В физике , плотность энергии является количество энергии хранится в данной системе или области пространства на единицу объема . Его также можно использовать для обозначения энергии на единицу массы , хотя более точным термином для этого является удельная энергия (или гравиметрическая плотность энергии).
Плотность энергии | |
---|---|
Единица СИ | Дж / м 3 |
Прочие единицы | Дж / л, Вт⋅ч / л |
В базовых единицах СИ | м −1 кг⋅с −2 |
Производные от других величин | U = E / V |
Измерение |
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 в себя энергию массы, 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 как (и ведет себя 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 имеет потенциал для выполнения работы на окружающую среду путем преобразования внутренней энергии , чтобы работать , 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 эти типы реакций бывают: ядерные, химические, электрохимические и электрические.
Ядерные реакции происходят в звездах и на атомных электростанциях, обе из которых получают энергию из энергии связи ядер. Химические реакции используются животными для получения энергии из пищи и автомобилями для получения энергии из бензина. Жидкие углеводороды (такие виды топлива, как бензин, дизельное топливо и керосин) на сегодняшний день являются наиболее плотным из известных способов экономичного хранения и транспортировки химической энергии в 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.
Типы энергоемкости
Есть несколько различных типов содержания энергии. Один из них - это теоретический общий объем термодинамической работы, который может быть получен от системы при заданной температуре и давлении окружающей среды. Это называется эксергия . Другой - это теоретический объем работы, который может быть получен из реагентов , которые изначально находятся при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это дается изменением стандартной свободной энергии Гиббса . Но в качестве источника тепла или для использования в тепловом двигателе релевантной величиной является изменение стандартной энтальпии или теплоты сгорания .
Есть 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 тепло, которое может выделяться при конденсации водяного пара, и может не включать тепло, выделяющееся при полном охлаждении до комнатной температуры.
Удобную таблицу HHV и LHV некоторых видов топлива можно найти в справочных материалах. [2]
В хранении энергии и топлива
В приложениях для хранения энергии плотность энергии связывает энергию в хранилище с объемом хранилища, например, топливного бака. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии может быть сохранено или транспортировано для того же объема. 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 двигателем всегда будет больше, чем его скорость производства кинетической энергии движения.
Плотность энергии отличается от эффективности преобразования энергии (чистый выход на вход) или воплощенной энергии (затраты на выработку энергии для обеспечения, поскольку сбор , переработка , распределение и борьба с загрязнением используют энергию). Крупномасштабное и интенсивное использование энергии оказывает влияние на климат , хранение отходов и экологические последствия .
Ни один из методов накопления энергии не может похвастаться лучшими по удельной мощности , удельной энергии и плотности энергии. Закон Пейкерта описывает, как количество полезной энергии, которое может быть получено (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, как быстро она извлекается. Чтобы максимизировать как удельную энергию, так и плотность энергии, можно вычислить удельную плотность энергии вещества, умножив два значения вместе, где чем выше число, тем лучше вещество сохраняет энергию.
Обсуждаются альтернативные варианты хранения энергии для увеличения плотности энергии и сокращения времени зарядки. [10] [11] [12] [13]
На рисунке справа показаны гравиметрическая и объемная плотность энергии некоторых видов топлива и технологий хранения (изменено из статьи о бензине ).
- Примечание. Некоторые значения могут быть неточными из-за изомеров или других отклонений. См. « Теплотворная способность» для получения подробной таблицы удельной энергии важных видов топлива.
- Примечание. Также важно понимать, что обычно значения плотности химического топлива не включают вес кислорода, необходимый для сгорания. Обычно это два атома кислорода на атом углерода и один на два атома водорода. Атомный вес углерода и кислород подобен, в то время как водород намного легче , чем кислород. Цифры представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух будет втягиваться в горелку только локально. Это объясняет явно более низкую плотность энергии материалов, которые уже включают в себя свой собственный окислитель (например, порох и тротил), где масса окислителя фактически добавляет мертвый вес и поглощает часть энергии сгорания для диссоциации и высвобождения кислорода для продолжения. Реакция. Это также объясняет некоторые очевидные аномалии, такие как плотность энергии сэндвича, который кажется выше, чем у динамитной шашки.
Список плотностей материальной 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 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 ТВтч / кг | Зависит от плотности формы антивещества | Аннигиляция с учетом как поглощенной массы антивещества, так и массы обычного вещества. |
Водород (термоядерный) | 639,780,320 [14], 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 (синтез) | 571 182 758 [15] | Зависит от условий | 158 661 876 600 | Зависит от условий | Предлагаемая схема слияния для D + D → 4 He, путем объединения D + D → T + H, T + D → 4 He + n, n + H → D и D + D → 3 He + n, 3 He + D → 4 He + H, n + H → D |
Дейтерий + тритий (синтез) | 337 387 388 [14] | Зависит от условий | 93 718 718 800 | Зависит от условий | D + T → 4 He + n Развивается. |
Плутоний-239 | 83 610 000 | 1 300 000 000–1 700 000 000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) | 23 222 915 000 | 370,000,000,000–460,000,000,000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) | Тепло, произведенное в реакторе деления |
Плутоний-239 | 31 000 000 | 490 000 000–620 000 000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) | 8 700 000 000 | 140,000,000,000–170,000,000,000 (в зависимости от кристаллографической фазы ) | Электроэнергия, произведенная в реакторе деления |
Уран | 80 620 000 [16] | 1 539 842 000 | 22 394 000 000 | Тепло, произведенное в реакторе-размножителе | |
Торий | 79 420 000 [16] | 929 214 000 | 22 061 000 000 | Тепло, произведенное в реакторе-размножителе (экспериментально) | |
Плутоний-238 | 2 239 000 | 43 277 631 | 621 900 000 | Радиоизотопный термоэлектрический генератор . Обратите внимание, что тепло вырабатывается только в размере 0,57 Вт / г. |
В химических реакциях (окислении)
Если не указано иное, значения в следующей таблице являются более низкими значениями теплотворной способности для идеального сгорания , не считая массы или объема окислителя. Обратите внимание, что при использовании для выработки электричества в топливном элементе или для выполнения работы именно свободная энергия реакции Гиббса (ΔG) устанавливает теоретический верхний предел. Если произведенный H2O - пар, это обычно больше, чем нижняя теплота сгорания, тогда как если произведенный H
2O - жидкость, она обычно меньше, чем более высокая теплота сгорания. Но в наиболее подходящем случае с водородом ΔG составляет 113 МДж / кг, если образуется водяной пар, и 118 МДж / кг, если образуется жидкая вода, и оба значения меньше нижней теплоты сгорания (120 МДж / кг). [17]
Материал | Удельная энергия (МДж / кг) | Плотность энергии (МДж / л) | Удельная энергия ( Вт⋅ч / кг ) | Плотность энергии (Вт⋅ч / л) | Комментарий |
---|---|---|---|---|---|
Водород, жидкость | 141,86 ( HHV ) 119,93 ( LHV ) | 10,044 (HHV) 8,491 (LHV) | 33 313,9 (LHV) | 39 405,6 (HHV) 2790,0 (HHV) 2358,6 (LHV) | Значения энергии действительны после повторного нагрева до 25 ° C. [18] См. Примечание выше об использовании в топливных элементах. |
Водород, при 690 бар и 25 ° C | 141,86 (HHV) 119,93 (LHV) | 5,323 (HHV) 4,500 (LHV) | 33 313,9 (LHV) | 39 405,6 (HHV) 1478,6 (HHV) 1250,0 (LHV) | Дата из той же ссылки, что и для жидкого водорода. [18] Баки высокого давления весят намного больше, чем водород, который они могут вместить. Водород может составлять около 5,7% от общей массы [19], что дает всего 6,8 МДж на кг общей массы для LHV. См. Примечание выше об использовании в топливных элементах. |
Водород, газ , 1 атм , 25 ° C | 141,86 (HHV) 119,93 (LHV) | 0,01188 (HHV) 0,01005 (LHV) | 33 313,9 (LHV) | 39 405,6 (HHV) 3,3 (HHV) 2,8 (LHV) | [18] |
Диборан | 78,2 | 21 722,2 | [20] | ||
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 | [21] |
Метан (1,013 бар, 15 ° C) | 55,6 | 0,0378 | 15 444,5 | 10,5 | |
СПГ (ПГ при -160 ° C) | 53,6 [22] | 22,2 | 14 888,9 | 6 166,7 | |
СПГ (сжатый газ до 250 бар / ≈3 600 фунтов на кв. Дюйм) | 53,6 [22] | 9 | 14 888,9 | 2,500,0 | |
Натуральный газ | 53,6 [22] | 0,0364 | 14 888,9 | 10.1 | |
LPG пропан | 49,6 | 25,3 | 13 777,8 | 7 027,8 | [23] |
Сжиженный нефтяной газ бутан | 49,1 | 27,7 | 13 638,9 | 7 694,5 | [23] |
Бензин (бензин) | 46,4 | 34,2 | 12 888,9 | 9 500,0 | [23] |
Полипропиленовый пластик | 46,4 [24] | 41,7 | 12 888,9 | 11 583,3 | |
Полиэтиленовый пластик | 46,3 [24] | 42,6 | 12 861,1 | 11 833,3 | |
Жидкое отопление | 46,2 | 37,3 | 12 833,3 | 10 361,1 | [23] |
Дизельное топливо | 45,6 | 38,6 | 12 666,7 | 10 722,2 | [23] |
100LL Avgas | 44,0 [25] | 31,59 | 12 222,2 | 8 775,0 | |
Реактивное топливо (например, керосин ) | 43 [26] [27] [28] | 35 год | Авиационный двигатель | ||
Бензохол 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 [29] | 37,8 | 11 666,7 | 10 500,0 | [ требуется разъяснение ] |
Сырая нефть ( тонна нефтяного эквивалента ) | 41 868 | 37 [22] | 11 630 | 10 278 | |
Полистирол пластик | 41,4 [24] | 43,5 | 11 500,0 | 12 083,3 | |
Телесный жир | 38 | 35 год | 10 555,6 | 9 722,2 | Обмен веществ в организме человека (эффективность 22% [30] ) |
Бутанол | 36,6 | 29,2 | 10 166,7 | 8 111,1 | |
Бензохол Е85 (85% этанол 15% бензин по объему) | 33,1 | 25.65 [ необходима ссылка ] | 9 194,5 | 7 125,0 | |
Графитовый | 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 КПД преобразования в электричество составляет ≈36% [6] |
Кремний | 1,790 | 4.5 | 500 | 1,285 | Энергия, запасенная за счет перехода кремния из твердой фазы в жидкую [31] |
Алюминий | 31,0 | 83,8 | 8 611,1 | 23 277,8 | |
Спирт этиловый | 30 | 24 | 8 333,3 | 6 666,7 | |
DME | 31,7 (HHV) 28,4 (LHV) | 21,24 (HHV) 19,03 (LHV) | 888,9 (LHV) | 8 805,6 (HHV) 7 5 900,0 (HHV) 5 286,1 (LHV) | [32] [33] |
Полиэфирный пластик | 26,0 [24] | 35,6 | 7 222,2 | 9 888,9 | |
Магний | 24,7 | 43,0 | 6 861,1 | 11 944,5 | |
Уголь , битуминозные | 24–35 | 26–49 | 6 666,7–9 722,2 | 7 222,2–13 611,1 | [6] |
ПЭТ- пластик (нечистый) | 23,5 [34] | 6 527,8 | |||
Метанол | 19,7 | 15,6 | 5 472,2 | 4 333,3 | |
Гидразин (сгорает до N 2 + H 2 O) | 19,5 | 19,3 | 5 416,7 | 5 361,1 | |
Жидкий аммиак (сжигаемый до N 2 + H 2 O) | 18,6 | 11,5 | 5 166,7 | 3 194,5 | |
ПВХ пластик ( токсичный для неправильного горения ) | 18,0 [24] | 25,2 | 5 000,0 | 7 000,0 | [ требуется разъяснение ] |
Древесина | 18.0 | 5 000,0 | [35] | ||
Торфяной брикет | 17,7 | 4 916,7 | [36] | ||
Сахар, углеводы и белок | 17 | 26,2 ( декстроза ) | 4 722,2 | 7 277,8 | Метаболизм в организме человека (эффективность 22% [37] ) [ необходима ссылка ] |
Кальций | 15,9 | 24,6 | 4 416,7 | 6 833,3 | [ необходима цитата ] |
Глюкоза | 15.55 | 23,9 | 4 319,5 | 6 638,9 | |
Сухой коровий навоз и верблюжий навоз | 15,5 [38] | 4 305,6 | |||
Уголь , бурый уголь | 10–20 | 2 777,8–5 555,6 | [ необходима цитата ] | ||
Натрий | 13,3 | 12,8 | 3 694,5 | 3 555,6 | сгорел до влажного гидроксида натрия |
Торф | 12,8 | 3 555,6 | |||
Нитрометан | 11,3 | 3 138,9 | |||
Сера | 9,23 | 19.11 | 2 563,9 | 5 308,3 | сгорел до диоксида серы [39] |
Натрий | 9.1 | 8,8 | 2,527,8 | 2444,5 | сгорел до высыхания оксида натрия |
Батарея воздушно-литиевая перезаряжаемая | 9,0 [40] | 2,500,0 | Контролируемый электрический разряд | ||
Домашние отходы | 8,0 [41] | 2222,2 | |||
Цинк | 5,3 | 38,0 | 1 472,2 | 10 555,6 | |
Утюг | 5.2 | 40,68 | 1,444,5 | 11 300,0 | сгорел до оксида железа (III) |
Тефлоновый пластик | 5.1 | 11.2 | 1416,7 | 3 111,1 | горючий токсичен, но негорючий |
Утюг | 4.9 | 38,2 | 1,361,1 | 10 611,1 | сгорел до оксида железа (II) |
Порох | 4,7–11,3 [42] | 5,9–12,9 | |||
TNT | 4,184 | 6,92 | |||
ANFO | 3,7 | 1 027,8 |
Другие механизмы выпуска
Материал | Удельная энергия (МДж / кг) | Плотность энергии (МДж / л) | Удельная энергия ( Вт⋅ч / кг ) | Плотность энергии (Вт⋅ч / л) | Комментарий |
---|---|---|---|---|---|
Батарея цинково-воздушная | 1,59 | 6.02 | 441,7 | 1 672,2 | Управляемый электрический разряд [43] |
Жидкий азот | 0,77 [44] | 0,62 | 213,9 | 172,2 | Максимальная обратимая работа при 77,4 К с резервуаром 300 К |
Натрий-серная батарея | 0,54–0,86 | 150–240 | |||
Сжатый воздух при 300 бар | 0,5 | 0,2 | 138,9 | 55,6 | Потенциальная энергия |
Скрытая теплота плавления льда [ необходима ссылка ] (термическая) | 0,33355 | 0,33355 | 93,1 | 93,1 | |
Литий-металлический аккумулятор | 1,8 | 4,32 | Контролируемый электрический разряд | ||
Литий-ионный аккумулятор | 0,36–0,875 [47] | 0,9–2,63 | 100,00–243,06 | 250,00–730,56 | Контролируемый электрический разряд |
Маховик | 0,36–0,5 | 5,3 | Потенциальная энергия | ||
Щелочная батарея | 0,48 [48] | 1,3 [49] | Контролируемый электрический разряд | ||
Никель-металлогидридная батарея | 0,41 [50] | 0,504–1,46 [50] | Контролируемый электрический разряд | ||
Свинцово-кислотная батарея | 0,17 | 0,56 | Контролируемый электрический разряд | ||
Суперконденсатор ( EDLC ) | 0,01–0,030 [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] | 0,006–0,06 [51] [52] [53] [54] [55] [56] | до 8,57 [57] | 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% [58] [59] |
Электролитический конденсатор | 0,00001–0,0002 [60] | 0,00001–0,001 [60] [61] [62] | Контролируемый электрический разряд |
В деформации материала
Механическая емкость хранения энергии, или упругость , из Гука материала при его деформировании с точкой отказа может быть вычислена путем вычисления на растяжение раз превышаю прочность на максимальное удлинение деления на два. Максимальное удлинение материала Гука можно вычислить, разделив жесткость этого материала на его предел прочности на разрыв. В следующей таблице перечислены эти значения, вычисленные 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 Прочность (МПа) |
---|---|---|---|---|---|
Резинка | 1,651–6,605 [63] | 2 200–8 900 [63] | 1,35 [63] | ||
Сталь, ASTM A228 (предел текучести, диаметр 1 мм) | 1,440–1,770 | 11 200–13 800 | 7,80 [64] | 210 [64] | 2 170–2 410 [64] |
Ацетали | 908 | 754 | 0,831 [65] | 2,8 [66] | 65 (максимальная) [66] |
Нейлон-6 | 233–1 870 | 253–2 030 | 1.084 | 2–4 [66] | 45–90 (максимальная) [66] |
Медь Бериллий 25-1 / 2 HT (выход) | 684 | 5,720 [67] | 8,36 [68] | 131 [67] | 1,224 [67] |
Поликарбонаты | 433–615 | 520–740 | 1,2 [69] | 2,6 [66] | 52–62 (абсолютный) [66] |
АБС-пластик | 241–534 | 258–571 | 1.07 | 1,4–3,1 [66] | 40 (максимальная) [66] |
Акрил | 1,530 | 3,2 [66] | 70 (абсолютное) [66] | ||
Алюминий 7077-Т8 (урожай) | 399 | 1120 [67] | 2,81 [70] | 71,0 [67] | 400 [67] |
Сталь нержавеющая , 301-Н (урожайность) | 301 | 2,410 [67] | 8,0 [71] | 193 [67] | 965 [67] |
Эпоксидные смолы | 113–1810 | 2–3 [66] | 26–85 (абсолютная) [66] | ||
Пихта Дугласа Вуд | 158–200 | 96 | .481– .609 [72] | 13 [66] | 50 (сжатие) [66] |
Сталь, мягкая AISI 1018 | 42,4 | 334 | 7,87 [73] | 205 [73] | 370 (440 Максимум) [73] |
Алюминий (нелегированный) | 32,5 | 87,7 | 2,70 [74] | 69 [66] | 110 (максимальная) [66] |
Сосна (американская восточная белая, изгиб ) | 31,8–32,8 | 11,1–11,5 | .350 [75] | 8.30–8.56 (изгиб) [75] | 41,4 (изгиб) [75] |
Латунь | 28,6–36,5 | 250–306 | 8,4–8,73 [76] | 102–125 [66] | 250 (максимальная) [66] |
Медь | 23,1 | 207 | 8,93 [76] | 117 [66] | 220 (максимальная) [66] |
Стекло | 5,56–10,0 | 13,9–25,0 | 2,5 [77] | 50–90 [66] | 50 (сжатие) [66] |
В батареях
Устройство хранения | Энергетическое содержание ( Джоуль ) | Энергетическое содержание ( Втч ) | 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 AA [78] | 9 360 | 2,6 | Электрохимический | 24 | 14,2 × 50 | 7,92 | 1.18 | 0,39 |
Щелочная батарея C [78] | 34 416 | 9,5 | Электрохимический | 65 | 26 × 46 | 24,42 | 1,41 | 0,53 |
NiMH батарея AA | 9 072 | 2,5 | Электрохимический | 26 | 14,2 × 50 | 7,92 | 1,15 | 0,35 |
NiMH C 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 [79] | 18 × 65 | 16,54 | 1,74–2,83 | 0,59–1,06 |
Источники ядерной энергии
На сегодняшний день величайшим источником энергии является сама масса. Эта энергия, E = mc 2 , где m = ρV , ρ - масса единицы объема, V - объем самой массы, а c - скорость света. Эта энергия, однако, может быть высвобождена только процессами ядерного деления (0,1%), ядерного синтеза (1%) или аннигиляции части или всей материи в объеме V столкновениями материи и антивещества (100%). . [ необходима цитата ] Ядерные реакции не могут быть реализованы химическими реакциями, такими как горение. Хотя можно достичь большей плотности материи, плотность нейтронной звезды будет приближаться к самой плотной системе, способной к аннигиляции материи и антивещества. Черная дыра , хотя более плотный , чем нейтронная звезда, не имеет эквивалентную формы анти-частиц, но была бы предложить такую же степень конверсии 100% массы в энергию в виде излучения Хокинга. В случае относительно небольших черных дыр (меньше, чем астрономические объекты) выходная мощность будет огромной.
Источниками энергии с самой высокой плотностью, помимо антивещества, являются синтез и деление . Термоядерный синтез включает в себя энергию солнца, которая будет доступна в течение миллиардов лет (в форме солнечного света), но до сих пор (2021 год) устойчивое производство термоядерной энергии по- прежнему остается труднодостижимым.
Энергия от деления урана и тория на атомных электростанциях будет доступна в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обильных запасов элементов на Земле [80], хотя весь потенциал этого источника может быть реализован только с помощью реакторов-размножителей , которые кроме реактора БН-600 , пока не используются в промышленных масштабах. [81] Уголь , газ и нефть являются текущими основными источниками энергии в США [82], но имеют гораздо более низкую плотность энергии. Сжигание местного топлива из биомассы обеспечивает потребности домашних хозяйств в энергии ( камины , масляные лампы и т. Д.) По всему миру.
Тепловая мощность ядерных реакторов деления
Плотность тепловой энергии, содержащейся в активной зоне легководного реактора ( PWR или BWR ), обычно составляет 1 ГВт (1000 МВт электрической, что соответствует ≈3 000 МВт тепловой) находится в диапазоне от 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубический метр. метр 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 от активной зоны даже после аварийного останова реактора. Неспособность охладить активные зоны трех реакторов с кипящей водой (BWR) на Фукусиме в 2011 году после цунами и связанная с этим потеря внешней электроэнергии и источника холода стали причиной расплавления трех активных зон всего за несколько часов. , хотя сразу после землетрясения Тохоку все три реактора были правильно остановлены . 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 нейтронной реактивности и отвода остаточного тепла из активной зоны. АЭС.
Плотность энергии электрического и магнитного полей
Электрические и магнитные поля хранят энергию. В вакууме (объемная) плотность энергии определяется выражением
где Е представляет собой электрическое поле и B является магнитным полем . 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 увеличивает давление газа в плазме .
В нормальных (линейных и недисперсных) веществах плотность энергии (в единицах СИ) равна
где D представляет собой электрическое поле смещения и Н является полем намагничивания .
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 . [83]
Когда импульсный лазер воздействует на поверхность, излучение , то есть энергия, выделяемая на единицу поверхности, можно назвать плотностью энергии или флюенсом. [84]
Смотрите также
- Энергетическая ценность биотоплива
- Расширенная справочная таблица плотности энергии
- Показатель заслуг
- Пищевая энергия
- Теплота сгорания
- Материя с высокой плотностью энергии
- Плотность мощности и особенно
- Соотношение мощности к весу
- Аккумуляторная батарея
- Твердотельный аккумулятор
- Удельная энергия
- Удельный импульс
Сноски
- ^ «Два класса единиц СИ и префиксы СИ» . Руководство NIST по SI . 2009-07-02 . Проверено 25 января 2012 .
- ^ «Ископаемые и альтернативные виды топлива - энергосодержание (2008)» . Engineering ToolBox . Проверено 8 октября 2018 .
- ^ Чон, Гуджин; Ким, Хансу; Пак, Чон Хван; Чон, Джэхван; Цзинь, Син; Сонг, Джухе; Ким, Бо-Рам; Парк, Мин-Сик; Ким, Джи Ман; Ким, Ён-Джун (2015). «Нанотехнологии позволили перезаряжаемые Li-SO2 батареи: еще один подход к системам постлитий-ионных батарей». Энергетика и экология . 8 (11): 3173–3180. DOI : 10.1039 / C5EE01659B .
- ^ «Panasonic разрабатывает новые литий-ионные элементы повышенной емкости 18650». Конгресс зеленых автомобилей. Np, 25 декабря 2009 г. Web.
- ^ 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 .
- ^ а б в Фишер, Джулия (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая плотность угля» . Сборник фактов по физике . Проверено 28 июля 2019 .
- ^ «Тепловая ценность различных видов топлива - Всемирная ядерная ассоциация». Всемирная ядерная ассоциация. Np, сентябрь 2016 г. Web.
- ^ «Обзор водородной программы Министерства энергетики США по развитию хранилищ». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Np, май 2000 г. Web.
- ^ Вонг, Кауфуи; Диа, Сара (2017). «Нанотехнологии в аккумуляторах». Журнал технологий энергоресурсов . 139 . DOI : 10.1115 / 1.4034860 .
- ^ Ionescu-Zanetti, C .; и другие. (2005). «Конденсаторы с зазором: чувствительность к изменениям диэлектрической проницаемости образца». Журнал прикладной физики . 99 (2): 024305. Bibcode : 2006JAP .... 99b4305I . DOI : 10.1063 / 1.2161818 . S2CID 120910476 .
- ^ Naoi, K .; и другие. (2013). «Новое поколение„наногибридный суперконденсатор “ ». Счета химических исследований . 46 (5): 1075–1083. DOI : 10.1021 / ar200308h . PMID 22433167 .
- ^ Hubler, A .; 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 .
- ^ Lyon, D .; и другие. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности в нановакуумных зазорах от размера зазора». IEEE Transactions по диэлектрикам и электроизоляции . 2 (4): 1467–1471. DOI : 10,1109 / TDEI.2013.6571470 . S2CID 709782 .
- ^ a b Рассчитано из квадрата дробной потери массы, умноженной на c.
- ^ Рассчитано на основе квадрата дробной потери массы, умноженной на c. Болл, Джастин (2019). «Максимизация удельной энергии путем размножения дейтерия». Ядерный синтез . 59 (10): 106043. arXiv : 1908.00834 . Bibcode : 2019NucFu..59j6043B . DOI : 10.1088 / 1741-4326 / ab394c . S2CID 199405246 .
- ^ а б «Расчет плотности энергии ядерного топлива» . whatisnuclear.com . Проверено 17 апреля 2014 .
- ^ 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.
- ^ Майк Милликин (18 ноября 2014 г.). «Toyota FCV Mirai запускается в Лос-Анджелесе; первоначальные спецификации TFCS; аренда 57 500 или 499 долларов; опираясь на аналогию с Prius» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 23 ноября 2014 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997), Химия элементов (2-е изд) (стр. 164)
- ^ «Бор: лучший носитель энергии, чем водород? (28 февраля 2009 г.)» . Eagle.ca . Проверено 7 мая 2010 .
- ^ a b c d Envestra Limited. Природный газ. Архивировано 10 октября 2008 г. на Wayback Machine . Проверено 5 октября 2008.
- ^ a b c d e IOR Energy. Список общих коэффициентов преобразования (инженерные коэффициенты преобразования) . Проверено 5 октября 2008.
- ^ а б в г д Пол А. Киттл, доктор философии «АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЕЖЕДНЕВНОГО ОБЛОЖЕНИЯ И ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ D - МЕТОДИКА ВЫБОРА» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 мая 2008 года . Проверено 25 января 2012 .
- ^ "537.PDF" (PDF) . Июнь 1993 . Проверено 25 января 2012 .
- ^ Гофман, Эвелин (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая ценность авиационного топлива» . Сборник фактов по физике . Проверено 28 июля 2019 .
- ^ «Справочник продуктов» (PDF) . Air BP. С. 11–13. Архивировано из оригинального (PDF) 08.06.2011.
- ^ Характеристики хранимых и распределенных нефтепродуктов (PDF) , Подразделение нефтепродуктов - GN, стр. 132, архивировано из оригинального (PDF) 16 января 2017 г. , извлечено 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. Bibcode : 2007Natur.447..982R . DOI : 10,1038 / природа05923 . PMID 17581580 . S2CID 4366510 .
- ^ Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Энергозатраты на электрические велосипеды и велосипеды с приводом от человека» (PDF) . п. 5 . Проверено 26 февраля 2009 .
у правильно тренированного спортсмена КПД от 22 до 26%
- ^ Меруэ, Лорин (2020). «Накопитель тепловой энергии в кремнии». DOI : 10.1016 / j.renene.2019.06.036 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Боссель, Ульф (июль 2003 г.). «Физика водородной экономики» (PDF) . Новости европейских топливных элементов. Архивировано из оригинального (PDF) 19 марта 2006 года . Проверено 6 апреля 2019 .
Более высокие значения нагрева составляют 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 (DME)» (PDF) . Европейская технологическая платформа биотоплива . 2013-11-18 . Проверено 6 апреля 2019 . Плотность ДМЭ и более низкая теплотворная способность были получены из таблицы на первой странице.
- ^ "Elite_bloc.indd" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) на 2011-07-15 . Проверено 7 мая 2010 .
- ^ «Фонд энергии биомассы: плотность топлива» . Woodgas.com. Архивировано из оригинала на 2010-01-10 . Проверено 7 мая 2010 .
- ^ "Борд на Мона, торф для энергетики" (PDF) . Bnm.ie. Архивировано из оригинального (PDF) 19 ноября 2007 года . Проверено 25 января 2012 .
- ^ Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Энергетическая стоимость электрического и управляемого человеком велосипеда» (PDF) . Проверено 25 января 2012 .
- ^ «энергетические буферы» . Home.hccnet.nl . Проверено 7 мая 2010 .
- ^ Энн Виньялл и Терри Уэльс. Chemistry 12 Workbook, страница 138 Архивировано 13 сентября 2011 г. в Wayback Machine . Pearson Education NZ ISBN 978-0-582-54974-6
- ^ Митчелл, Роберт Р .; Галлант, Бетар М .; Томпсон, Карл В .; Шао-Хорн, Ян (2011). «Электроды из углеродного нановолокна для высокоэнергетических перезаряжаемых Li – O2 аккумуляторов». Энергетика и экология . 4 (8): 2952–2958. DOI : 10.1039 / C1EE01496J . S2CID 96799565 .
- ^ Дэвид Э. Диркс. энергетические буферы . «бытовые отходы 8..11 МДж / кг»
- ^ Лу, Гуй-э; Чанг, Вэнь-пин; Цзян, Цзинь-Ён; Ду Ши-го (май 2011 г.). «Исследование энергетической плотности 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» . Duracell . Архивировано из оригинала на 2009-01-27 . Проверено 21 апреля 2009 .
- ^ К. Ноулен, А. Т. Маттик, А. П. Брукнер и А. Герцберг, «Высокоэффективные системы преобразования для автомобилей с жидким азотом» , Общество автомобильных инженеров Inc, 1988.
- ^ «Обзор литий-ионных аккумуляторов» (PDF) . Panasonic. Янв 2007. Архивировано 7 ноября 2011 года (PDF) .
- ^ «Panasonic NCR18650B» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 22 июля 2015 года.
- ^ [45] [46]
- ^ «Тест Duracell Ultra Power AA» . lygte-info.dk . Проверено 16 февраля 2019 .
- ^ «Техническое описание щелочных батарей Energizer EN91 AA» (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б «Тест GP ReCyko + AA 2700mAh (зеленый)» . lygte-info.dk . Проверено 16 февраля 2019 .
- ^ а б «Сравнение суперконденсаторов Максвелла» (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б «Техническое описание суперконденсаторов серии Nesscap ESHSP» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 29 марта 2016 года . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б «Техническое описание суперконденсаторов серии Cooper PowerStor XL60» (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б «Техническое описание суперконденсаторов Kemet серии S301» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б «Техническое описание суперконденсаторов серии Nichicon JJD» (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б "Ультраконденсатор высокой энергии skelcap" (PDF) . Скелетные технологии . Архивировано 2 апреля 2016 года из оригинального (PDF) . Проверено 13 октября 2015 года .
- ^ а б «ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ УЛЬТРАКОНДЕНСАТОРНОГО ЯЧЕЙКА 3,0 В 3400F BCAP3400 P300 K04 / 05» (PDF) . Проверено 12 января 2020 .
- ^ «Гидроэнергетика» . www.mpoweruk.com . Woodbank Communications Ltd . Проверено 13 апреля 2018 .
- ^ «2.1 Электроэнергия, разгрузка, взаимоотношения руководителей | Речное проектирование и восстановление в ОГУ | Государственный университет штата Орегон» . river.bee.oregonstate.edu . Проверено 13 апреля 2018 .
Пусть ε = 0,85, что означает рейтинг КПД 85%, типичный для более старой силовой установки.
- ^ а б «Техническое описание танталовых конденсаторов серии Vishay STE» (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ "Техническое описание алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon TVX" (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ "Технические данные алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon LGU" (PDF) . Проверено 10 января 2016 .
- ^ а б в «Сколько энергии можно хранить в резиновой ленте?» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 21 января 2020 .
- ^ а б в «MatWeb - информационный ресурс по онлайн-материалам» . www.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 .
- ^ PubChem. «Ацеталь» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р д т ы т у V «Модуль Юнга - предел прочности на растяжение и предел текучести для обычных материалов» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ Б с д е е г ч I Кисть Wellman Alloy Products. «Упругая эластичность» (PDF) . Технические лакомые кусочки . Проверено 15 декабря 2019 года .
- ^ «Спецификации сплава C17200 | Компания E. Jordan Brookes» . www.ejbmetals.com . Проверено 15 декабря 2019 .
- ^ «Информация и свойства поликарбоната» . www.polymerprocessing.com . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ «Лист технических данных ASM» . asm.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 .
- ^ Сазерленд, Карен; Мартин, Моника (2004). Элерт, Гленн (ред.). «Плотность стали» . Сборник фактов по физике . Проверено 18 июня 2020 .
- ^ «Породы древесины - влажность и вес» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ а б в «Мягкая / низкоуглеродистая сталь AISI 1018» . AZoM.com . 2012-06-28 . Проверено 22 января 2020 .
- ^ «Лист технических данных ASM» . asm.matweb.com . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ а б в "Американская восточная белая сосна" . www.matweb.com . Проверено 15 декабря 2019 .
- ^ а б «Масса, вес, плотность или удельный вес различных металлов» . www.simetric.co.uk . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ "Физические свойства стекла | Saint Gobain Building Glass UK" . uk.saint-gobain-building-glass.com . Проверено 12 декабря 2019 .
- ^ а б «Таблицы энергии батарей» . Архивировано из оригинала на 2011-12-04.
- ^ «Емкость аккумулятора 18650» .
- ^ «Поставка урана» . world-nuclear.org. 2014-10-08 . Проверено 13 июня 2015 .
- ^ «Факты от Коэна» . Formal.stanford.edu. 2007-01-26. Архивировано из оригинала на 2007-04-10 . Проверено 7 мая 2010 .
- ^ «Управление энергетической информации США (EIA) - Ежегодный энергетический обзор» . Eia.doe.gov. 2009-06-26. Архивировано из оригинала на 2010-05-06 . Проверено 7 мая 2010 .
- ^ Парравичини, Дж. (2018). «Термодинамические потенциалы в анизотропных и нелинейных диэлектриках». Physica B . 541 : 54–60. Bibcode : 2018PhyB..541 ... 54P . DOI : 10.1016 / j.physb.2018.04.029 .
- ^ «Терминология» . Регенеративная лазерная терапия .
дальнейшее чтение
- Инфляционная вселенная: поиски новой теории космического происхождения , Алан Х. Гут (1998) ISBN 0-201-32840-2
- Космологическая инфляция и крупномасштабная структура , Эндрю Р. Лиддл, Дэвид Х. Лит (2000) ISBN 0-521-57598-2
- Ричард Беккер, "Электромагнитные поля и взаимодействия", Dover Publications Inc., 1964 г.
Внешние ссылки
- ^ "Топливо для самолетов". Энергия, технологии и окружающая средаПод ред. Аттилио Бизио. Vol. 1. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259.
- " Топливо будущего для легковых и грузовых автомобилей " - доктор Джеймс Дж. Эберхардт - Эффективность использования энергии и возобновляемые источники энергии, Министерство энергетики США - 2002 Семинар по сокращению выбросов дизельных двигателей (DEER) Сан-Диего, Калифорния - 25–29 августа 2002
- «Тепловая ценность различных видов топлива - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org . Проверено 4 ноября 2018 года .
- "Энергия и типы энергии - Спрингер" (PDF) . Проверено 4 ноября 2018 года .