Плотность энергии
| Плотность энергии | |
|---|---|
| единица СИ | Дж / м 3 |
| Другие единицы | Дж/л, Вт⋅ч/л |
| В основных единицах СИ | м −1 ⋅кг⋅с −2 |
| Производные от других величин | U = Е / В |
| Измерение |
В физике плотность энергии — это количество энергии , хранящейся в данной системе или области пространства на единицу объема . Его также можно использовать для энергии на единицу массы , хотя более точным термином для этого является удельная энергия (или гравиметрическая плотность энергии).
Часто измеряется только полезная или извлекаемая энергия, то есть недоступная энергия (такая как энергия массы покоя ) игнорируется. [1] Однако в космологическом и других общих релятивистских контекстах учитываются плотности энергии, которые соответствуют элементам тензора энергии-импульса и, следовательно, включают массовую энергию, а также плотности энергии, связанные с давлениями, описанными в следующем абзаце. .
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 выражена (и ведет себя как) как физическое давление, а энергия, необходимая для сжатия немного больше сжатого газа можно определить, умножив разницу между давлением газа и внешним давлением на изменение объема. Градиент давления может совершать работу над окружающей средой, преобразовывая внутреннюю энергию в работу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.
Обзор
В материалах хранятся разные типы энергии, и для высвобождения каждого типа энергии требуется определенный тип реакции. В порядке типичной величины выделяемой энергии выделяют следующие типы реакций: ядерная , химическая , электрохимическая и электрическая .
Ядерные реакции происходят в звездах и атомных электростанциях, которые получают энергию за счет энергии связи ядер. Химические реакции используются животными для получения энергии из пищи и кислорода, а автомобили — для получения энергии из бензина и кислорода. [2] 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 больших масштабах (1 кг дизельного топлива сгорает 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
Существует несколько различных типов содержания энергии. Одним из них является теоретическое общее количество термодинамической работы , которое может быть получено системой при заданной температуре и давлении, создаваемых окружающей средой. Это называется эксергией . Другим является теоретическое количество электроэнергии, которое может быть получено из реагентов при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это определяется 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 .
Различают два вида теплоты сгорания:
- Более высокое значение (HHV), или общая теплота сгорания, включает все тепло, выделяемое при охлаждении продуктов до комнатной температуры и конденсации любого присутствующего водяного пара.
- Нижнее значение (LHV), или чистая теплота сгорания, не включает теплоту, которая может выделяться при конденсации водяного пара, и может не включать теплоту, выделяющуюся при охлаждении до комнатной температуры.
Удобную таблицу HHV и LHV некоторых видов топлива можно найти в справочниках. [3]
В хранении энергии и топливе
В приложениях для хранения энергии плотность энергии связывает энергию в накопителе энергии с объемом хранилища, например топливного бака. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии может храниться или транспортироваться при том же объеме. Учитывая высокую плотность энергии бензина, исследование альтернативных сред для хранения энергии, необходимой для питания автомобиля, таких как водород или аккумулятор, сильно ограничено плотностью энергии альтернативной среды. Та же масса литий-ионного хранилища, например, привела бы к тому, что запас хода автомобиля составил бы всего 2% по сравнению с его бензиновым аналогом. Если жертвовать дальностью полета нежелательно, необходимо нести 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, поэтому удельный расход топлива двигателем всегда будет больше, чем скорость производства кинетической энергии движения.
Плотность энергии отличается от эффективности преобразования энергии (чистый выход на вход) или воплощенной энергии (затраты на выход энергии для обеспечения, поскольку сбор , переработка , распределение и борьба с загрязнением используют энергию). Крупномасштабное, интенсивное использование энергии влияет на климат , хранение отходов и последствия для окружающей среды .
Ни один метод хранения энергии не может похвастаться лучшими показателями удельной мощности , удельной энергии и плотности энергии. Закон Пейкерта описывает, как количество полезной энергии, которую можно получить (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, насколько быстро она вытягивается. Удельная плотность энергии вещества есть произведение значений удельной энергии и плотности энергии; чем выше число, тем лучше вещество эффективно хранит энергию.
Обсуждаются альтернативные варианты хранения энергии для увеличения плотности энергии и сокращения времени зарядки. [11] [12] [13] [14]
На рисунке выше показана гравиметрическая и объемная плотность энергии некоторых видов топлива и технологий хранения (с изменениями из статьи о бензине ).
Некоторые значения могут быть неточными из-за наличия изомеров или других нарушений. См. Теплотворную способность для получения подробной таблицы удельной энергии важных видов топлива.
Как правило, значения плотности для химического топлива не включают вес кислорода, который обеспечивает большую часть энергии, выделяемой при сгорании, [2] обычно два атома кислорода на атом углерода и один на два атома водорода. Атомные весауглерода и кислорода подобны, а водород намного легче. Цифры представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух всасывается только локально в горелку. 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 высвобождения кислорода для продолжения реакции. . Это также объясняет некоторые очевидные аномалии, такие как плотность энергии бутерброда, которая кажется выше, чем у динамитной шашки.
Список плотностей материальной энергии
 | Эта статья или раздел , кажется, противоречит сам себе . ( апрель 2019 г. ) |
Некоторые из перечисленных в этом разделе источников могут быть ненадежными . ( февраль 2020 г. ) |
При рассмотрении данных в таблицах могут быть полезны 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 л, 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 ядерных реакциях
| 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 с учетом как потребленной массы антивещества, так и массы обычного вещества |
| Водород (синтетический) | 639 780 320 [15] , но по крайней мере 2% из них теряется из-за нейтрино . | Зависит от условий | 177 716 755 600 | Зависит от условий | Реакция 4H→ 4 He |
| Дейтерий (синтетический) | 571 182 758 [16] | Зависит от условий | 158 661 876 600 | Зависит от условий | Предлагаемая схема синтеза для D+D→ 4He путем объединения D+D→T+H, T+D→ 4He +n, n+H→D и D+D→ 3He +n, 3He +D→ 4 He+H, n+H→D |
| Дейтерий + тритий (синтез) | 337 387 388 [15] | Зависит от условий | 93 718 718 800 | Зависит от условий | D + T → 4 He + n Разрабатывается. |
| Дейтерид лития-6 (плавкий) | 268 848 415 [15] | 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, выделяемое 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 [17] | 1 539 842 000 | 22 394 000 000 | Тепло, выделяемое в реакторе-размножителе | |
| Торий | 79 420 000 [17] | 929 214 000 | 22 061 000 000 | Тепло, выделяемое в реакторе-размножителе (экспериментальный) | |
| Плутоний-238 | 2 239 000 | 43 277 631 | 621 900 000 | Радиоизотопный термоэлектрический генератор . Тепло выделяется только со скоростью 0,57 Вт/г. |
В химических реакциях (окисление)
Если не указано иное, значения в следующей таблице являются более низкими значениями теплотворной способности для полного 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 образующийся H 2 O представляет собой пар, это обычно больше, чем низшая теплота сгорания, тогда как если образующийся H 2 O
2O жидкий, он обычно меньше, чем более высокая теплота сгорания. Но в наиболее подходящем случае водорода ΔG составляет 113 МДж/кг, если производится водяной пар, и 118 МДж/кг, если производится жидкая вода, что меньше низшей теплоты сгорания (120 МДж/кг). [18]
| Материал | Удельная энергия (МДж/кг) | Плотность энергии (МДж/л) | Удельная энергия ( Вт⋅ч/кг ) | Плотность энергии (Вт⋅ч/л) | Комментарий |
|---|---|---|---|---|---|
| Водород, жидкость | 141,86 ( высокая высота ) 119,93 (низкая высота ) | 10,044 (высокая высота) 8,491 (длинная высота) | 39 405,6 (высокая высота) 33 313,9 (длинная высота) | 2 790,0 (высокая высота) 2 358,6 (длинная высота) | Показатели энергии действительны после повторного нагрева до 25 °C. [19] См. примечание выше об использовании в топливных элементах. |
| Водород, газ (69 МПа, 25 °С) | 141,86 (высокая высота ) 119,93 (низкая высота) | 5,323 (высокая высота) 4,500 (длинная высота) | 39 405,6 (высокая высота) 33 313,9 (длинная высота) | 1 478,6 (высокая высота) 1 250,0 (длинная высота) | Дата из той же ссылки, что и для жидкого водорода. [19] Баллоны высокого давления весят намного больше, чем водород, который они могут вместить. Водород может составлять около 5,7% от общей массы [20] , что дает всего 6,8 МДж на кг общей массы для LHV. См. примечание выше об использовании в топливных элементах. |
| Водород, газ (1 атм или 101,3 кПа, 25 °C) | 141,86 (высокая высота ) 119,93 (низкая высота) | 0,01188 (высокая высота) 0,01005 (низкая высота) | 39 405,6 (высокая высота) 33 313,9 (длинная высота) | 3,3 (высокая высота) 2,8 (длинная высота) | [19] |
| Диборан | 78,2 | 21 722,2 | [21] | ||
| 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 | [22] |
| Метан (101,3 кПа, 15 °C) | 55,6 | 0,0378 | 15 444,5 | 10,5 | |
| СПГ (ПГ при −160 °C) | 53,6 [23] | 22,2 | 14 888,9 | 6 166,7 | |
| КПГ (ПГ, сжатый до 25 МПа ≈3600 фунтов на квадратный дюйм) | 53,6 [23] | 9 | 14 888,9 | 2500,0 | |
| Природный газ | 53,6 [23] | 0,0364 | 14 888,9 | 10.1 | |
| пропан сжиженный нефтяной газ | 49,6 | 25,3 | 13 777,8 | 7027,8 | [24] |
| бутан сжиженный нефтяной газ | 49,1 | 27,7 | 13 638,9 | 7694,5 | [24] |
| Бензин (бензин) | 46,4 | 34,2 | 12 888,9 | 9 500,0 | [24] |
| Полипропиленовый пластик | 46,4 [25] | 41,7 | 12 888,9 | 11 583,3 | |
| Полиэтиленовый пластик | 46,3 [25] | 42,6 | 12 861,1 | 11 833,3 | |
| Бытовое отопительное масло | 46,2 | 37,3 | 12 833,3 | 10 361,1 | [24] |
| Дизельное топливо | 45,6 | 38,6 | 12 666,7 | 10 722,2 | [24] |
| 100LL Авгаз | 44,0 [26] | 31,59 | 12 222,2 | 8 775,0 | |
| Топливо для реактивных двигателей (например , керосин ) | 43 [27] [28] [29] | 35 | Авиадвигатель | ||
| Газохол 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 | 6388,9 | |
| Биодизельное масло (растительное масло) | 42.20 | 33 | 11 722,2 | 9 166,7 | |
| ДМФА (2,5-диметилфуран) | 42 [30] | 37,8 | 11 666,7 | 10 500,0 | [ нужно уточнение ] |
| Сырая нефть ( тонна нефтяного эквивалента ) | 41.868 | 37 [23] | 11 630 | 10 278 | |
| Полистирол пластик | 41,4 [25] | 43,5 | 11 500,0 | 12 083,3 | |
| Телесный жир | 38 | 35 | 10 555,6 | 9722,2 | Метаболизм в организме человека (эффективность 22% [31] ) |
| бутанол | 36,6 | 29,2 | 10 166,7 | 8 111,1 | |
| Газохол Е85 (85% этанола 15% бензина по объему) | 33.1 | 25.65 [ нужна ссылка ] | 9 194,5 | 7 125,0 | |
| графит | 32,7 | 72,9 | 9083,3 | 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 сгорание без учета окислителя, но эффективность преобразования в электричество составляет ≈36% [7] . |
| Кремний | 1.790 | 4,5 | 500 | 1285 | Энергия, накопленная за счет перехода кремния из твердого состояния в жидкое [32] |
| Алюминий | 31,0 | 83,8 | 8611,1 | 23 277,8 | |
| Этиловый спирт | 30 | 24 | 8 333,3 | 6666,7 | |
| ДМЕ | 31,7 (высокая высота) 28,4 (низкая высота) | 21,24 (ВВГ) 19,03 (ВГВ) | 8 805,6 (высокая высота) 7 888,9 (длинная высота) | 5 900,0 (высокая высота) 5 286,1 (длинная высота) | [33] [34] |
| Полиэфирный пластик | 26,0 [25] | 35,6 | 7 222,2 | 9888,9 | |
| Магний | 24,7 | 43,0 | 6861,1 | 11 944,5 | |
| Уголь битуминозный _ | 24–35 | 26–49 | 6 666,7–9 722,2 | 7 222,2–13 611,1 | [7] |
| ПЭТ- пластик (нечистый) | 23,5 [35] | 6 527,8 | |||
| Метанол | 19,7 | 15,6 | 5 472,2 | 4333,3 | |
| Гидразин (сгорает до N 2 +H 2 O) | 19,5 | 19,3 | 5416,7 | 5361,1 | |
| Жидкий аммиак (сгорает до N 2 +H 2 O) | 18,6 | 11,5 | 5166,7 | 3194,5 | |
| Пластик ПВХ ( неправильное сгорание токсично ) | 18,0 [25] | 25,2 | 5000,0 | 7000,0 | [ нужно уточнение ] |
| Древесина | 18,0 | 5000,0 | [36] | ||
| Торфяной брикет | 17,7 | 4916,7 | [37] | ||
| Сахара, углеводы и белок | 17 | 26,2 ( декстроза ) | 4722,2 | 7 277,8 | Метаболизм в организме человека (эффективность 22% [38] ) [ нужна ссылка ] |
| Кальций | 15,9 | 24,6 | 4416,7 | 6833,3 | [ нужна ссылка ] |
| Глюкоза | 15.55 | 23,9 | 4319,5 | 6638,9 | |
| Сухой коровий и верблюжий навоз | 15,5 [39] | 4305,6 | |||
| Уголь , бурый уголь | 10–20 | 2 777,8–5 555,6 | [ нужна ссылка ] | ||
| натрий | 13.3 | 12,8 | 3694,5 | 3555,6 | сожженный до увлажнения гидроксид натрия |
| Торф | 12,8 | 3555,6 | |||
| Нитрометан | 11.3 | 3138,9 | |||
| Сера | 9.23 | 19.11 | 2563,9 | 5 308,3 | сжигается до двуокиси серы [40] |
| натрий | 9.1 | 8,8 | 2527,8 | 2444,5 | выжженный до сухого оксида натрия |
| Батарея, литий-воздушная перезаряжаемая | 9,0 [41] | 2500,0 | Управляемый электрический разряд | ||
| Бытовые отходы | 8,0 [42] | 2222,2 | |||
| Цинк | 5.3 | 38,0 | 1472,2 | 10 555,6 | |
| Железо | 5.2 | 40,68 | 1444,5 | 11 300,0 | сожжен до оксида железа (III) |
| Тефлоновый пластик | 5.1 | 11.2 | 1416,7 | 3111,1 | токсичен для горения, но не распространяет горение |
| Железо | 4.9 | 38,2 | 1361,1 | 10 611,1 | сгорел до оксида железа (II) |
| Порох | 4,7–11,3 [43] | 5,9–12,9 | |||
| тротил | 4.184 | 6,92 | |||
| АНФО | 3,7 | 1027,8 |
Другие механизмы выпуска
| Материал | Удельная энергия (МДж/кг) | Плотность энергии (МДж/л) | Удельная энергия ( Вт⋅ч/кг ) | Плотность энергии (Вт⋅ч/л) | Комментарий |
|---|---|---|---|---|---|
| Батарея воздушно-цинковая | 1,59 | 6.02 | 441,7 | 1672,2 | Управляемый электрический разряд [44] |
| Жидкий азот | 0,77 [45] | 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 (тепловая) | 0,334 | 0,334 | 93,1 | 93,1 | |
| Литий-металлическая батарея | 1,8 | 4,32 | Управляемый электрический разряд | ||
| Литий-ионный аккумулятор | 0,36–0,875 [48] | 0,9–2,63 | 100.00–243.06 | 250,00–730,56 | Управляемый электрический разряд |
| Маховик | 0,36–0,5 | 5.3 | Кинетическая энергия | ||
| Щелочная батарея | 0,48 [49] | 1,3 [50] | Управляемый электрический разряд | ||
| Никель-металлогидридный аккумулятор | 0,41 [51] | 0,504–1,46 [51] | Управляемый электрический разряд | ||
| Свинцово-кислотный аккумулятор | 0,17 | 0,56 | Управляемый электрический разряд | ||
| Суперконденсатор ( EDLC ) | 0,01–0,030 [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] | 0,006–0,06 [52] [53] [54] [55] [56] [57] | до 8,57 [58] | Управляемый электрический разряд | |
| Вода на высоте плотины 100 м | 0,000981 | 0,000978 | 0,272 | 0,272 | Цифры представляют собой потенциальную энергию, но эффективность преобразования в электричество составляет 85–90% [59] [60] . |
| Электролитический конденсатор | 0,00001–0,0002 [61] | 0,00001–0,001 [61] [62] [63] | Управляемый электрический разряд |
При деформации материала
Способность накапливать механическую энергию или упругость материала Гука , когда он деформируется до точки разрушения, может быть вычислена путем вычисления предела прочности при растяжении, умноженного на максимальное удлинение, деленного на два. Максимальное удлинение гуковского материала можно рассчитать, 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 для младших (ГПа) | Предел текучести при растяжении (МПа) |
|---|---|---|---|---|---|
| Резинка | 1651–6605 [64] | 2 200–8 900 [64] | 1,35 [64] | ||
| Сталь, ASTM A228 (выход, диаметр 1 мм) | 1440–1770 | 11 200–13 800 | 7,80 [65] | 210 [65] | 2 170–2 410 [65] |
| ацетали | 908 | 754 | 0,831 [66] | 2,8 [67] | 65 (конечная) [67] |
| Нейлон-6 | 233–1870 | 253–2030 | 1,084 | 2–4 [67] | 45–90 (максимум) [67] |
| Медь Бериллий 25-1/2 HT (выход) | 684 | 5720 [68] | 8,36 [69] | 131 [68] | 1224 [68] |
| Поликарбонаты | 433–615 | 520–740 | 1,2 [70] | 2,6 [67] | 52–62 (окончательный) [67] |
| АБС-пластик | 241–534 | 258–571 | 1,07 | 1,4–3,1 [67] | 40 (максимальное) [67] |
| Акрил | 1530 | 3,2 [67] | 70 (максимальное) [67] | ||
| Алюминий 7077-Т8 (выход) | 399 | 1120 [68] | 2,81 [71] | 71,0 [68] | 400 [68] |
| Сталь нержавеющая , 301-H (выход) | 301 | 2410 [68] | 8,0 [72] | 193 [68] | 965 [68] |
| Алюминий 6061-T6 (выход при 24 °C) | 205 | 553 | 2,70 [73] | 68,9 [73] | 276 [73] |
| Эпоксидные смолы | 113–1810 | 2–3 [67] | 26–85 (окончательный) [67] | ||
| Дуглас пихта Вуд | 158–200 | 96 | 0,481–0,609 [74] | 13 [67] | 50 (сжатие) [67] |
| Сталь мягкая AISI 1018 | 42,4 | 334 | 7,87 [75] | 205 [75] | 370 (440 Максимум) [75] |
| Алюминий (нелегированный) | 32,5 | 87,7 | 2,70 [76] | 69 [67] | 110 (максимальное) [67] |
| Сосна (Американская восточная белая, изгибаемая ) | 31,8–32,8 | 11,1–11,5 | .350 [77] | 8,30–8,56 (изгиб) [77] | 41,4 (изгиб) [77] |
| Латунь | 28,6–36,5 | 250–306 | 8,4–8,73 [78] | 102–125 [67] | 250 (максимум) [67] |
| Медь | 23.1 | 207 | 8,93 [78] | 117 [67] | 220 (максимальное) [67] |
| Стекло | 5,56–10,0 | 13,9–25,0 | 2,5 [79] | 50–90 [67] | 50 (сжатие) [67] |
В батареях
| Устройство хранения | Содержание энергии ( Джоуль ) | Энергоемкость ( Вт⋅ч ) | Тип энергии | Типичная 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 [80] | 9360 | 2,6 | Электрохимический | 24 | 14,2 × 50 | 7,92 | 1,18 | 0,39 |
| Щелочная батарея C [80] | 34 416 | 9,5 | Электрохимический | 65 | 26 × 46 | 24.42 | 1,41 | 0,53 |
| NiMH аккумулятор типа АА | 9072 | 2,5 | Электрохимический | 26 | 14,2 × 50 | 7,92 | 1,15 | 0,35 |
| никель-металлгидридный аккумулятор | 19 440 | 5.4 | Электрохимический | 82 | 26 × 46 | 24.42 | 0,80 | 0,24 |
| Литий-ионный аккумулятор 18650 | 28 800–46 800 | 10,5–13 | Электрохимический | 44–49 [81] | 18 × 65 | 16.54 | 1,74–2,83 | 0,59–1,06 |
Источники ядерной энергии
Величайшим источником энергии на сегодняшний день является сама масса. Эта энергия E = mc 2 , где m = ρV , ρ — масса в единице 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 объеме V в результате столкновений материи и антиматерии (100%) . . [ нужна ссылка ]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 возможной аннигиляции материи и антиматерии. Черная дыра , хотя и более плотная, чем нейтронная звезда, не имеет эквивалентной формы античастицы, но обеспечивает такую же 100% скорость преобразования массы в энергию в виде излучения Хокинга. В случае относительно небольших черных дыр (меньше астрономических объектов) 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 виде солнечного света), но до сих пор (2021 г.) устойчивое производство термоядерной энергии остается недостижимым.
Энергия от деления урана и тория на атомных электростанциях будет доступна в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обильного запаса элементов на Земле [82] , хотя весь потенциал этого источника может быть реализован только через реакторы -размножители , которые кроме реактора БН-600 , еще не используются в промышленных масштабах. [83] Уголь , газ и нефть в настоящее время являются первичными источниками энергии в США [84] , но имеют гораздо более низкую плотность энергии. Сжигание местного топлива из биомассы обеспечивает бытовые потребности в энергии ( кухонные костры , масляные лампы ).и др.) по всему миру.
Тепловая мощность ядерных реакторов деления
Плотность тепловой энергии, содержащейся в активной зоне легководного реактора ( PWR или BWR ), обычно мощностью 1 ГВт (1000 МВт электрической энергии, соответствующей ≈3000 МВт тепловой) находится в диапазоне от 10 до 100 МВт тепловой энергии на куб. м 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 при любых обстоятельствах непрерывного потока воды с высокой скоростью, чтобы иметь возможность отводить тепло .из активной зоны даже после аварийной остановки реактора. Неспособность охладить активные зоны трех кипящих реакторов (BWR) на Фукусиме в 2011 году после цунами и связанная с этим потеря внешней электроэнергии и источника холода стала причиной расплавления трех активных зон всего за несколько часов. , несмотря на то, что три реактора были правильно остановлены сразу после землетрясения в Тохоку . Эта чрезвычайно высокая удельная мощность 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 реактивности нейтронов и отвода остаточного тепла от активной зоны. АЭС.
Плотность энергии электрических и магнитных полей
Электрические и магнитные поля накапливают энергию. В вакууме (объемная) плотность энергии определяется выражением
где E — электрическое поле , B — 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 добавляется к газовому давлению плазмы .
В идеальных (линейных и недиспергирующих) веществах плотность энергии (в единицах СИ) равна
где D — электрическое поле смещения , а H — намагничивающее поле .
В случае отсутствия магнитных полей, используя соотношения Фрелиха, также можно распространить эти уравнения на анизотропные и нелинейные диэлектрики, а также рассчитать коррелированные плотности свободной энергии и энтропии Гельмгольца. [85]
Когда импульсный лазер воздействует на поверхность, экспозиция излучения , т. е. энергия, выделяемая на единицу поверхности, может называться плотностью энергии или плотностью энергии. [86]
Смотрите также
- Энергетическая ценность биотоплива
- Расширенная справочная таблица плотности энергии
- Достоинство
- Пищевая энергия
- Теплота сгорания
- Материя с высокой плотностью энергии
- Плотность мощности и конкретно
- Отношение мощности к весу
- Аккумулятор
- Твердотельный аккумулятор
- Удельная энергия
- Удельный импульс
Сноски
- ^ «Два класса единиц СИ и префиксы СИ» . Руководство NIST по СИ . 2009-07-02 . Проверено 25 января 2012 г. .
- ^ a b Шмидт-Рор, К. (2015). «Почему сгорание всегда экзотермическое, выделяющее около 418 кДж на моль O 2 », J. Chem. Образовательный 92 : 2094-2099. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00333
- ^ «Ископаемые и альтернативные виды топлива - содержание энергии (2008 г.)» . Инженерный набор инструментов . Проверено 8 октября 2018 г. .
- ^ Чон, Гуджин; Ким, Хансу; Пак, Чон Хван; Чон, Джэхван; Джин, Син; Сон, Джухе; Ким, Бо-Рам; Пак, Мин-Сик; Ким, Джи Ман; Ким, Ён-Джун (2015). «Перезаряжаемые батареи Li-SO2, позволившие использовать нанотехнологии: еще один подход к системам пост-литий-ионных батарей». Энергетика и наука об окружающей среде . 8 (11): 3173–3180. дои : 10.1039/C5EE01659B .
- ^ «Panasonic разрабатывает новые литий-ионные аккумуляторы 18650 большей емкости». Конгресс зеленых автомобилей. Np, 25 декабря 2009 г. Интернет.
- ^ Стура, Энрико; Николини, Клаудио (2006). «Новые наноматериалы для легких литиевых батарей». Analytica Chimica Acta . 568 (1–2): 57–64. doi : 10.1016/j.aca.2005.11.025 . PMID 17761246 .
- ^ a b c Фишер, Джулия (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая плотность угля» . Справочник по физике . Проверено 28 июля 2019 г. .
- ^ «Тепловая ценность различных видов топлива - Всемирная ядерная ассоциация». Всемирная ядерная ассоциация. Np, сентябрь 2016 г. Интернет.
- ^ «Обзор водородной программы Министерства энергетики США по развитию систем хранения». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Np, май 2000 г. Интернет.
- ^ Вонг, Кауфуи; Диа, Сара (2017). «Нанотехнологии в батареях». Журнал технологии энергетических ресурсов . 139 . дои : 10.1115/1.4034860 .
- ^ Ионеску-Занетти, К.; и другие. (2005). «Нанощелевые конденсаторы: чувствительность к изменениям диэлектрической проницаемости образца». Журнал прикладной физики . 99 (2): 024305. Бибкод : 2006JAP ....99b4305I . дои : 10.1063/1.2161818 . S2CID 120910476 .
- ^ Наой, К .; и другие. (2013). «Наногибридный суперконденсатор нового поколения»". Accounts of Chemical Research . 46 (5): 1075–1083. doi : 10.1021/ar200308h . PMID 22433167 .
- ^ Хаблер, А .; Осуагву, О. (2010). «Цифровые квантовые батареи: хранение энергии и информации в массивах нановакуумных трубок». Сложность . 15 (5): нет данных. doi : 10.1002/cplx.20306 . S2CID 6994736 .
- ^ Лион, Д .; и другие. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности от размера зазора в нановакуумных зазорах». IEEE Transactions по диэлектрикам и электрической изоляции . 2 (4): 1467–1471. doi : 10.1109/TDEI.2013.6571470 . S2CID 709782 .
- ^ a b c Рассчитано из доли времени потери массы c в квадрате.
- ^ Рассчитано на основе доли времени потери массы c в квадрате. Болл, Джастин (2019). «Максимизация удельной энергии путем разведения дейтерия». Ядерный синтез . 59 (10): 106043. arXiv : 1908.00834 . Бибкод : 2019NucFu..59j6043B . doi : 10.1088/1741-4326/ab394c . S2CID 199405246 .
- ^ a b «Вычисление плотности энергии ядерного топлива» . whatisnuclear.com . Проверено 17 апреля 2014 г. .
- ^ Справочник CRC по химии и физике , 49-е издание, страница D-42.
- ^ a b c Колледж пустыни, «Модуль 1, свойства водорода», редакция 0, декабрь 2001 г. Свойства водорода . Проверено 8 июня 2014 г. .
- ↑ 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. .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997), Химия элементов (2-е изд.) (стр. 164)
- ^ «Бор: лучший энергоноситель, чем водород? (28 февраля 2009 г.)» . Орел.ca . Проверено 7 мая 2010 г. .
- ^ a b c d Envestra Limited. Природный газ . Архивировано 10 октября 2008 г. в Wayback Machine . Проверено 5 октября 2008 г. .
- ^ а б в г е ИОР Энергия. Список общих переводных коэффициентов (Инженерные переводные коэффициенты) . Проверено 5 октября 2008 г. .
- ^ a b c d e Пол А. Киттл, доктор философии. «АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОБЛОЖКИ ЕЖЕДНЕВНОГО ДНЯ И ПОДЗАГОЛОВОК D - МЕТОД ВЫБОРА» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 мая 2008 г .. Проверено 25 января 2012 г. .
- ^ "537.PDF" (PDF) . июнь 1993 года . Проверено 25 января 2012 г. .
- ^ Гофман, Эвелин (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая плотность авиационного топлива» . Справочник по физике . Проверено 28 июля 2019 г. .
- ^ «Справочник по продуктам» (PDF) . Воздушный БП. стр. 11–13. Архивировано из оригинала (PDF) 08 июня 2011 г.
- ^ Характеристики хранимых и отпускаемых нефтепродуктов (PDF) , Подразделение нефтепродуктов - GN, с. 132, заархивировано из оригинала (PDF) 16 января 2017 г., получено 15 января 2017 г.
- ^ Роман-Лешков, Юрий; Барретт, Кристофер Дж.; Лю, Чжэнь Ю .; Думесик, Джеймс А. (21 июня 2007 г.). «Производство диметилфурана для жидкого топлива из углеводов, полученных из биомассы». Природа . 447 (7147): 982–985. Бибкод : 2007Natur.447..982R . doi : 10.1038/nature05923 . PMID 17581580 . S2CID 4366510 .
- ↑ Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Стоимость энергии электрических велосипедов и велосипедов с приводом от человека» (PDF) . п. 5 . Проверено 26 февраля 2009 г. .
правильно тренированный спортсмен будет иметь эффективность от 22 до 26%
- ^ Меруэ, Лорин (2020). «Накопление тепловой энергии в кремнии». doi : 10.1016/j.renene.2019.06.036 . S2CID 197448761 .
{{cite journal}}: Журнал цитирования требует|journal=( помощь ) - ↑ Боссель , Ульф (июль 2003 г.). «Физика водородной экономики» (PDF) . Европейские новости о топливных элементах. Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2006 г .. Проверено 06 апреля 2019 г. .
Высшая теплотворная способность составляет 22,7, 29,7 или 31,7 МДж/кг для метанола, этанола и ДМЭ соответственно, в то время как бензин содержит около 45 МДж/кг.
- ^ «Диметиловый эфир (ДМЭ)» (PDF) . Европейская технологическая платформа биотоплива . 2013-11-18 . Проверено 06 апреля 2019 г. . Плотность ДМЭ и низшая теплотворная способность были получены из таблицы на первой странице.
- ^ "Elite_bloc.indd" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 июля 2011 г .. Проверено 7 мая 2010 г. .
- ^ "Фонд энергии биомассы: плотность топлива" . Woodgas.com. Архивировано из оригинала 10 января 2010 г. Проверено 7 мая 2010 г. .
- ^ "Борд-на-Мона, Торф для энергии" (PDF) . Бнм.и.е. Архивировано из оригинала (PDF) 19 ноября 2007 г .. Проверено 25 января 2012 г. .
- ↑ Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Стоимость энергии электрического велосипеда и велосипеда с приводом от человека» (PDF) . Проверено 25 января 2012 г. .
- ^ "буферы энергии" . Home.hccnet.nl . Проверено 7 мая 2010 г. .
- ^ Энн Виньялл и Терри Уэльс. Рабочая тетрадь по химии 12, стр. 138. Архивировано 13 сентября 2011 г. в Wayback Machine . ISBN Pearson Education NZ 978-0-582-54974-6
- ^ Митчелл, Роберт Р.; Галлант, Бетар М .; Томпсон, Карл В.; Шао-Хорн, Ян (2011). «Полностью углеродно-нановолоконные электроды для высокоэнергетических перезаряжаемых Li-O2 аккумуляторов». Энергетика и наука об окружающей среде . 4 (8): 2952–2958. дои : 10.1039/C1EE01496J . S2CID 96799565 .
- ^ Дэвид Э. Дирксе. энергетические буферы . «бытовые отходы 8..11 МДж/кг»
- ^ Лу, Ги-э; Чанг, Вэнь-пин; Цзян, Джин-Ён; Ду, Ши-го (май 2011 г.). «Исследование плотности энергии порохового источника тепла». 2011 Международная конференция по материалам для возобновляемых источников энергии и окружающей среды . IEEE : 1185–1187. doi : 10.1109/ICMREE.2011.5930549 . ISBN 978-1-61284-749-8. S2CID 36130191 .
- ^ «Технический бюллетень по воздушно-цинковым батареям» . Дюраселл . Архивировано из оригинала 27 января 2009 г. Проверено 21 апреля 2009 г. .
- ^ К. Ноулен, А. Т. Маттик, А. П. Брукнер и А. Герцберг, «Высокоэффективные системы преобразования для автомобилей с жидким азотом» , Society of Automotive Engineers Inc, 1988.
- ^ «Обзор ионно-литиевых аккумуляторов» (PDF) . Панасоник. Январь 2007 г. Архивировано (PDF) из оригинала 7 ноября 2011 г.
- ^ "Panasonic NCR18650B" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2015 г.
- ^ [46] [47]
- ^ «Тест Duracell Ultra Power AA» . lygte-info.dk . Проверено 16 февраля 2019 г. .
- ^ «Информация о щелочных батареях Energizer EN91 AA» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b «Тест GP ReCyko + AA 2700 мАч (зеленый)» . lygte-info.dk . Проверено 16 февраля 2019 г. .
- ^ a b "Сравнение суперконденсаторов Максвелла" (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b «Техническое описание суперконденсатора серии Nesscap ESHSP» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 марта 2016 г .. Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b «Техническое описание суперконденсатора серии Cooper PowerStor XL60» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b «Техническое описание суперконденсатора серии Kemet S301» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 04 марта 2016 г .. Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b «Техническое описание суперконденсатора серии Nichicon JJD» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b "Ультраконденсатор высокой энергии skelcap" (PDF) . Скелетные технологии . Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2016 года . Проверено 13 октября 2015 г.
- Ссылки _ _ _ _ _ Проверено 12 января 2020 г. .
- ^ "Гидроэлектроэнергетика" . www.mpoweruk.com . Вудбэнк Комьюникейшнс Лтд . Проверено 13 апреля 2018 г.
- ^ «2.1 Мощность, расход, соотношение напора | Речное проектирование и восстановление в OSU | Университет штата Орегон» . реки.би.орегонштат.эду . Проверено 13 апреля 2018 г.
Пусть ε = 0,85, что означает рейтинг эффективности 85%, типичный для старой силовой установки.
- ^ a b «Технические данные танталовых конденсаторов серии Vishay STE» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ «Техническое описание алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon TVX» (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ "Техническое описание алюминиевых электролитических конденсаторов Nichicon LGU" (PDF) . Проверено 10 января 2016 г. .
- ^ a b c «Сколько энергии вы можете хранить в резинке?» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 21 января 2020 г. .
- ^ a b c "MatWeb - Информационный ресурс онлайн-материалов" . www.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 г. .
- ^ PubChem. "Ацеталь" . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v «Модуль Юнга - предел прочности при растяжении и предел текучести для обычных материалов» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ a b c d e f g h i Кисть Wellman Alloy Products. «Упругая устойчивость» (PDF) . Технические тонкости . Проверено 15 декабря 2019 г. .
- ^ «Технические характеристики сплава C17200 | Компания E. Jordan Brookes» . www.ejbmetals.com . Проверено 15 декабря 2019 г. .
- ^ "информация и свойства поликарбоната" . www.polymerprocessing.com . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ «Технический паспорт материала ASM» . asm.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 г. .
- ^ Сазерленд, Карен; Мартин, Моника (2004). Элерт, Гленн (ред.). «Плотность стали» . Справочник по физике . Проверено 18 июня 2020 г. .
- ^ a b c "Алюминий 6061-T6; 6061-T651" . www.matweb.com . Проверено 13 июня 2021 г. .
- ^ «Породы древесины - влажность и вес» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ a b c «Мягкая / низкоуглеродистая сталь AISI 1018» . AZOM.com . 2012-06-28 . Проверено 22 января 2020 г. .
- ^ «Технический паспорт материала ASM» . asm.matweb.com . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ a b c "Американская восточная белая сосна" . www.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 г. .
- ^ a b «Масса, вес, плотность или удельный вес различных металлов» . www.simetric.co.uk . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ «Физические свойства стекла | Saint Gobain Building Glass UK» . uk.saint-gobain-building-glass.com . Проверено 12 декабря 2019 г. .
- ^ a b "Таблицы энергии батареи" . Архивировано из оригинала 04.12.2011.
- ^ "Емкость аккумулятора 18650" .
- ^ "Поставка урана" . world-nuclear.org. 2014-10-08 . Проверено 13 июня 2015 г. .
- ^ "Факты от Коэна" . Формально.Стэнфорд.Обучение. 26 января 2007 г. Архивировано из оригинала 10 апреля 2007 г. Проверено 7 мая 2010 г. .
- ^ «Управление энергетической информации США (EIA) - Ежегодный обзор энергетики» . Eia.doe.gov. 2009-06-26. Архивировано из оригинала 06 мая 2010 г. Проверено 7 мая 2010 г. .
- ^ Парравицини, Дж. (2018). «Термодинамические потенциалы в анизотропных и нелинейных диэлектриках». Физика Б. 541 : 54–60. Бибкод : 2018PhyB..541...54P . doi : 10.1016/j.physb.2018.04.029 . S2CID 125817506 .
- ^ "Терминология" . Регенеративная лазерная терапия .
дальнейшее чтение
- 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 г.
внешняя ссылка
- ^ "Авиационное топливо". Энергия, технологии и окружающая средаПод ред. Аттилио Бизио. Том. 1. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259.
- « Топливо будущего для легковых и грузовых автомобилей » - доктор 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.
- «Теплотворная способность различных видов топлива - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org . Проверено 4 ноября 2018 г.
- «Энергия и типы энергии - Springer» (PDF) . Проверено 4 ноября 2018 г.
- Энергия
- Плотность
