✖


Jump to content

Плотность энергии

(Перенаправлено со значения топлива )
Эта статья об энергии на единицу объема. Информацию об энергии на единицу массы см. в разделе « Удельная энергия» .
Плотность энергии
И объединились Дж / м 3
Другие подразделения
Д/Л, Вт⋅ч/л
В базовых единицах СИ м −1 ⋅kg⋅s −2
Выводы из
другие количества
U = E / V
Измерение

В физике запасенной плотность энергии — это количество энергии, в данной системе или области пространства на единицу объема . Иногда ее путают с энергией на единицу массы , которую правильно называют удельной энергией или гравиметрической плотностью энергии .

Часто измеряется только полезная или извлекаемая энергия, то есть недоступная энергия (например, энергия массы покоя ) игнорируется. [1] 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 давлением .

Энергия на единицу объема имеет те же физические единицы, что и давление, и во многих ситуациях является синонимом . Например, плотность энергии магнитного поля может быть выражена как физическое давление и вести себя как физическое давление. Аналогично, энергия, необходимая для сжатия газа до определенного объема, может быть определена путем умножения разницы между давлением газа и внешним давлением на изменение объема. Градиент давления описывает возможность совершать работу над окружающей средой путем преобразования внутренней энергии в работу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Обзор

[ редактировать ]

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 следующие: ядерные , химические , электрохимические и электрические .

Ядерные реакции происходят в звездах и на атомных электростанциях, которые получают энергию за счет энергии связи ядер. Химические реакции используются организмами для получения энергии из пищи, а автомобили — для получения энергии из бензина. Жидкие углеводороды (такие виды топлива, как бензин, дизельное топливо и керосин) на сегодняшний день являются самым плотным из известных способов экономичного хранения и транспортировки химической энергии в 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.

Виды энергосодержания

[ редактировать ]

Существует несколько различных типов энергетического содержания. Одним из них является теоретическая общая сумма термодинамической работы , которую можно получить от системы при заданной температуре и давлении, создаваемых окружающей средой. Это называется эксергия . Другой вопрос — теоретическое количество электрической энергии, которую можно получить из реагентов , находящихся при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это определяется изменением стандартной свободной энергии Гиббса . Но в качестве источника тепла или для использования в тепловом двигателе важной величиной является изменение стандартной энтальпии или теплоты сгорания .

Различают два вида теплоты сгорания:

  • Более высокое значение (HHV), или общая теплота сгорания, включает в себя все тепло, выделяемое при охлаждении продуктов до комнатной температуры и конденсации любого 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 охлаждении до комнатной температуры.

Удобную таблицу HHV и LHV некоторых видов топлива можно найти в справочниках. [2]

В хранении энергии и топливе

[ редактировать ]
График выбранной плотности энергии [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

В приложениях хранения энергии плотность энергии связывает энергию в накопителе энергии с объемом хранилища, например, топливного бака. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии можно хранить или транспортировать в том же объеме. Учитывая высокую плотность энергии бензина, исследование альтернативных сред для хранения энергии автомобиля, таких как водород или аккумулятор, сильно ограничено плотностью энергии альтернативной среды. Например, при той же массе литий-ионных аккумуляторов запас хода автомобиля будет составлять всего 2% от запаса хода его бензинового аналога. Если жертвовать дальностью полета нежелательно, возникает необходимость возить с собой гораздо больше топлива.

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 двигателя всегда будет больше, чем скорость производства кинетической энергии движения.

Плотность энергии отличается от эффективности преобразования энергии (чистая мощность на вход) или воплощенной энергии (затраты на производство энергии, необходимые для сбора , переработки , распределения и борьбы с загрязнениями , используют энергию). Крупномасштабное и интенсивное использование энергии влияет на климат , хранение отходов и экологические последствия .

Ни один метод хранения энергии не может похвастаться лучшими показателями удельной мощности , удельной энергии и плотности энергии. Закон Пейкерта описывает, как количество полезной энергии, которое можно получить (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, насколько быстро он извлекается.

Обсуждаются альтернативные варианты хранения энергии для увеличения плотности энергии и сокращения времени зарядки. [10] [11] [12] [13]

На рисунке выше показана гравиметрическая и объемная плотность энергии некоторых видов топлива и технологий хранения (изменено из статьи «Бензин» ).

Некоторые значения могут быть неточными из-за изомеров или других нарушений. Подробную Теплотворность» таблицу удельной энергии важных видов топлива см. в разделе « .

Обычно значения плотности химического топлива не включают массу кислорода, необходимого для сгорания. Атомные веса углерода и кислорода одинаковы, а водород намного легче. Цифры представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух всасывается в горелку только локально. Это объясняет явно более низкую плотность энергии материалов, содержащих собственный окислитель (таких как порох и тротил), когда масса окислителя фактически увеличивает вес и поглощает часть энергии сгорания для диссоциации и выделения кислорода для продолжения реакции. . Это также объясняет некоторые очевидные аномалии, такие как плотность энергии сэндвича, которая кажется выше, чем у динамитной шашки.

Список плотностей материальной энергии

[ редактировать ]
См. также: Расширенная справочная таблица плотности 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 L, 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 химических реакциях (окислении)

[ редактировать ]
См. Также: Энергетическая ценность биотоплива и Пищевая энергия.

Если не указано иное, значения в следующей таблице представляют собой меньшие значения теплоты сгорания для идеального сгорания , не считая массы или объема окислителя. При использовании для производства электроэнергии в топливном элементе или для совершения работы именно свободная энергия реакции Гиббса (ΔG ) устанавливает теоретический верхний предел. Если произведено H 2 O представляет собой пар, она обычно превышает низшую теплоту сгорания, тогда как если образующийся H
2 O — жидкость, ее обычно меньше, чем высшая теплота сгорания. Но в наиболее значимом случае с водородом Δ G составляет 113 МДж/кг, если образуется водяной пар, и 118 МДж/кг, если образуется жидкая вода, причем оба показателя меньше нижней теплоты сгорания (120 МДж/кг). [14]

Энергия, выделяемая в результате химических реакций (окисления)
Материал Удельная энергия
(МДж/кг) 		Плотность энергии
(МДж/л) 		Удельная энергия
( Вт⋅ч/кг ) 		Плотность энергии
(Вт⋅ч/л) 		Комментарий
Водород жидкий 141,86 ( ВХВ )
119,93 ( ЛХВ ) 		10,044 (ХХВ)
8,491 (ЛВВ) 		39 405,6 39 405,6 (ВГВ)
33 313,9 (ЛХВ) 		2790,0 (ВХВ)
2358,6 (ЛХВ) 		Значения энергопотребления действительны после повторного нагрева до 25 °C. [15]

См. примечание выше об использовании в топливных элементах.

Водород, газ (681 атм, 69 МПа, 25 °С) 141,86 (ВХВ)
119,93 (ЛВС) 		5,323 (ВХВ)
4500 (ЛХВ) 		39 405,6 39 405,6 (ВГВ)
33 313,9 (ЛХВ) 		1478,6 (ВХВ)
1250,0 (ЛВС) 		Дата взята из той же ссылки, что и для жидкого водорода. [15]

Резервуары высокого давления весят намного больше, чем водород, который они могут вместить. Водород может составлять около 5,7% от общей массы. [16] что дает всего 6,8 МДж на кг общей массы LHV.

См. примечание выше об использовании в топливных элементах.

Водород, газ (1 атм или 101,3 кПа, 25 °С) 141,86 (ВХВ)
119,93 (ЛВС) 		0,01188 (ВХВ)
0,01005 (ЛВС) 		39 405,6 39 405,6 (ВГВ)
33 313,9 (ЛХВ) 		3.3 (ВХВ)
2,8 (ЛВС) 		[15]
Диборан 78.2 88.4 21,722.2 24,600 [17]
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 [18] [ нужен лучший источник ]
Метан (101,3 кПа, 15 °C) 55.6 0.0378 15,444.5 10.5
СПГ (ПГ при −160 °C) 53.6 [19] 22.2 14,888.9 6,166.7
СПГ (ПГ, сжатый до 247 атм, 25 МПа ≈ 3600 фунтов на квадратный дюйм ) 53.6 [19] 9 14,888.9 2,500.0
Природный газ 53.6 [19] 0.0364 14,888.9 10.1
сжиженный нефтяной газ пропан 49.6 25.3 13,777.8 7,027.8 [20]
сжиженный нефтяной газ бутан 49.1 27.7 13,638.9 7,694.5 [20]
Бензин (бензин) 46.4 34.2 12,888.9 9,500.0 [20]
Полипропиленовый пластик 46.4 [21] 41.7 12,888.9 11,583.3
Полиэтиленовый пластик 46.3 [21] 42.6 12,861.1 11,833.3
Бытовое печное топливо 46.2 37.3 12,833.3 10,361.1 [20]
Дизельное топливо 45.6 38.6 12,666.7 10,722.2 [20]
100LL Авгаз 44.0 [22] 31.59 12,222.2 8,775.0
Реактивное топливо (например, керосин ) 43 [23] [24] [25] 35 11,944.4 9,722.2 Авиационный двигатель
Бензин 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 [26] 37.8 11,666.7 10,500.0 [ нужны разъяснения ]
Парафиновый воск 42 [27] 37.8 11,700 10,500
Сырая нефть ( тонна нефтяного эквивалента ) 41.868 37 [19] 11,630 10,278
Полистирольный пластик 41.4 [21] 43.5 11,500.0 12,083.3
Жировые отложения 38 35 10,555.6 9,722.2 Обмен веществ в организме человека (эффективность 22%) [28] )
Бутанол 36.6 29.2 10,166.7 8,111.1
Бензин E85 (85% этанола, 15% бензина по объему) 33.1 25.65 [ нужна ссылка ] 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 идеальное сгорание без учета окислителя, но эффективность преобразования в электричество составляет ≈36%. [6]
Кремний 32.6 75.9 9,056 21,080 См. Таблицу 1. [29]
Алюминий 31.0 83.8 8,611.1 23,277.8
Этанол 30 24 8,333.3 6,666.7
ДМЕ 31,7 (ВХВ)
28,4 (ЛВС) 		21,24 (ВХВ)
19.03 (ЛВВ) 		8805,6 8805,6 (ВГВ)
7888,9 (ЛХВ) 		5900,0 (ВХВ)
5286,1 (ЛХВ) 		[30] [31]
Полиэфирный пластик 26.0 [21] 35.6 7,222.2 9,888.9
Магний 24.7 43.0 6,861.1 11,944.5
Фосфор (белый) 24.30 44.30 6,750 12,310 [32]
Уголь битуминозный ​ 24–35 26–49 6,666.7–9,722.2 7,222.2–13,611.1 [6]
ПЭТ- пластик (нечистый) 23.5 [33] < ~32,4 6,527.8 < ~9000
Метанол 19.7 15.6 5,472.2 4,333.3
Титан 19.74 88.93 5,480 24,700 сожжен до диоксида титана
Гидразин 19.5 19.3 5,416.7 5,361.1 сгорел до азота и воды
Жидкий аммиак 18.6 11.5 5,166.7 3,194.5 сгорел до азота и воды
Калий 18.6 16.5 5,160 4,600 сожженный до высыхания оксид калия
ПВХ пластик ( токсичный при неправильном горении ) 18.0 [21] 25.2 5,000.0 7,000.0 [ нужны разъяснения ]
Древесина 18.0 5,000.0 [34]
Торфяной брикет 17.7 4,916.7 [35]
Сахара, углеводы и белки 17 26,2 ( декстроза ) 4,722.2 7,277.8 Обмен веществ в организме человека (эффективность 22%) [36] ) [ нужна ссылка ]
Кальций 15.9 24.6 4,416.7 6,833.3 [ нужна ссылка ]
Глюкоза 15.55 23.9 4,319.5 6,638.9
Сухой коровий навоз и верблюжий навоз 15.5 [37] 4,305.6
Уголь , бурый уголь 10–20 2,777.8–5,555.6 [ нужна ссылка ]
Натрий 13.3 12.8 3,694.5 3,555.6 сожженный до влажного гидроксида натрия
Торф 12.8 3,555.6
Нитрометан 11.3 12.85 3,138.9 3,570
Марганец 9.46 68.2 2,630 18,900 сгорел до диоксида марганца
сера 9.23 19.11 2,563.9 5,308.3 сгорел до диоксида серы [38]
Натрий 9.1 8.8 2,527.8 2,444.5 сожженный до высыхания оксид натрия
Батарея, литий-воздушная перезаряжаемая 9.0 [39] 2,500.0 Контролируемый электрический разряд
Бытовые отходы 8.0 [40] 2,222.2
Железо 7.4 57.7 2052.9 16004.1 сожжен до оксида железа (III) [41]
Железо 6.7 52.2 1858.3 14487.2 сгорел до оксида железа (II, III) [41]
Цинк 5.3 38.0 1,472.2 10,555.6
Тефлоновый пластик 5.1 11.2 1,416.7 3,111.1 токсично для горения, но огнестойкий
Железо 4.9 38.2 1,361.1 10,611.1 сожжен до оксида железа(II) [41]
Порох 4.7–11.3 [42] 5.9–12.9 1,600–3,580
ТНТ 4.184 6.92 1,162 1,920
Барий 3.99 14.0 1,110 3,890 сгорел до диоксида бария
АНФО 3.7 1,027.8

В ядерных реакциях

[ редактировать ]
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 ТВт⋅ч/кг Зависит от плотности формы антивещества Аннигиляция, считая как израсходованную массу антивещества, так и массу обычного вещества.
Водород (синтез) 639,780,320 [43] но по крайней мере 2% этого количества теряется из-за нейтрино . Зависит от условий 177,716,755,600 Зависит от условий Реакция 4H→ 4 Он
Дейтерий (синтез)
571,182,758 [44] Зависит от условий 158,661,876,600 Зависит от условий Предлагаемая схема объединения D+D→ 4 Он, комбинируя Д+Д→Т+Ч, Т+Д→ 4 He+n, n+H→D и D+D→ 3 Он+н, 3 Он+Д→ 4 He+H, n+H→D
Дейтерий + тритий (синтез) 337,387,388 [43] Зависит от условий 93,718,718,800 Зависит от условий Д + Т → 4 Он + н
Разрабатывается.
Дейтерид лития-6 (синтез) 268,848,415 [43] Зависит от условий 74,680,115,100 Зависит от условий 6 ЛиД → 2 4 Он
Используется в оружии.
Плутоний-239 83,610,000 1 300 000 000–1 700 000 000 (зависит от кристаллографической фазы ) 23,222,915,000 370 000 000 000–460 000 000 000 (зависит от кристаллографической фазы ) Тепло, вырабатываемое 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 ) Электричество, производимое в реакторе деления
Уран 80,620,000 [45] 1,539,842,000 22,394,000,000 Тепло, выделяющееся в реакторе-размножителе
Торий 79,420,000 [45] 929,214,000 22,061,000,000 Тепло, выделяющееся в реакторе-размножителе (Экспериментальное)
Плутоний-238 2,239,000 43,277,631 621,900,000 Радиоизотопный термоэлектрический генератор . Тепло выделяется всего лишь со скоростью 0,57 Вт/г.

Другие механизмы выпуска

[ редактировать ]
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
Аккумулятор воздушно-цинковый 1.59 6.02 441.7 1,672.2 Контролируемый электрический разряд [46]
Кремний (фазовый переход) 1.790 4.5 500 1,285 Энергия, запасенная за счет фазового перехода кремния из твердого состояния в жидкое [47]
Стронция бромид гидрат 0.814 [48] 1.93 628 Тепловая энергия фазового перехода при 88,6 °C (361,8 К)
Жидкий азот 0.77 [49] 0.62 213.9 172.2 Максимальная обратимая работа при 77,4 К с резервуаром 300 К.
Натриево-серная батарея 0.54–0.86 150–240
Сжатый воздух при 30 МПа 0.5 0.2 138.9 55.6 Потенциальная энергия
Скрытая теплота плавления льда (термическая) 0.334 0.334 93.1 93.1
Литий-металлический аккумулятор 1.8 4.32 500 1,200 Контролируемый электрический разряд
Литий-ионный аккумулятор 0.36–0.875 [52] 0.9–2.63 100.00–243.06 250.00–730.56 Контролируемый электрический разряд
Литий-ионный аккумулятор с из кремниевых нанопроволок. анодом 1.566 4.32 435 [53] 1,200 [53] Контролируемый электрический разряд
Маховик 0.36–0.5 5.3 Кинетическая энергия
Щелочная батарея 0.48 [54] 1.3 [55] Контролируемый электрический разряд
Никель-металлогидридный аккумулятор 0.41 [56] 0.504–1.46 [56] Контролируемый электрический разряд
Свинцово-кислотный аккумулятор 0.17 0.56 47.2 156 Контролируемый электрический разряд
Суперконденсатор ( EDLC ) 0.01–0.030 [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] 0.006–0.06 [57] [58] [59] [60] [61] [62] до 8,57 [63] 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%. [64] [65]
Электролитический конденсатор 0.00001–0.0002 [66] 0.00001–0.001 [66] [67] [68] Контролируемый электрический разряд

При деформации материала

[ редактировать ]

Способность аккумулировать механическую энергию, или упругость , гуковского материала, когда он деформируется до точки разрушения, может быть рассчитана путем расчета прочности на разрыв, умноженной на максимальное удлинение, разделенной на два. Максимальное удлинение материала Гука можно рассчитать, разделив жесткость этого материала на его предельную прочность на разрыв. В следующей таблице перечислены эти значения, рассчитанные с использованием модуля Юнга как меры жесткости:

Механические энергетические мощности
Материал Плотность энергии по массе

(Дж/кг)

Устойчивость : плотность энергии по объему

(Д/Л)

Плотность

(кг/л)

Модуль Юнга

(ГПа)

при растяжении Предел текучести

(МПа)

Резинка 1,651–6,605 [69] 2,200–8,900 [69] 1.35 [69]
Сталь, ASTM A228 (предел текучести, диаметр 1 мм) 1,440–1,770 11,200–13,800 7.80 [70] 210 [70] 2,170–2,410 [70]
Ацетали 908 754 0.831 [71] 2.8 [72] 65 (предельный) [72]
Нейлон-6 233–1,870 253–2,030 1.084 2–4 [72] 45–90 (предельный) [72]
Медь Бериллий 25-1/2 HT (выход) 684 5,720 [73] 8.36 [74] 131 [73] 1,224 [73]
Поликарбонаты 433–615 520–740 1.2 [75] 2.6 [72] 52–62 (предельный) [72]
АБС-пластик 241–534 258–571 1.07 1.4–3.1 [72] 40 (предельный) [72]
Акрил 1,530 3.2 [72] 70 (предельный) [72]
Алюминий 7077-Т8 (выход) 399 1,120 [73] 2.81 [76] 71.0 [73] 400 [73]
Сталь нержавеющая 301-H (выход текучести) 301 2,410 [73] 8.0 [77] 193 [73] 965 [73]
Алюминий 6061-T6 (выход при 24 °C) 205 553 2.70 [78] 68.9 [78] 276 [78]
Эпоксидные смолы 113–1,810 2–3 [72] 26–85 (предельный) [72]
Дуглас Фир Вуд 158–200 96 .481–.609 [79] 13 [72] 50 (сжатие) [72]
Сталь, мягкая AISI 1018 42.4 334 7.87 [80] 205 [80] 370 (440 Ultimate) [80]
Алюминий (нелегированный) 32.5 87.7 2.70 [81] 69 [72] 110 (предельный) [72]
Сосна (американская восточная белая, изгибная ) 31.8–32.8 11.1–11.5 .350 [82] 8,30–8,56 (изгибный) [82] 41,4 (изгибный) [82]
Латунь 28.6–36.5 250–306 8.4–8.73 [83] 102–125 [72] 250 (максимальное) [72]
Медь 23.1 207 8.93 [83] 117 [72] 220 (предельный) [72]
Стекло 5.56–10.0 13.9–25.0 2.5 [84] 50–90 [72] 50 (сжатие) [72]

В распространенных форматах батарей

[ редактировать ]
аккумулятора Энергетическая емкость
Устройство хранения данных Содержание энергии
( Джоуль ) 		Содержание энергии
( W⋅h ) 		Тип энергии Типичный
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 типа АА [85] 9,360 2.6 Электрохимический 24 14.2 × 50 7.92 1.18 0.39
Щелочная батарея типа С [85] 34,416 9.5 Электрохимический 65 26 × 46 24.42 1.41 0.53
NiMH аккумулятор АА 9,072 2.5 Электрохимический 26 14.2 × 50 7.92 1.15 0.35
NiMH аккумулятор C 19,440 5.4 Электрохимический 82 26 × 46 24.42 0.80 0.24
Литий-ионный аккумулятор 18650 28,800–46,800 8–13 Электрохимический 44–49 [86] 18 × 65 16.54 1.74–2.83 0.59–1.06

Источники ядерной энергии

[ редактировать ]

Величайшим источником энергии на сегодняшний день является сама материя. Эта энергия, однако, может быть высвобождена только в результате процессов ядерного деления (~0,1%), ядерного синтеза (~1%) или аннигиляции части или всей материи в объеме V в результате столкновений материи и антиматерии (100 %). [ нужна ссылка ] Согласно массово-энергетическому эквиваленту эта энергия описывается формулой E = mc 2 , где c — скорость света. По плотности m = ρV , где ρ — масса единицы объема, V — объем самой массы.

Источниками энергии с самой высокой плотностью, помимо антиматерии, 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 г.) устойчивое производство термоядерной энергии по-прежнему остается недостижимой задачей. Энергия деления урана и тория на атомных электростанциях будет доступна в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обильных запасов этих элементов на Земле. [87] хотя весь потенциал этого источника может быть реализован только с помощью реакторов-размножителей , которые, за исключением реактора БН-600 , еще не используются в коммерческих целях. [88]

Для сравнения, уголь , газ и нефть в настоящее время являются основными источниками энергии в США. [89] но имеют гораздо меньшую плотность энергии. Сжигание местного топлива из биомассы обеспечивает энергетические потребности домохозяйств ( камины для приготовления пищи , масляные лампы и т. д.) во всем мире.

Тепловая мощность ядерных реакторов деления

[ редактировать ]

Плотность тепловой энергии, содержащейся в активной зоне легководного реактора ( реактор с водой под давлением (PWR) или реактор с кипящей водой (BWR)) обычно составляет 1 ГВт (электрическая мощность 1000 МВт соответствует ≈3000 МВт тепловой энергии), находится в диапазоне От 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубометр 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 постоянного непрерывного потока воды с высокой скоростью для отвода тепла от активной зоны, даже после аварийной остановки реактора.

Неспособность охладить активные зоны трех реакторов BWR на Фукусиме после цунами 2011 года и, как следствие, потеря внешнего электропитания и источника холода привели к расплавлению трех активных зон всего за несколько часов, хотя три реактора были корректно остановлены сразу после этого. землетрясение 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 удаления остаточного тепла из активной зоны. АЭС.

Аннигиляция антиматерии

[ редактировать ]

Хотя можно достичь большей плотности материи, плотность нейтронной звезды будет приближаться к самой плотной системе, способной к аннигиляции материи-антиматерии. Черная дыра , хотя и более плотная, чем нейтронная звезда, не имеет эквивалентной античастичной формы, но обеспечивает ту же 100% степень преобразования массы в энергию в виде излучения Хокинга . Даже в случае относительно небольших черных дыр (меньше астрономических объектов) выходная мощность будет огромной.

Плотность энергии электрических и магнитных полей

[ редактировать ]
Основная статья: Плотность лучистой энергии

Электрические и магнитные поля хранят энергию. (Объемная) плотность энергии определяется выражением

где E — электрическое поле , B — магнитное поле , а ε и µ — диэлектрическая проницаемость и проницаемость окружающей среды соответственно. Решение будет (в единицах СИ) в джоулях на кубический метр. В контексте магнитогидродинамики , физики проводящих жидкостей, плотность магнитной энергии ведет себя как дополнительное , которое добавляется к давлению газа плазмы давление .

В идеальных (линейных и недисперсионных) веществах плотность энергии (в единицах СИ) равна

где D — поле электрического смещения , а H — намагничивающее поле .

В случае отсутствия магнитных полей, используя соотношения Фрелиха , можно также распространить эти уравнения на анизотропные и нелинейные диэлектрики, а также рассчитать коррелированные плотности свободной энергии и энтропии Гельмгольца . [90]

Когда импульсный лазер воздействует на поверхность, лучистую экспозицию , то есть энергию, выделяемую на единицу поверхности, можно назвать плотностью энергии или флюенсом. [91]

См. также

[ редактировать ]

Сноски

[ редактировать ]
  1. ^ «Два класса единиц СИ и префиксы СИ» . Руководство NIST по SI . 2 июля 2009 г. Проверено 25 января 2012 г.
  2. ^ «Ископаемое и альтернативное топливо – энергетическое содержание (2008)» . Инженерный набор инструментов . Проверено 8 октября 2018 г.
  3. ^ Чон, Гуджин; Ким, Хансу; Пак, Чон Хван; Чон, Джехван; Цзинь, Син; Сон, Джухе; Ким, Бо-Рам; Парк, Мин-Сик; Ким, Джи Ман; Ким, Ён-Джун (2015). «Нанотехнологии позволили перезаряжаемые батареи Li – SO2: еще один подход к системам постлитий-ионных аккумуляторов». Энергетика и экология . 8 (11): 3173–3180. дои : 10.1039/C5EE01659B .
  4. ^ «Panasonic разрабатывает новые литий-ионные элементы 18650 большей емкости». Конгресс зеленых автомобилей. Np, 25 декабря 2009 г. Интернет.
  5. ^ Стура, Энрико; Николини, Клаудио (2006). «Новые наноматериалы для легких литиевых батарей». Аналитика Химика Акта . 568 (1–2): 57–64. Бибкод : 2006AcAC..568...57S . дои : 10.1016/j.aca.2005.11.025 . ПМИД   17761246 .
  6. ^ Jump up to: а б с Фишер, Джулия (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая плотность угля» . Справочник по физике . Проверено 28 июля 2019 г.
  7. ^ «Теплотворность различных видов топлива - Всемирная ядерная ассоциация». Всемирная ядерная ассоциация. Np, сентябрь 2016 г. Интернет.
  8. ^ «Обзор программы развития водородных систем Министерства энергетики США». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Нп, май 2000 г. Интернет.
  9. ^ Вонг, Кауфуи; Диа, Сара (2017). «Нанотехнологии в батареях». Журнал технологий энергетических ресурсов . 139 . дои : 10.1115/1.4034860 .
  10. ^ Ионеску-Дзанетти, К.; и др., др. (2005). «Конденсаторы с нанозазором: чувствительность к изменениям диэлектрической проницаемости образца». Журнал прикладной физики . 99 (2): 024305–024305–5. Бибкод : 2006JAP....99b4305I . дои : 10.1063/1.2161818 . S2CID   120910476 .
  11. ^ Наой, К.; и др., др. (2013). «Наногибридный суперконденсатор нового поколения» . Отчеты о химических исследованиях . 46 (5): 1075–1083. дои : 10.1021/ar200308h . ПМИД   22433167 .
  12. ^ Хаблер, А.; Осуагву, О. (2010). «Цифровые квантовые батареи: хранение энергии и информации в матрицах нановакуумных трубок» . Сложность . 15 (5): NA. дои : 10.1002/cplx.20306 . S2CID   6994736 .
  13. ^ Лион, Д.; и др., др. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности в нановакуумных зазорах от размера зазора». Транзакции IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 2 (4): 1467–1471. дои : 10.1109/TDEI.2013.6571470 . S2CID   709782 .
  14. ^ Справочник CRC по химии и физике , 49-е издание, страница D-42.
  15. ^ Jump up to: а б с Колледж пустыни, «Модуль 1, Свойства водорода», Редакция 0, декабрь 2001 г. Свойства водорода . Проверено 8 июня 2014 г.
  16. ^ Майк Милликин (18 ноября 2014 г.). «Toyota FCV Mirai запускается в Лос-Анджелесе; первоначальные характеристики TFCS; аренда за 57 500 или 499 долларов; опираясь на аналогию с Prius» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 23 ноября 2014 г.
  17. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997), Химия элементов (2-е изд.) (стр. 164)
  18. ^ «Бор: лучший энергоноситель, чем водород? (28 февраля 2009 г.)» . Eagle.ca . Проверено 7 мая 2010 г.
  19. ^ Jump up to: а б с д Энвестра Лимитед. Природный газ. Архивировано 10 октября 2008 г. в Wayback Machine . Проверено 5 октября 2008 г.
  20. ^ Jump up to: а б с д и ИОР Энергия. Список распространенных коэффициентов пересчета (Инженерные коэффициенты пересчета) . Проверено 5 октября 2008 г.
  21. ^ Jump up to: а б с д и Пол А. Киттл, доктор философии. «Альтернативные ежедневные обложки и подзаголовок D – Техника выбора» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 мая 2008 г. Проверено 25 января 2012 г.
  22. ^ «537.pdf» (PDF) . Июнь 1993 г. Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2011 г. Проверено 25 января 2012 г.
  23. ^ Гофман, Эвелин (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая плотность авиационного топлива» . Справочник по физике . Проверено 28 июля 2019 г.
  24. ^ «Справочник продуктов» (PDF) . Воздушный БП. стр. 11–13. Архивировано из оригинала (PDF) 8 июня 2011 г.
  25. ^ Характеристики хранения и отпуска нефтепродуктов (PDF) , Отдел нефтепродуктов - ГН, стр. 132, заархивировано из оригинала (PDF) 16 января 2017 г. , получено 15 января 2017 г.
  26. ^ Роман-Лешков Юрий; Барретт, Кристофер Дж.; Лю, Чжэнь Ю.; Думесич, Джеймс А. (21 июня 2007 г.). «Производство диметилфурана для жидкого топлива из углеводов биомассы». Природа . 447 (7147): 982–985. Бибкод : 2007Natur.447..982R . дои : 10.1038/nature05923 . ПМИД   17581580 . S2CID   4366510 .
  27. ^ Винер, Гарри (январь 1947 г.). «Структурное определение температур кипения парафинов» . Журнал Американского химического общества . 69 (1): 17–20. дои : 10.1021/ja01193a005 . ISSN   0002-7863 . ПМИД   20291038 .
  28. ^ Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Энергетическая стоимость электрических и велосипедов с приводом от человека» (PDF) . п. 5 . Проверено 26 февраля 2009 г. правильно тренированный спортсмен будет иметь эффективность от 22 до 26%
  29. ^ «Кремний как посредник между возобновляемыми источниками энергии и водородом» (PDF) . Исследование Дойче Банка. п. 5. Архивировано из оригинала (PDF) 16 ноября 2008 г. Проверено 16 ноября 2016 г.
  30. ^ Боссель, Ульф (июль 2003 г.). «Физика водородной экономики» (PDF) . Европейские новости о топливных элементах. Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2006 г. Проверено 6 апреля 2019 г. Высшая теплота сгорания составляет 22,7, 29,7 или 31,7 МДж/кг для метанола, этанола и ДМЭ соответственно, тогда как бензин содержит около 45 МДж/кг.
  31. ^ «Диметиловый эфир (ДМЭ)» (PDF) . Европейская технологическая платформа биотоплива . 18 ноября 2013 г. Проверено 6 апреля 2019 г. Плотность ДМЭ и нижняя теплота сгорания были получены из таблицы на первой странице.
  32. ^ Зеленый Дон; Перри Роберт (2008). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN  9780071422949 .
  33. ^ "Elite_bloc.indd" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 июля 2011 г. Проверено 7 мая 2010 г.
  34. ^ «Фонд энергетики биомассы: плотность топлива» . Woodgas.com. Архивировано из оригинала 10 января 2010 г. Проверено 7 мая 2010 г.
  35. ^ «Борд на Мона, Торф для энергетики» (PDF) . Бнм.и. Архивировано из оригинала (PDF) 19 ноября 2007 г. Проверено 25 января 2012 г.
  36. ^ Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Энергетическая стоимость электрического и человеческого велосипеда» (PDF) . Проверено 25 января 2012 г.
  37. ^ «энергетические буферы» . Home.hccnet.nl . Проверено 7 мая 2010 г.
  38. ^ Энн Виналл и Терри Уэльс. Рабочая тетрадь «Химия 12», страница 138. Архивировано 13 сентября 2011 г. в Wayback Machine . Пирсон Образования Новая Зеландия ISBN   978-0-582-54974-6
  39. ^ Митчелл, Роберт Р.; Галлант, Бетар М.; Томпсон, Карл В.; Шао-Хорн, Ян (2011). «Полностью углеродные нановолоконные электроды для высокоэнергетических аккумуляторов Li – O2». Энергетика и экология . 4 (8): 2952–2958. дои : 10.1039/C1EE01496J . S2CID   96799565 .
  40. ^ Дэвид Э. Дирксе. энергетические буферы . «бытовые отходы 8..11 МДж/кг»
  41. ^ Jump up to: а б с Томас К. Эллисон. (2013). Термохимические таблицы NIST-JANAF — SRD 13 (1.0.2) [набор данных]. Национальный институт стандартов и технологий. https://doi.org/10.18434/T42S31
  42. ^ Лу, Гуй-э; Чанг, Вэнь-пин; Цзян, Джин Ён; Ду, Ши-го (май 2011 г.). «Исследование плотности энергии порохового источника тепла». Международная конференция 2011 г. по материалам для возобновляемой энергетики и окружающей среды . ИИЭЭ . стр. 1185–1187. дои : 10.1109/ICMREE.2011.5930549 . ISBN  978-1-61284-749-8 . S2CID   36130191 .
  43. ^ Jump up to: а б с Рассчитывается как дробная потеря массы, умноженная на c в квадрате.
  44. ^ Рассчитано на основе дробной потери массы, умноженной на c в квадрате. Болл, Джастин (2019). «Максимализация удельной энергии за счет разведения дейтерия». Ядерный синтез . 59 (10): 106043. arXiv : 1908.00834 . Бибкод : 2019NucFu..59j6043B . дои : 10.1088/1741-4326/ab394c . S2CID   199405246 .
  45. ^ Jump up to: а б «Расчет энергетической плотности ядерного топлива» . Whatisnuclear.com . Проверено 17 апреля 2014 г.
  46. ^ «Технический бюллетень по воздушно-цинковым батареям» . Дюраселл . Архивировано из оригинала 27 января 2009 г. Проверено 21 апреля 2009 г.
  47. ^ Меруэ, Лорин; Чен, Банда (2020). «Накопление тепловой энергии, радиационно связанное со сверхкритическим циклом Ренкина для поддержки электросетей». Возобновляемая энергия . 145 : 604–621. doi : 10.1016/j.renene.2019.06.036 . S2CID   197448761 .
  48. ^ А. Фопах-Леле, Дж. Г. Тамба «Обзор использования SrBr 2 ·6H 2 O как потенциальный материал для низкотемпературных систем хранения энергии и строительных применений» , Solar Energy Materials and Solar Cells 164 175-84 (2017).
  49. ^ К. Ноулен, А. Т. Мэттик, А. П. Брукнер и А. Герцберг, «Высокоэффективные системы преобразования жидкого азота в автомобили» , Общество автомобильных инженеров Inc, 1988.
  50. ^ «Обзор литий-ионных аккумуляторов» (PDF) . Панасоник. Январь 2007 г. Архивировано (PDF) из оригинала 7 ноября 2011 г.
  51. ^ «Panasonic NCR18650B» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2015 г.
  52. ^ [50] [51]
  53. ^ Jump up to: а б «Литий-ионные батареи из кремниевых нанопроводов Amprius питают солнечные самолеты Airbus Zephyr S HAPS» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 31 декабря 2022 г.
  54. ^ «Тест Duracell Ultra Power AA» . lygte-info.dk . Проверено 16 февраля 2019 г.
  55. ^ «Техническое описание щелочной батареи Energizer EN91 AA» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г.
  56. ^ Jump up to: а б «Тест GP ReCyko+ AA 2700мАч (Зеленый)» . lygte-info.dk . Проверено 16 февраля 2019 г.
  57. ^ Jump up to: а б «Сравнение суперконденсаторов Максвелла» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 10 января 2016 г.
  58. ^ Jump up to: а б «Техническое описание суперконденсатора серии Nesscap ESHSP» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 марта 2016 г. Проверено 10 января 2016 г.
  59. ^ Jump up to: а б «Техническое описание суперконденсатора серии Cooper PowerStor XL60» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2016 г. Проверено 10 января 2016 г.
  60. ^ Jump up to: а б «Техническое описание суперконденсатора серии Kemet S301» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 10 января 2016 г.
  61. ^ Jump up to: а б «Техническое описание суперконденсатора Nichicon серии JJD» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г.
  62. ^ Jump up to: а б «Высокоэнергетический ультраконденсатор skelcap» (PDF) . Скелетные технологии . Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2016 года . Проверено 13 октября 2015 г.
  63. ^ Jump up to: а б «Техническое описание ультраконденсаторного элемента 3,0 В 3400F BCAP3400 P300 K04/05» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 ноября 2020 г. Проверено 12 января 2020 г.
  64. ^ «Гидроэнергетика» . www.mpoweruk.com . Вудбанк Коммуникейшнс Лтд . Проверено 13 апреля 2018 г.
  65. ^ «2.1 Электроэнергия, сброс, соотношение напора | Речное проектирование и восстановление в ОГУ | Университет штата Орегон» . Rivers.bee.oregonstate.edu . Архивировано из оригинала 14 апреля 2018 года . Проверено 13 апреля 2018 г. Пусть ε = 0,85, что означает КПД 85%, что типично для более старой силовой установки.
  66. ^ Jump up to: а б «Техническое описание танталовых конденсаторов Vishay серии STE» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г.
  67. ^ «Техническое описание алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon TVX» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г.
  68. ^ «Техническое описание алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon LGU» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г.
  69. ^ Jump up to: а б с «Сколько энергии можно сохранить в резинке?» . Проводной . ISSN   1059-1028 . Проверено 21 января 2020 г.
  70. ^ Jump up to: а б с «MatWeb — информационный ресурс онлайн-материалов» . www.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 г.
  71. ^ ПабХим. «Ацеталь» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 12 декабря 2019 г.
  72. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v «Модуль Юнга – предел текучести и растяжения для обычных материалов» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 12 декабря 2019 г.
  73. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Кисть Wellman Alloy Products. «Эластичная устойчивость» (PDF) . Технические мелочи . Проверено 15 декабря 2019 г.
  74. ^ «Технические характеристики сплава C17200 | Компания E. Jordan Brookes» . www.ejbmetals.com . Проверено 15 декабря 2019 г.
  75. ^ «Информация и свойства поликарбоната» . www.polymerprocessing.com . Проверено 12 декабря 2019 г.
  76. ^ «Паспорт материала ASM» . asm.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 г.
  77. ^ Сазерленд, Карен; Мартин, Моника (2004). Элерт, Гленн (ред.). «Плотность стали» . Справочник по физике . Проверено 18 июня 2020 г.
  78. ^ Jump up to: а б с «Алюминий 6061-Т6; 6061-Т651» . www.matweb.com . Проверено 13 июня 2021 г.
  79. ^ «Породы древесины – влажность и вес» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 12 декабря 2019 г.
  80. ^ Jump up to: а б с «Мягкая/низкоуглеродистая сталь AISI 1018» . AZoM.com . 28 июня 2012 г. Проверено 22 января 2020 г.
  81. ^ «Паспорт материала ASM» . asm.matweb.com . Проверено 12 декабря 2019 г.
  82. ^ Jump up to: а б с «Американская восточная белая сосна» . www.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 г.
  83. ^ Jump up to: а б «Масса, вес, плотность или удельный вес различных металлов» . www.simetric.co.uk . Проверено 12 декабря 2019 г.
  84. ^ «Физические свойства стекла | Saint Gobain Building Glass UK» . uk.saint-gobain-building-glass.com . Проверено 12 декабря 2019 г.
  85. ^ Jump up to: а б «Таблицы заряда аккумуляторов» . Архивировано из оригинала 4 декабря 2011 г.
  86. ^ «Емкость аккумулятора 18650» .
  87. ^ «Поставка урана» . world-nuclear.org. 08.10.2014. Архивировано из оригинала 17 октября 2015 г. Проверено 13 июня 2015 г.
  88. ^ «Факты от Коэна» . Официальный сайт Stanford.edu. 26 января 2007 г. Архивировано из оригинала 10 апреля 2007 г. Проверено 7 мая 2010 г.
  89. ^ «Управление энергетической информации США (EIA) – Ежегодный энергетический обзор» . Eia.doe.gov. 26 июня 2009 г. Архивировано из оригинала 6 мая 2010 г. Проверено 7 мая 2010 г.
  90. ^ Парравичини, Дж. (2018). «Термодинамические потенциалы в анизотропных и нелинейных диэлектриках». Физика Б. 541 : 54–60. Бибкод : 2018PhyB..541...54P . дои : 10.1016/j.physb.2018.04.029 . S2CID   125817506 .
  91. ^ «Терминология» . Регенеративная лазерная терапия .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Инфляционная Вселенная: В поисках новой теории космического происхождения Алана Х. Гута (1998) ISBN   0-201-32840-2
  • Космологическая инфляция и крупномасштабная структура Эндрю Р. Лиддла, Дэвида Х. Лита (2000) ISBN   0-521-57598-2
  • Ричард Беккер, «Электромагнитные поля и взаимодействия», Dover Publications Inc., 1964 г.
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Energy_density&oldid=1237044675"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8887530061d78dce974e779962e8219d__1722104700
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/88/9d/8887530061d78dce974e779962e8219d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Energy density - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)