Плотность энергии

Плотность энергии
единица СИ	Дж / м3​
Другие единицы	Дж/Л, Вт⋅ч/Л
В основных единицах СИ	м −1 ⋅кг⋅с −2
Выводы из других величин	У = Э / В
Измерение	${\displaystyle {\mathsf {L}}^{-1}{\mathsf {M}}{\mathsf {T}}^{-2}}$

В физике плотность энергии — это отношение количества энергии, запасенной в данной системе или содержащейся в данной области пространства, к объему рассматриваемой системы или области. Часто измеряется только полезная или извлекаемая энергия. Иногда ее путают с запасенной энергией на единицу массы , которая называется удельной энергией или гравиметрической плотностью энергии .

Существуют различные типы хранимой энергии, соответствующие определенному типу реакции. В порядке типичной величины хранимой энергии, примерами реакций являются: ядерная , химическая (включая электрохимическую ), электрическая , давления , деформации материалов или в электромагнитных полях . Ядерные реакции происходят в звездах и на атомных электростанциях, и обе они получают энергию из энергии связи ядер. Химические реакции используются организмами для получения энергии из пищи, а автомобили — из сгорания бензина. Жидкие углеводороды (топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин) на сегодняшний день являются самым плотным известным способом экономичного хранения и транспортировки химической энергии в больших масштабах (1 кг дизельного топлива сгорает с кислородом, содержащимся в ≈ 15 кг воздуха). Сжигание местного топлива из биомассы обеспечивает потребности домохозяйств в энергии ( кухонные костры , масляные лампы и т. д.) по всему миру. Электрохимические реакции используются такими устройствами, как ноутбуки и мобильные телефоны, для высвобождения энергии из батарей.

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 и ведет себя как физическое давление. 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 потенциал для выполнения работы над окружающей средой путем преобразования внутренней энергии в работу до достижения равновесия.

В космологическом и других контекстах общей теории относительности рассматриваемые плотности энергии связаны с элементами тензора энергии-импульса и, следовательно, включают энергию массы покоя , а также плотности энергии, связанные с давлением .

При обсуждении содержащейся химической энергии существуют различные типы, которые можно количественно оценить в зависимости от предполагаемой цели. Один из них — это теоретическое общее количество термодинамической работы , которое может быть получено из системы при заданной температуре и давлении, налагаемом окружающей средой, называемое эксергией . Другой — это теоретическое количество электрической энергии, которое может быть получено из реагентов , находящихся при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это дается изменением стандартной свободной энергии Гиббса . Но в качестве источника тепла или для использования в тепловом двигателе , соответствующей величиной является изменение стандартной энтальпии или теплоты сгорания .

Существует два вида теплоты сгорания:

• Высшее значение (ВТС), или общая теплота сгорания, включает в себя все тепло, выделяющееся 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, выделяемое при охлаждении до комнатной температуры.

Удобную таблицу значений HHV и LHV некоторых видов топлива можно найти в справочных материалах. ^[1]

Для хранения энергии плотность энергии связывает хранимую энергию с объемом оборудования для хранения, например, топливного бака. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии можно хранить или транспортировать для того же объема. Энергия топлива на единицу массы называется его удельной энергией .

На соседнем рисунке показана гравиметрическая и объемная плотность энергии некоторых видов топлива и технологий хранения (измененная статья Gasoline ). Некоторые значения могут быть неточными из-за изомеров или других нерегулярностей. Теплотворная способность топлива более полно описывает его удельную энергию.

Значения плотности для химического топлива не включают вес кислорода, необходимого для сгорания. Атомные веса углерода и кислорода схожи, в то время как водород намного легче. Цифры представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух будет втягиваться только локально в горелку. Это объясняет явно более низкую плотность энергии материалов, которые содержат собственный окислитель (например, порох и тротил), где масса окислителя фактически добавляет вес и поглощает часть энергии сгорания для диссоциации и высвобождения кислорода для продолжения реакции. Это также объясняет некоторые очевидные аномалии, такие как плотность энергии сэндвича, которая кажется выше, чем у динамитной шашки.

Учитывая высокую плотность энергии бензина, исследование альтернативных сред для хранения энергии питания автомобиля, таких как водород или аккумулятор, сильно ограничено плотностью энергии альтернативной среды. Та же масса литий-ионного хранилища, например, приведет к автомобилю с запасом хода всего в 2% от запаса хода его бензинового аналога. Если жертвовать запасом хода нежелательно, необходимо гораздо больше объема хранилища. Обсуждаются альтернативные варианты для хранения энергии, чтобы увеличить плотность энергии и сократить время зарядки, такие как суперконденсаторы . ^{[9] [10] [11] [12]}

Ни один из методов хранения энергии не может похвастаться лучшими показателями удельной мощности , удельной энергии и плотности энергии. Закон Пойкерта описывает, как количество полезной энергии, которое может быть получено (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, насколько быстро она извлекается.

В целом двигатель будет вырабатывать меньше кинетической энергии из-за неэффективности и термодинамических соображений, поэтому удельный расход топлива двигателем всегда будет больше, чем скорость выработки им кинетической энергии движения.

Плотность энергии отличается от эффективности преобразования энергии (чистый выход на вход) или воплощенной энергии (стоимость вырабатываемой энергии, поскольку сбор , переработка , распределение и борьба с загрязнением — все это использует энергию). Крупномасштабное, интенсивное использование энергии влияет и подвергается влиянию климата , хранения отходов и экологических последствий .

Наибольшим источником энергии, безусловно, является сама материя, согласно эквивалентности массы и энергии . Эта энергия описывается формулой E = mc2 , где c — скорость света. В терминах плотности m = ^ρV , где ρ — объемная плотность массы, V — объем, занимаемый массой. Эта энергия может быть высвобождена в процессах ядерного деления (~ 0,1%), ядерного синтеза (~ 1%) или уничтожения части или всей материи в объеме V столкновениями материи и антиматерии (100%). ^{[ необходима цитата ]}

Наиболее эффективными способами получения этой энергии, помимо антиматерии, являются термоядерный синтез и деление . Термоядерный синтез — это процесс, посредством которого солнце производит энергию, которая будет доступна в течение миллиардов лет (в форме солнечного света и тепла). Однако по состоянию на 2024 год устойчивое производство термоядерной энергии по-прежнему остается недостижимым. Энергия от деления на атомных электростанциях (использующих уран и торий) будет доступна по крайней мере в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обильных запасов элементов на Земле, ^[13] хотя полный потенциал этого источника может быть реализован только с помощью реакторов-размножителей , которые, за исключением реактора БН-600 , пока не используются в коммерческих целях. ^[14]

Ядерное топливо обычно имеет объемную плотность энергии по крайней мере в десятки тысяч раз выше, чем химическое топливо. Урановая топливная таблетка высотой в 1 дюйм эквивалентна примерно 1 тонне угля, 120 галлонам сырой нефти или 17 000 кубическим футам природного газа. ^[15] В легководных реакторах 1 кг природного урана — после соответствующего обогащения и использования для выработки электроэнергии — эквивалентен энергосодержанию почти 10 000 кг минерального масла или 14 000 кг угля. ^[16] Для сравнения, уголь , газ и нефть являются в настоящее время основными источниками энергии в США ^[17], но имеют гораздо более низкую плотность энергии.

Плотность тепловой энергии, содержащейся в активной зоне легководного реактора ( водо-водяного реактора (PWR) или кипящего реактора (BWR)) обычно1 ГВт (1000 МВт электрической мощности, соответствующей ≈ 3000 МВт тепловой) находится в диапазоне от 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубический метр охлаждающей воды в зависимости от рассматриваемого местоположения в системе (само ядро ​​(≈ 30 м ³ ), корпус реактора (≈ 50 м ³ ), или весь первичный контур (≈ 300 м3 ⁾ . Это представляет собой значительную плотность энергии, которая требует постоянного потока воды с высокой скоростью в любое время для отвода тепла от активной зоны, даже после аварийного отключения реактора.

Неспособность охладить активные зоны трех реакторов BWR на Фукусиме после цунами 2011 года и последовавшая за этим потеря внешнего электропитания и источника холода привели к расплавлению трех активных зон всего за несколько часов, хотя три реактора были правильно остановлены сразу после землетрясения в Тохоку . Эта чрезвычайно высокая плотность мощности отличает атомные электростанции (АЭС) от любых тепловых электростанций (работающих на угле, топливе или газе) или любых химических заводов и объясняет большую избыточность, необходимую для постоянного контроля нейтронной реактивности и отвода остаточного тепла из активной зоны АЭС.

Поскольку взаимодействия антиматерии и материи приводят к полному преобразованию массы покоя в лучистую энергию, плотность энергии этой реакции зависит от плотности используемой материи и антиматерии. Нейтронная звезда будет приближаться к самой плотной системе, способной к аннигиляции материи и антиматерии. Черная дыра , хотя и плотнее нейтронной звезды, не имеет эквивалентной формы античастицы, но будет предлагать ту же 100%-ную скорость преобразования массы в энергию в форме излучения Хокинга . Даже в случае относительно небольших черных дыр (меньше астрономических объектов) выходная мощность будет колоссальной.

Электрические и магнитные поля могут хранить энергию, а ее плотность связана с напряженностью полей в заданном объеме. Эта (объемная) плотность энергии определяется как: где E — электрическое поле , B — магнитное поле , а ε и µ — диэлектрическая и магнитная проницаемость окружающей среды соответственно. Единица измерения СИ — джоуль на кубический метр.$${\displaystyle u={\frac {\varepsilon }{2}}\mathbf {E} ^{2}+{\frac {1}{2\mu }}\mathbf {B} ^{2}}$$

В идеальных (линейных и недисперсных) веществах плотность энергии равна где D — электрическое поле 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 вычислить коррелированные плотности свободной энергии и энтропии Гельмгольца . ^[18]$${\displaystyle u={\frac {1}{2}}(\mathbf {E} \cdot \mathbf {D} +\mathbf {H} \cdot \mathbf {B})}$$

В контексте магнитогидродинамики , физики проводящих жидкостей, плотность магнитной энергии ведет себя как дополнительное давление , которое добавляется к давлению газа плазмы .

Когда импульсный лазер воздействует на поверхность, лучистая экспозиция , т. е. энергия, выделяемая на единицу поверхности, может также называться плотностью энергии или флюенсом. ^[19]

Эта статья или раздел , кажется, противоречит сам себе . Пожалуйста, посетите страницу обсуждения для получения дополнительной информации. ( Апрель 2019 )

Некоторые из перечисленных источников этого раздела могут быть ненадежными . Пожалуйста , помогите улучшить эту статью, найдя лучшие, более надежные источники. Ненадежные цитаты могут быть оспорены и удалены. ( Февраль 2020 ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Следующие преобразования единиц могут быть полезны при рассмотрении данных в таблицах: 3,6  МДж = 1  кВт⋅ч ≈ 1,34  л.с.⋅ч . Поскольку 1 Дж = 10−6 ^МДж  и 1 м3 ⁼ 103 ^л  , разделите джоуль / м3 на ^{109, чтобы} получить МДж / л = ГДж/м3 ^. Разделите МДж/л на 3,6, чтобы получить кВт⋅ч /л.

Если не указано иное, значения в следующей таблице являются низшими значениями теплоты сгорания для идеального сгорания , не считая массы или объема окислителя. При использовании для производства электроэнергии в топливном элементе или для выполнения работы , именно свободная энергия реакции Гиббса (Δ G ) устанавливает теоретический верхний предел. Если полученная H ₂ O является паром, она, как правило, больше, чем низшая теплота сгорания, тогда как если полученная H
₂O — жидкость, она, как правило, меньше высшей теплоты сгорания. Но в наиболее значимом случае водорода Δ G составляет 113 МДж/кг, если образуется водяной пар, и 118 МДж/кг, если образуется жидкая вода, обе величины меньше низшей теплоты сгорания (120 МДж/кг). ^[20]

Механическая способность хранения энергии, или упругость , материала Hookean , когда он деформирован до точки разрушения, может быть вычислена путем вычисления предела прочности на растяжение, умноженного на максимальное удлинение, и деления на два. Максимальное удлинение материала Hookean может быть вычислено путем деления жесткости этого материала на его предел прочности на растяжение. В следующей таблице перечислены эти значения, вычисленные с использованием модуля Юнга в качестве меры жесткости:

• Инфляционная Вселенная: Поиски 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
• ^ "Авиационное топливо". Энергия, технология и окружающая среда . Ред. Аттилио Бизио. Т. 1. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259
• «Топливо будущего для легковых и грузовых автомобилей» – д-р Джеймс Дж. Эберхардт – Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии, Министерство энергетики США – Семинар по сокращению выбросов дизельных двигателей (DEER) 2002 г. Сан-Диего, Калифорния – 25–29 августа 2002 г.
• «Теплотворные способности различных видов топлива – Всемирная ядерная ассоциация». www.world-nuclear.org . Получено 4 ноября 2018 г. .