620,000 | 1,539,842,000 | 22,394,000,000 | Тепло, произведенное в селекционере реактор | |
Торий | 79,420,000 | 929,214,000 | 22,061,000,000 | Тепло, произведенное в реакторе-размножителе (экспериментальный) | |
Плутоний-238 | 2,239,000 | 43,277,631 | 621,900,000 | Радиоизотопный термоэлектрический генератор. Обратите внимание, что тепло выделяется только со скоростью 0,57 Вт / г. | |
Водород, жидкий | 141,86 (HHV ). 119,93 (LHV ) | 10,044 (HHV). 8,491 (LHV) | 39,405,639,405,6 (HHV). 33,313,9 (LHV) | 2,790,0 (HHV). 2358,6 ( LHV) | Значения энергии действительны для 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) | 39,405,639, 405,6 (HHV). 33,313,9 (LHV) | 1478,6 (HHV). 1,250,0 (LHV) | |
Водород, газ, 1 атм, 25 ° C | 141,86 (HHV). 119,93 (LHV) | 0,01188 (HHV). 0,01005 (LHV) | 39,405,639,405,6 (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 | |
CNG (ПГ, сжатый до 250 бар / ~ 3600 фунтов на кв. Дюйм) | 53,6 | 9 | 14 888,9 | 2,500,0 | |
Природный 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 | Сгорел внутри двигателей внутреннего сгорания. Тепловой КПД от 20 до 40%. |
Полипропилен пластик | 46,4 | 41,7 | 12,888,9 | 11,583,3 | |
Полиэтилен пластик | 46,3 | 42,6 | 12,861,1 | 11,833,3 | |
Жилой мазут | 46,2 | 37,3 | 12,833,3 | 10,361,1 | |
Дизельное топливо | 45,6 | 38,6 | 12,666,7 | 10,722,2 | Сгорает внутри двигателей внутреннего сгорания. Тепловой КПД от 25 до 40%. |
100LL Авгаз | 44.0 | 31,59 | 12,222,2 | 8,775,0 | |
Реактивное топливо (например, Керосин ) | 43 | 35 | Авиационный двигатель | ||
Бензохол E10 (10% этанола 90% бензина по объему) | 43,54 | 33,18 | 12 094,5 | 9216,7 | |
Литий | 43,1 | 23,0 | 11,972,2 | 6,388,9 | |
Биодизельное топливо масло (растительное масло) | 42,20 | 33 | 11,722,2 | 9166,7 | |
ДМФ (2,5-диметилфуран) | 42 | 37,8 | 11,666,7 | 10,500,0 | |
Нефть (согласно определению тонна нефтяного эквивалента ) | 41,868 | 37 | 11630 | 10,278 | |
полистирол пластик | 41,4 | 43,5 | 11,500,0 | 12,083,3 | |
Жир | 38 | 35 | 10,555,6 | 9,722,2 | Метаболизм в организме человека (эффективность 22%) |
Бутанол | 36,6 | 29,2 | 10166,7 | 8111,1 | |
Бензохол E85 (85% этанол 15% бензина по объему) | 33,1 | 25,65 | 9,194,5 | 7,125,0 | |
Графит | 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 собой идеальное горение, а не с учетом окислителя, но эффективность преобразования в электричество составляет ~ 36% |
Кремний | 1,790 | 4,5 | 500 | 1,285 | Накопленная энергия через переход твердой фазы в жидкую кремний |
Алюминий | 31,0 | 83,8 | 8,611,1 | 23,277,8 | |
Этанол | 30 | 24 | 8333,3 | 6666,7 | |
DME | 31,7 (HHV). 28,4 (LHV) | 21,24 (HHV). 19,03 (LHV) | 8 805,68 805,6 (HHV). 7 888,9 (LHV) | 5 900,0 (HHV). 5 286,1 (LHV) | |
Полиэстер пластик | 26,0 | 35,6 | 7,222,2 | 9,888,9 | |
Магний | 24,7 | 43,0 | 6,861,1 | 11 944,5 | |
Уголь, битуминозный | 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 (сгорел до N 2+H2O) | 19,5 | 19,3 | 5416,7 | 5,361,1 | |
Жидкий аммиак (сгорает до N 2+H2O) | 18,6 | 11,5 | 5166,7 | 3,194,5 | |
ПВХ пластик (неподходящий токсичный для горения ) | 18,0 | 25,2 | 5,000,0 | 7,000,0 | |
Дерево | 18,0 | 5,000,0 | |||
Пурпур брикет | 17,7 | 4,916,7 | |||
Сахар, углеводы и белок | 17 | 26,2 (декстроза ) | 4,722,2 | 7,277,8 | Метаболизм 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, лигнит | 10–20 | 2 777,8–5 555,6 | |||
Натрий | 13,3 | 12,8 | 3694,5 | 3555,6 | обожженный до влажного гидроксида натрия |
Торф | 12,8 | 3555,6 | |||
Нитрометан | 11,3 | 3138,9 | |||
Сера | 9,23 | 19,11 | 2563,9 | 5308,3 | сгорел до диоксида серы |
Натрий | 9,1 | 8,8 | 2527,8 | 2,444,5 | сгорел до высыхания оксида натрия |
Батарея, воздушно-литиевая перезаряжаемая | 9,0 | 2,500,0 | Контролируемый электрический разряд | ||
Бытовые отходы | 8,0 | 2,222,2 | |||
Цинк | 5,3 | 38,0 | 1472,2 | 10,555,6 | |
Железо | 5,2 | 40,68 | 1444,5 | 11300,0 | обожженный до оксида железа (III) |
Тефлон пластик | 5,1 | 11,2 | 1416,7 | 3,111,1 | токсичен для горения, но не воспламеняется |
Железо | 4,9 | 38,2 | 1,361,1 | 10,611,1 | сгорело до железа ( II) оксид |
Порох | 4,7–11,3 | 5,9–12,9 | |||
TNT | 4. 184 | 6,92 | |||
ANFO | 3,7 | 1027,8 | |||
Батарея, воздушно-цинковая | 1,59 | 6,02 | 441,7 | 1,672,2 | Управляемый электрический разряд |
Жидкий азот | 0,77 | 0,62 | 213,9 | 172,2 | Максимальный обратимый 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 | Управляемый электрический разряд | ||
Литий-ионный аккумулятор | 0,36– 0,875 | 0,9–2,63 | 100,00–243,06 | 250,00–730,56 | Управляемый электрический разряд |
Маховик | 0,36–0,5 | 5,3 | Потенциальная энергия | ||
Щелочная батарея | 0,48 | 1,3 | Управляемый электрический разряд | ||
Никель-металлогидридная батарея | 0,41 | 0,504 –1,4 6 | Управляемый электрический разряд | ||
Свинцово-кислотная батарея | 0,17 | 0,56 | Управляемый электрический разряд | ||
Суперконденсатор (EDLC ) | 0,01–0,030 | 0,006–0,06 | до 8,57 | Управляемый электрический разряд | |
Вода на высоте плотины 100 м | 0,000981 | 0,000978 | 0,272 | 0,272 | Цифры представляют потенциальную энергию, но КПД преобразования в электричество составляет 85–90% |
Электролитический конденсатор | 0,00001–0,0002 | 0,00001–0,001 | Управляемый электрический разряд | ||
Тип накопителя | Плотность энергии по массе (МДж / кг) | Плотность энергии по объему (МДж / л) | Удельная энергия (Вт Ч / кг) | Плотность энергии (Вт⋅ч / л) | Как выделяется энергия и комментарии |
Разделите джоуль /m на 10, чтобы получить MJ /L. Разделите МДж / л на 3,6, чтобы получить кВт⋅ч / л.
Емкость накопления механической энергии или упругость материала Hookean, когда он деформирован до точки разрушения, можно вычислить, вычислив предел прочности на разрыв, умноженный на максимум удлинение делится на два. Максимальное удлинение материала Гука можно вычислить, разделив жесткость этого материала на его предел прочности при растяжении. В следующей таблице перечислены эти значения, рассчитанные с использованием модуля Юнга в качестве меры жесткости:
Материал | Плотность энергии по массе (Дж / кг) | Устойчивость : Плотность энергии по объему (Дж / л) | Плотность (кг / л) | Модуль Юнга (ГПа) | Предел прочности при растяжении прочность (МПа) |
---|---|---|---|---|---|
Резиновая лента | 1,651–6,605 | 2,200–8,900 | 1,35 | ||
Сталь, ASTM A228 (урожай, 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 (абсолютный) |
Нейлон-6 | 233–1,870 | 253–2,030 | 1,084 | 2–4 | 45–90 (конечный) |
Медь Бериллий 25-1 / 2 HT (доходность) | 684 | 5,720 | 8,36 | 131 | 1,224 |
Поликарбонаты | 433–615 | 520–740 | 1,2 | 2,6 | 52–62 (окончательный) |
АБС-пластик | 241–534 | 258–571 | 1,07 | 1,4–3,1 | 40 (окончательный) |
Акрил | 1,530 | 3,2 | 70 (конечный) | ||
Алюминий 7077-T8 (выход) | 399 | 1120 | 2,81 | 71,0 | 400 |
Сталь, нержавеющая, 301-H (выход) | 301 | 2,410 | 8,0 | 193 | 965 |
Эпоксидные смолы | 113–1810 | 2–3 | 26–85 (окончательный) | ||
Древесина пихты Дугласа | 158–200 | 96 | .481–.609 | 13 | 50 (сжатие) |
Сталь, мягкая AISI 1018 | 42,4 | 334 | 7,87 | 205 | 370 (440 Ultimate) |
Алюминий (нелегированный) | 32,5 | 87,7 | 2,70 | 69 | 110 (предельная) |
Сосна (американская восточная белая, изгиб ) | 31,8–32,8 | 11,1–11,5 | .350 | 8,30–8,56 (изгиб) | 41,4 (изгиб) |
Латунь | 28,6–36,5 | 250–306 | 8,4–8,73 | 102–125 | 250 (конечный) |
Медь | 23,1 | 207 | 8,93 | 117 | 220 (окончательный) |
Стекло | 5,56–10,0 | 13,9–25,0 | 2,5 | 50–90 | 50 (сжатие) |
Таблица энергосодержания батарей:
Накопитель | Энергосодержание. (Джоуль ) | Тип энергии | Типичная. масса (г) | Типичные размеры. (диаметр × высота в мм) | Типичный объем (мл) | Энергия плотность. 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 |
Щелочной C аккумулятор | 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 | 24,4 2 | 0,80 | 0,24 |
Литий-ионный батарея 18650 | 28,800–46,800 | Электрохимический | 44– 49 | 18 × 65 | 16,54 | 1,74–2,83 | 0,59–1,06 |
Наибольшая энергия источником, безусловно, является сама масса. Эта энергия, E = mc, где m = ρV, ρ - масса единицы объема, V - объем самой массы, а c - скорость света. Эта энергия, однако, может быть высвобождена только в процессах ядерного деления (0,1%), ядерного синтеза (1%) или аннигиляции части или всей материи в объем V столкновениями материи - антиматерии (100%). Ядерные реакции не могут быть реализованы химическими реакциями, такими как горение. Хотя можно достичь большей плотности материи, плотность нейтронной звезды будет приближаться к самой плотной системе, способной к аннигиляции материи и антивещества. черная дыра, хотя и более плотная, чем нейтронная звезда, не имеет эквивалентной формы античастиц, но будет предлагать такую же 100% -ную скорость преобразования массы в энергию в форме 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 (2018 г.) устойчивое производство термоядерной энергии остается неуловимым.
Электроэнергия от деления урана и тория на атомных электростанциях будет доступна в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обильного предложения элементов на Земле, хотя весь потенциал этого источника могут быть реализованы только с помощью реакторов-размножителей, которые, кроме реактора БН-600, еще не используются в коммерческих целях. Уголь, газ и нефть являются текущими первичными источниками энергии в США, но имеют гораздо более низкую плотность энергии. Сжигание местного биомассы топлива обеспечивает потребности домашних хозяйств в энергии (костры, масляные лампы и т. Д.) По всему миру.
Плотность тепловой энергии, содержащейся в активной зоне легководного реактора (PWR или BWR ) обычно составляет 1 ГВт (электрическая мощность 1000 МВт соответствует ~ 3000 МВт тепловой) находится в диапазоне от 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубический метр охлаждающей воды в зависимости от рассматриваемого места в системе ( сама активная зона (~ 30 м), корпус реактора (~ 50 м) или весь первый контур (~ 300 м)). Это представляет собой значительную плотность энергии, которая требует при любых обстоятельствах непрерывного потока воды с высокой скоростью, чтобы иметь возможность отводить тепло из активной зоны даже после аварийного останова реактора. Неспособность охлаждать активные зоны трех реакторов с кипящей водой (BWR) на Фукусима в 2011 году после цунами и, как следствие, потеря внешнего источника электроэнергии и источник холода стал причиной расплавления трех ядер всего за несколько часов, хотя три реактора были правильно остановлены сразу после землетрясения Тохоку. Эта чрезвычайно высокая плотность мощности 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 устранения остаточное тепло от активной зоны АЭС.
Электрические и магнитные поля накапливают энергию. В вакууме (объемная) плотность энергии определяется выражением
, где E - это электрическое поле, а B - это магнитное поле. 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 добавляет к давлению газа в плазма.
В нормальных (линейных и недисперсных) веществах плотность энергии (в единицах СИ) равна
где D - поле электрического смещения и H - это намагничивающее поле.
В случае отсутствия магнитных полей, используя соотношения Фрелиха, эти уравнения также можно расширить до анизотропных и нелинейных диэлектриков, а также для расчета коррелированных свободной энергии Гельмгольца и энтропии плотностей.
Когда импульсный лазер воздействует на поверхность, излучение, то есть энергия, выделяемая на единицу поверхности, может быть названа плотностью энергии или флюенс.