În fizică, densitatea de energie reprezintă cantitatea de energie stocată într-un sistem sau într-o regiune specifică a spațiului, raportată la unitatea de volum. Este important să nu se confunde cu energia specifică sau densitatea de energie gravimetrică, care se referă la energia pe unitate de masă.
Deși uneori se ia în considerare doar energia utilă sau extractibilă, ignorând energia inaccesibilă (precum energia masei de repaus).[1] Cu toate acestea, în contextul cosmologic și al altor teorii relativiste generale, densitățile de energie considerate corespund elementelor tensorului energie-impuls și, prin urmare, includ atât energia de masă, cât și densitățile energetice asociate cu presiunea.
Energia pe unitate de volum are aceleași unități fizice ca presiunea și în multe situații este sinonimă cu aceasta. De exemplu, densitatea de energie a unui câmp magnetic poate fi exprimată și se comportă ca o presiune fizică. De asemenea, energia necesară pentru comprimarea unui gaz la un anumit volum poate fi determinată prin înmulțirea diferenței dintre presiunea gazului și presiunea externă cu variația de volum. Un gradient de presiune descrie potențialul de a efectua lucru mecanic asupra mediului înconjurător prin conversia energiei interne în lucru mecanic până la atingerea echilibrului.
Prezentare generală
Există diferite tipuri de energie stocate în materiale, iar eliberarea fiecărui tip de energie necesită un anumit tip de reacție. În ordinea mărimii tipice a energiei eliberate, aceste tipuri de reacții sunt: nucleară, chimică, electrochimică și electrică.
Reacțiile nucleare au loc în stele și centrale nucleare, ambele obținând energie din energia de legătură a nucleelor. Reacțiile chimice sunt utilizate de organisme pentru a obține energie din alimente și de automobile pentru a obține energie din benzină. Hidrocarburile lichide (combustibili precum benzina, motorina și kerosenul) reprezintă astăzi cea mai densă modalitate cunoscută de stocare și transport economic al energiei chimice la scară largă (1 kg de motorină arde cu oxigenul conținut în aproximativ 15 kg de aer). Reacțiile electrochimice sunt utilizate de majoritatea dispozitivelor mobile, cum ar fi laptopurile și telefoanele mobile, pentru a elibera energie din baterii.
Tipuri de conținut de energie
Există mai multe tipuri de conținut de energie. Unul este cantitatea totală teoretică de lucru termodinamic care poate fi derivată dintr-un sistem, la o temperatură și presiune date impuse de mediul înconjurător. Aceasta se numește exergie. Altul este cantitatea teoretică de energie electrică care poate fi derivată din reactanți aflați la temperatura camerei și presiunea atmosferică. Aceasta este dată de variația entalpiei libere. Această energie este adesea utilizată pentru a alimenta dispozitive electronice și electrocasnice. Dar ca sursă de căldură sau pentru utilizare într-un motor termic, cantitatea relevantă este variația entalpiei standard sau puterea calorifică.
Există două tipuri de putere calorifică:
Puterea calorifică superioară (Hs), sau puterea calorifică brută, include toată căldura degajată pe măsură ce produșii se răcesc la temperatura camerei și orice vapori de apă prezenți se condensează.
Puterea calorifică inferioară (Hi), sau puterea calorifică netă, nu include căldura care ar putea fi degajată prin condensarea vaporilor de apă și poate să nu includă căldura degajată la răcire până la temperatura camerei.
Pentru o consultare rapidă a valorilor Hs și Hi ale diverșilor combustibili, se recomandă consultarea tabelelor.[2]
În aplicațiile de stocare a energiei și al combustibililor
În aplicațiile de stocare a energiei, densitatea de energie corelează energia dintr-un depozit de energie cu volumul instalației de stocare, de exemplu, rezervorul de combustibil. Cu cât densitatea de energie a combustibilului este mai mare, cu atât mai multă energie poate fi stocată sau transportată pentru același volum. Având în vedere înalta densitate de energie a benzinei, explorarea unor medii alternative pentru stocarea energiei necesare alimentării unei mașini, precum hidrogenul sau bateriile, este puternic limitată de densitatea de energie a mediului alternativ. De exemplu, aceeași masă de stocare cu ioni de litiu ar duce la o mașină cu doar 2% din autonomia echivalentului său pe benzină. Dacă sacrificarea autonomiei este nedorită, devine necesar să se transporte mult mai mult combustibil.
Densitatea de energie a unui combustibil pe unitate de masă se numește energie specifică. În general, un motor care utilizează acel combustibil va genera mai puțină energie cinetică din cauza ineficiențelor și principiului al doilea al termodinamicii — prin urmare, consumul specific de combustibil al unui motor va fi întotdeauna mai mare decât rata sa de producere a energiei cinetice.
Nici o metodă unică de stocare a energiei nu oferă cele mai bune valori pentru putere specifică, energie specifică și densitate de energie. Legea lui Peukert descrie modul în care cantitatea de energie utilă care poate fi obținută (pentru un acumulator plumb-acid) depinde de cât de repede este extrasă.
Se discută opțiuni alternative pentru stocarea energiei pentru a crește densitatea de energie și a reduce timpul de încărcare.[4][5][6][7]
Figura de mai sus prezintă densitatea de energie gravimetrică și volumetrică a unor combustibili și tehnologii de stocare (modificată din articolul benzină).
Unele valori pot să nu fie precise din cauza izomerilor sau a altor neregularități. Vezi Putere calorifică pentru un tabel complet al energiilor specifice ale combustibililor importanți.
În general, valorile densității pentru combustibilii chimici nu includ greutatea oxigenului necesar arderii. Greutățile atomice ale carbonului și oxigenului sunt similare, în timp ce hidrogenul este mult mai ușor. Cifrele sunt prezentate în acest fel pentru acei combustibili unde, în practică, aerul ar fi tras doar local în arzător. Acest lucru explică densitatea energetică aparent mai mică a materialelor care conțin propriul lor oxidant (cum ar fi praful de pușcă și TNT), unde masa oxidantului adaugă efectiv greutate și absoarbe o parte din energia de combustie pentru a disocia și elibera oxigen pentru continuarea reacției. Acest lucru explică, de asemenea, unele anomalii aparente, cum ar fi faptul că densitatea de energie a unui sandviș pare să fie mai mare decât cea a unui băț de dinamită.
Următoarele conversii de unități pot fi utile atunci când se analizează datele din tabele: 3.6 MJ = 1 kW⋅h ≈ 1,34 CP⋅h. Deoarece 1 J = 10−6 MJ și 1 m3 = 103 L, se împarte joule/m3 la 109 pentru a obține MJ/L = GJ/m3. Se împarte MJ/L la 3,6 pentru a obține kW⋅h /L.
Cu excepția cazului în care se specifică altfel, valorile din următorul tabel sunt valorile calorifice inferioare pentru combustia perfectă, fără a se număra masa sau volumul oxidantului. Când este utilizat pentru producerea de electricitate într-o pilă de combustie sau pentru efectuarea de lucru mecanic, este entalpia liberă de reacție (ΔG) care stabilește limita teoretică superioară. Dacă produs este vapori, aceasta este în general mai mare decât puterea calorifică inferioară, în timp ce dacă produs este lichid, este în general mai mică decât puterea calorifică superioară. Dar în cazul cel mai relevant al hidrogenului, ΔG este de 113 MJ/kg dacă se produce vapori de apă și de 118 MJ/kg dacă se produce apă lichidă, ambele fiind mai mici decât puterea calorifică inferioară (120 MJ/kg).[8]
Data din aceeași referință ca și pentru hidrogenul lichid.[9]
Rezervoarele de înaltă presiune cântăresc mult mai mult decât hidrogenul pe care îl pot conține. Hidrogenul poate reprezenta aproximativ 5,7% din masa totală,[10] ceea ce înseamnă că valoarea Hi este de doar 6,8 MJ pe kg de masă totală.
A se vedea nota de mai sus privind utilizarea în pilele de combustie.
Capacitatea de stocare a energiei mecanice sau rezistența unui material Hookean atunci când este deformat până la punctul de rupere poate fi calculată prin calcularea rezistenței la tracțiune înmulțită cu alungirea maximă împărțită la doi. Alungirea maximă a unui material Hookean poate fi calculată împărțind rigiditatea acelui material la rezistența sa maximă la tracțiune. Următorul tabel listează aceste valori calculate folosind modulul Young ca măsură a rigidității:
Cea mai mare sursă de energie este, de departe, materia însăși. Această energie, E = mc2, unde m = ρV, ρ este masa pe unitate de volum, V este volumul masei în sine, iar c este viteza luminii. Cu toate acestea, această energie poate fi eliberată doar prin procesele de fisiune nucleară (0,1%), fuziune nucleară (1%) sau anihilarea unei părți sau a întregii materii din volumul V prin coliziuni materie-antimaterie (100%). Reacțiile nucleare nu pot fi realizate prin reacții chimice precum arderea. Deși se pot obține densități de materie mai mari, densitatea unei stelele neutronice ar aproxima cel mai dens sistem capabil de anihilare materie-antimaterie posibilă. O gaură neagră, deși mai densă decât o stea neutronică, nu are o formă echivalentă de antiparticule, dar ar oferi același procent de conversie de 100% a masei în energie sub formă de radiație Hawking. În cazul găurilor negre relativ mici (mai mici decât obiectele astronomice), puterea de ieșire ar fi uriașă.
Cele mai dense surse de energie, în afară de antimaterie, sunt fuziunea și fisiunea. Fuziunea include energia de la soare, care va fi disponibilă timp de miliarde de ani (sub formă de lumină solară), dar până în 2021, producerea de energie din fuziune susținută rămânea evazivă.
Energia din fisiunea uraniului și toriului în centralele nucleare va fi disponibilă timp de multe decenii sau chiar secole datorită rezervelor abundente ale elementelor pe Pământ,[78] deși întregul potențial al acestei surse poate fi realizat doar prin reactoarele reproducătoare, care, în afară de reactorul BN-600, nu sunt încă utilizate comercial.[79]Cărbunele, gazul și petrolul sunt principalele surse de energie primare actuale în SUA,[80] dar au o densitate de energie mult mai mică. Arderea combustibililor locali obținuți din biomasă asigură nevoile energetice ale gospodăriilor (focuri de gătit, lămpi cu ulei etc.) la nivel mondial.
Puterea termică a reactoarelor nucleare cu fisiune
Densitatea energiei termice conținută în miezul unui reactor cu apă ușoară (reactor cu apă presurizată (RAP) sau reactor cu apă în fierbere (RAF)) de aproximativ 1 GWe (1.000 MW electrici corespunzător la aproximativ 3.000 MW termici) este în intervalul de 10 până la 100 MW de energie termică pe metru cub de apă de răcire în funcție de locația considerată în sistem (miezul în sine (≈30 m3), vasul reactorului (≈50 m3) sau întregul circuit primar (≈300 m3). Aceasta reprezintă o densitate considerabilă de energie care necesită un flux continuu de apă cu viteză mare în orice moment pentru a îndepărta căldura din miez, chiar și după o oprire de urgență a reactorului.
Incapacitatea de a răci miezurile a trei reactoare RAF de la Fukushima după tsunamiul din 2011 și pierderea ulterioară a energiei electrice externe și a sursei reci au provocat topirea celor trei miezuri în doar câteva ore, deși cele trei reactoare au fost închise corect imediat după cutremurul din Tōhoku. Această densitate de putere extrem de mare distinge centralele nucleare (CN) de orice centrale termice (arderea cărbunelui, combustibilului sau gazului) sau orice instalații chimice și explică redundanța mare necesară pentru controlul permanent al reactivității neutronilor și pentru îndepărtarea căldurii reziduale din miezul CN-urilor.
Densitatea de energie a câmpurilor electrice și magnetice
Câmpurileelectrice stochează energie. Densitatea energetică (volumetrică) este dată de
unde E este câmpul electric, B este câmpul magnetic, iar ε și µ sunt permitivitatea și permeabilitatea mediului înconjurător, respectiv. Soluția va fi (în unități SI) în jouli pe metru cub. În contextul magnetohidrodinamicii, fizica fluidelor conductoare, densitatea energiei magnetice se comportă ca o presiune suplimentară care se adaugă la presiunea gazului unei plasme.
În substanțele ideale (liniare și nedispersive), densitatea de energie (în unități SI) este
Când un laser pulsat lovește o suprafață, expunerea radiantă, adică energia depusă pe unitate de suprafață, poate fi numită densitate de energie sau fluență.[82]
^Naoi, K.; et., al. (). „New generation "nanohybrid supercapacitor"”. Accounts of Chemical Research. 46 (5): 1075–1083. doi:10.1021/ar200308h. PMID22433167.
^Hubler, A.; Osuagwu, O. (). „Digital quantum batteries: Energy and information storage in nanovacuum tube arrays”. Complexity. 15 (5): NA. doi:10.1002/cplx.20306.
^Bossel, Ulf (iulie 2003). „The Physics of the Hydrogen Economy”(PDF). European Fuel Cell News. Arhivat din original(PDF) la . Accesat în . The Higher Heating Values are 22.7, 29.7 or 31.7 MJ/kg for methanol, ethanol and DME, respectively, while gasoline contains about 45 MJ per kg.
^„Dimethyl Ether (DME)”(PDF). European Biofuels Technology Platform. . Accesat în . DME density and lower heating value were obtained from the table on the first page.
^Green Don; Perry Robert (). Perry's chemical engineers' handbook (ed. 8th). New York: McGraw-Hill. ISBN9780071422949.
^Mitchell, Robert R.; Gallant, Betar M.; Thompson, Carl V.; Shao-Horn, Yang (). „All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li–O2 batteries”. Energy & Environmental Science. 4 (8): 2952–2958. doi:10.1039/C1EE01496J.
^ abEroare la citare: Etichetă <ref> invalidă; niciun text nu a fost furnizat pentru referințele numite :6
^Lu, Gui-e; Chang, Wen-ping; Jiang, Jin-yong; Du, Shi-guo (mai 2011). „Study on the energy density of gunpowder heat source”. 2011 International Conference on Materials for Renewable Energy & Environment. IEEE. pp. 1185–1187. doi:10.1109/ICMREE.2011.5930549. ISBN978-1-61284-749-8.
^Meroueh, Laureen; Chen, Gang (). „Thermal energy storage radiatively coupled to a supercritical Rankine cycle for electric grid support”. Renewable Energy. 145: 604–621. doi:10.1016/j.renene.2019.06.036.
^A. Fopah-Lele, J. G. Tamba "A review on the use of Format:Chem2 as a potential material for low temperature energy storage systems and building applications", Solar Energy Materials and Solar Cells164 175-84 (2017).
^ "Aircraft Fuels." Energy, Technology and the Environment Ed. Attilio Bisio. Vol. 1. New York: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259
"Fuels of the Future for Cars and Trucks" – Dr. James J. Eberhardt – Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy – 2002 Diesel Engine Emissions Reduction (DEER) Workshop San Diego, California - August 25–29, 2002
Pertempuran IrpinBagian dari serangan Kyiv dalam Invasi Rusia ke Ukraina 2022Gedung hunian yang hancur akibat pertempuranTanggal27 Februari – 28 Maret 2022(1 bulan dan 1 hari)LokasiIrpin, UkrainaHasil Kemenangan Ukraina Angkatan bersenjata Rusia menduduki separuh kota Irpin pada 14 Maret 2022[1] Angkatan bersenjata Ukraina merebut kembali kota Irpin pada 28 Maret 2022[2][3]Pihak terlibat Rusia UkrainaTokoh dan pemimpin Tidak diketahui Oleksiy Ku...
French tennis player Maxime HamouCountry (sports) FranceBorn (1995-06-08) 8 June 1995 (age 28)Nîmes, FranceHeight1.85 m (6 ft 1 in)PlaysRight-handed (two-handed backhand)Prize money$117,881SinglesCareer record0–3 (at ATP Tour level, Grand Slam level, and in Davis Cup)Career titles0Highest rankingNo. 211 (27 July 2015)Current rankingNo. 350 (18 June 2020)Grand Slam singles resultsFrench Open1R (2015, 2017)WimbledonQ1 (2015)US OpenQ1 (20...
South Korean actress (born 1999) This article is about an actress born in 1999. For the other actress of the same name born in 2000, see Kim Si-eun. Kim Si-eun김시은Kim in April 2023Born (1999-01-19) January 19, 1999 (age 25)Ilsandong District, Goyang, Gyeonggi Province, South Korea[1]OccupationActressYears active2017–presentAgentGoldmedalistKorean nameHangul김시은Revised RomanizationGim Si-eunMcCune–ReischauerKim Siŭn Websitegoldmedalist.com Kim Si-eun (Korean...
Yasushi AkimotoInformasi latar belakangNama lainYasusu (やすすcode: ja is deprecated )Aki-PLahir2 Mei 1956 (umur 67)Meguro, Tokyo, JepangGenrePopPekerjaanpenulis lirikproduser rekamanpenulis televisisutradaraTahun aktif1973–sekarangArtis terkaitTunnelsOnyanko ClubKenjiro SakiyaAKB48 GroupSakamichi Series Yasushi Akimoto (秋元 康code: ja is deprecated , Akimoto Yasushi, lahir 2 Mei 1956) adalah produser rekaman dan televisi sekaligus penulis lirik, penulis skenario televisi, dan s...
SmaradahanaAsmaradhanaAsmaradanaSebuah puisi Jawa Kuno ( kakawin )Adegan dari Smaradahana yang digambarkan dalam lukisan gaya Bali yang dibuat oleh I Ketut Gedé c. 1890. Lukisan ini di atas kain katun buatan mesin. 1113 × 168 cm. Singaraja. Koleksi Wereldmuseum (Rotterdam) Inv. no. 26939.Judul asliAsmaradhanaIlustratorSuku Jawa[perlu disambiguasi]NegaraIndonesiaBahasaBahasa KawiPenerbitBahasa Kawi[perlu disambiguasi] Kakawin SmaradahanaDisebut pulaᬓᬓᬯᬶᬦ᭄ᬲ᭄...
Historic district in West Virginia, United States United States historic placeEdgewood Historic DistrictU.S. National Register of Historic PlacesU.S. Historic district Show map of West VirginiaShow map of the United StatesLocationRoughly bounded by Edgewood Dr., Highland, Beech, Chester, and Lower Chester, Charleston, West VirginiaCoordinates38°22′3″N 81°38′42″W / 38.36750°N 81.64500°W / 38.36750; -81.64500ArchitectMultipleArchitectural styleColonial R...
周處除三害The Pig, The Snake and The Pigeon正式版海報基本资料导演黃精甫监制李烈黃江豐動作指導洪昰顥编剧黃精甫主演阮經天袁富華陳以文王淨李李仁謝瓊煖配乐盧律銘林孝親林思妤保卜摄影王金城剪辑黃精甫林雍益制片商一種態度電影股份有限公司片长134分鐘产地 臺灣语言國語粵語台語上映及发行上映日期 2023年10月6日 (2023-10-06)(台灣) 2023年11月2日 (2023-11-02)(香�...
Kapal selam Jerman U-14 (awal 1910-an) Perang kapal selam tanpa batas adalah jenis peperangan laut di mana kapal selam menenggelamkan kapal-kapal dagang seperti kapal barang dan kapal tanker tanpa peringatan, berbeda dengan serangan sesuai aturan rampasan (juga dikenal sebagai aturan kapal penjelajah) yang meminta kapal perang untuk mencari kapal dagang[1] dan menempatkan awak kapal di tempat yang aman (yang tidak termasuk sekoci, kecuali dalam keadaan tertentu)[2] sebelum men...
Hummer by GMCby JenisDivisi dari GMIndustriMobilNasibDiproduksi kembali berupa sub-brand mobil listrik oleh GMC pada 2021Didirikan1992Ditutup24 Mei 2010 untuk merek utamaKantorpusat Detroit, Michigan, Amerika SerikatProduk(H1) Sport utility vehicle (H2, H3), truk pikap besar (H1)IndukGMCSitus webwww.hummer.com Mobil Hummer Hummer adalah sebuah merek truk dan SUV yang pertama kali dijual pada tahun 1992 oleh AM General ketika mereka mulai menjual versi sipil dari model M998 Humvee. Tahun 1998,...
This steel-core BB has an electroplated copper jacket to prevent the core from rusting. Total metal jacket (TMJ or full metal case) bullets[1] are made by electroplating a thin jacket of ductile metal (usually copper) over a core of different metal requiring protection from abrasion or corrosion.[2] Similar full metal jacket bullets mechanically swage a thin sheet of metal over the core. The swaging process leaves an opening exposing the core on the base or nose of the bullet,...
United States Indian agent and missionary For the Confederate cavalry commander in the American Civil War, see Elijah V. White. Elijah WhiteBorn1806New YorkDiedApril 3, 1879Occupation(s)MissionaryphysicianKnown forOregon TrailTitleUnited States sub-Indian Agent Dr. Elijah White (1806–1879) was a missionary and agent for the United States government in Oregon Country during the mid-19th century. A trained physician from New York State, he first traveled to Oregon as part of the Methodis...
Ini adalah nama Korea; marganya adalah Shin. Shin Jae-hadrama 'VIP' was held at SBS in Mok-dong, Yangcheon-gu, Seoul, 2019Lahir2 April 1993 (umur 31)Korea SelatanPekerjaanAktorTahun aktif2013-sekarangAgenIn Next Trend Nama KoreaHangul신재하 Alih AksaraSin Jae-haMcCune–ReischauerSin Chae-ha Templat:Korean membutuhkan parameter |hangul=. Shin Jae-ha (lahir 2 April 1993) adalah aktor asal Korea Selatan.[1][2] Filmografi Film Tahun Judul Peran 2014 Futurele...
This article does not cite any sources. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: Aleut Ka – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (May 2022) (Learn how and when to remove this message) Cyrillic letter Cyrillic letterAleut KaPhonetic usage:/q/The Cyrillic scriptSlavic lettersАА̀А̂А̄ӒБВГҐДЂЃЕЀЕ̄Е̂ЁЄЖЗЗ́ЅИІЇꙆЍИ̂ӢЙЈК...
Village on the Isle of Wight For people named Bembridge, see Bembridge (surname). Human settlement in EnglandBembridgeBembridge Lifeboat StationBembridgeLocation within the Isle of WightArea9.1278 km2 (3.5243 sq mi) [1]Population3,688 (2011 Census including Culver Down and Hillway)[2]• Density404/km2 (1,050/sq mi)OS grid referenceSZ643882Unitary authorityIsle of WightCeremonial countyIsle of WightRegionSouth EastCountryE...
Performance-limiting phenomenon in computer networks Head-of-line blocking (HOL blocking) in computer networking is a performance-limiting phenomenon that occurs when a queue of packets is held up by the first packet in the queue. This occurs, for example, in input-buffered network switches, out-of-order delivery and multiple requests in HTTP pipelining. Network switches Head-of-line blocking example: The 1st and 3rd input flows are competing to send packets to the same output interface. In t...
Folk song This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: Frankie and Johnny song – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (July 2016) (Learn how and when to remove this message) Frankie and Johnny (sometimes spelled Frankie and Johnnie; also known as Frankie and Albert, Frankie's Man, Johnny, or j...
Dieser Artikel befasst sich mit dem Politikwissenschaftler Klaus Schroeder. Zu anderen Personen siehe Klaus Schröder. Klaus Schroeder (2004) Klaus Schroeder (* 16. Oktober 1949 in Lübeck-Travemünde) ist ein deutscher Politikwissenschaftler und Zeithistoriker, der an der Freien Universität Berlin den Forschungsverbund SED-Staat und die Arbeitsstelle Politik und Technik leitet und als Professor am Otto-Suhr-Institut lehrt. Inhaltsverzeichnis 1 Leben 2 Forschungsschwerpunkte 3 Schriften (Au...