Densitatea energiei

Din Wikipedia

Densitatea energiei este un termen folosit pentru cantitatea de energie stocată într-un anumit sistem sau regiune de spațiu pe unitate de volum sau pe unitate de masă, în funcție de context. Aceasta din urmă este mai cunoscută formal sub numele de energie specifică. [1] [clarificare necesară] În unele cazuri, este evident din context care este cantitatea cea mai utilă: de exemplu, în rachetă, energia pe unitate de masă este cel mai important parametru, dar atunci când se studiază gazul sub presiune sau magnetohidrodinamica, energia pe unitate de volum este mai potrivită. În câteva aplicații (comparând, de exemplu, eficacitatea combustibilului cu hidrogen la benzină) ambele cifre sunt adecvate și ar trebui să fie explicate în mod explicit. (Hidrogenul are o densitate de energie mai mare pe unitate de masă decât benzina, dar, chiar și sub formă lichidă, o densitate de energie mult mai mică pe unitate de volum).

Energia pe unitate de volum are aceleași unități fizice ca și presiunea și, în multe circumstanțe, este un sinonim exact: de exemplu, densitatea energetică a câmpului magnetic poate fi exprimată ca (și se comportă ca) o presiune fizică și energia necesară pentru comprimare un gaz comprimat puțin mai mult poate fi determinat prin înmulțirea diferenței dintre presiunea gazului și presiunea din exterior cu modificarea volumului.

Conţinut

Densitatea energiei în stocarea energiei și în combustibil

În aplicația de stocare a energiei, densitatea energiei raportează masa unui depozit de energie la energia stocată. Cu cât este mai mare densitatea de energie, cu atât mai multă energie poate fi stocată sau transportată pentru aceeași cantitate de masă. În contextul selecției combustibilului, densitatea energetică a unui combustibil este numită și energia specifică a combustibilului respectiv, deși, în general, un motor care folosește combustibilul respectiv va produce mai puțină energie din cauza ineficiențelor și a considerațiilor termodinamice - de aici și consumul specific de combustibil al unui motor va fi mai mare decât reciprocitatea energiei specifice a combustibilului. [clarificare necesară]

Sursele de energie cu cea mai mare densitate sunt fuziunea și fisiunea. Energia de fuziune de la soare, care va fi disponibilă timp de miliarde de ani (sub formă de lumină solară), dar oamenii nu au învățat să facă propriile noastre surse de energie de fuziune susținută. Fisiunea U-238 în centralele nucleare va fi disponibilă timp de miliarde de ani din cauza sursei mari de elemente de pe pământ. [2] Cărbunele și petrolul sunt sursele actuale de energie primară din S.U.A. [citat necesar] dar au o densitate de energie mult mai mică. Arderea combustibililor din biomasă locală asigură necesitățile energetice ale gospodăriei (focuri de gătit, lămpi cu ulei etc.) la nivel mondial.

Densitatea energetică (cât de multă energie poți transporta) nu îți spune despre eficiența conversiei energetice (producția netă pe intrare) sau despre energia încorporată (ceea ce costă producția energetică de furnizat, cum ar fi recoltarea, rafinarea, distribuirea și gestionarea poluării. ). Ca orice proces care are loc pe scară largă, utilizarea intensivă a energiei creează impact asupra mediului: de exemplu, încălzirea globală, depozitarea deșeurilor nucleare și defrișările sunt câteva dintre consecințele aprovizionării cu cererile noastre crescânde de energie din combustibili fosili, fisiune nucleară sau biomasă.

Împărțind la 3,6, cifrele pentru megajoule pe kilogram pot fi convertite în kilowati-oră pe kilogram. Din păcate, energia utilă disponibilă prin extracția dintr-un depozit de energie este întotdeauna mai mică decât energia introdusă în depozitul de energie, așa cum se explică prin legile termodinamicii. Nicio metodă unică de stocare a energiei nu se laudă cu cea mai bună putere specifică, energie specifică și densitate de energie. Legea lui Peukert descrie modul în care cantitatea de energie pe care o scoatem depinde de cât de repede o scoatem.

Densitatea energetică gravimetrică și volumetrică a unor combustibili și tehnologii de stocare (modificată din articolul privind benzina):

Densități de energie adevărate

Acest tabel oferă densitatea de energie a unui sistem complet, inclusiv toate componentele externe necesare, cum ar fi oxidanții sau sursele de căldură. Un MJ ≈ 278 Wh ≈ 0,32 HPh.

Densități de energie ignorând componentele externe

Acest tabel listează densitățile de energie ale sistemelor care necesită componente externe, cum ar fi oxidanți sau radiator sau sursă. Aceste cifre nu iau în considerare masa și volumul componentelor necesare, deoarece se presupune că sunt disponibile în mod liber și prezente în atmosferă. Astfel de sisteme nu pot fi comparate cu sisteme autonome.

Densitatea energetică a câmpurilor electrice și magnetice

Câmpurile electrice și magnetice stochează energie. În vid, densitatea de energie (volumetrică) (în unități SI) este dată de

Unde E este câmpul electric și B este câmpul magnetic. În contextul magnetohidrodinamicii, fizica fluidelor conductoare, densitatea energiei magnetice se comportă ca o presiune suplimentară care se adaugă la presiunea gazului unei plasma.

În substanțele normale (liniare), densitatea energiei (în unități SI) este

Densitatea energetică a spațiului gol

În fizică, „energia vidului” sau „energia punctului zero” este densitatea energetică volumetrică a spațiului gol. Dezvoltări mai recente au expus conceptul de energie în spațiul gol.

Fizica modernă este clasificată în mod obișnuit în două teorii fundamentale: teoria cuantică a câmpului și relativitatea generală. Teoria câmpului cuantic ia în calcul mecanica cuantică și relativitatea specială și este o teorie a tuturor forțelor și particulelor, cu excepția gravitației. Relativitatea generală este o teorie a gravitației, dar este incompatibilă cu mecanica cuantică. În prezent, aceste două teorii nu au fost încă reconciliate într-o singură descriere unificată, deși cercetările privind „gravitația cuantică” și, mai recent, electrodinamica stocastică, încearcă să reducă această diviziune.

În relativitatea generală, constanta cosmologică este proporțională cu densitatea energetică a spațiului gol și poate fi măsurată prin curbura spațiului.

Teoria câmpului cuantic consideră că starea de bază a vidului nu este complet goală, ci constă dintr-o masă de fierbere a particulelor și câmpurilor virtuale. Aceste câmpuri sunt cuantificate ca probabilități - adică probabilitatea manifestării pe baza condițiilor. Deoarece aceste câmpuri nu au o existență permanentă, ele sunt numite fluctuații de vid. În efectul Casimir, două plăci metalice pot provoca o schimbare a densității de energie a vidului între ele, ceea ce generează o forță măsurabilă.

Unii cred că energia vidului ar putea fi „energia întunecată” (numită și Quintessence) asociată cu constanta cosmologică în relativitatea generală, considerată a fi similară cu o forță gravitațională negativă (sau antigravitațională). Observațiile conform cărora universul în expansiune pare a fi accelerat par să susțină teoria inflației cosmice - propusă pentru prima dată de Alan Guth în 1981 - în care universul născut a trecut printr-o fază de expansiune exponențială condusă de o densitate negativă a energiei vidului (presiunea pozitivă a vidului).

Densitatea energetică a alimentelor

Densitatea energetică este cantitatea de energie (kilojoule sau calorii) per cantitate de alimente, cantitatea de alimente fiind măsurată în grame sau mililitri de alimente. Densitatea energetică este astfel exprimată în cal/g, kcal/g, J/g, kJ/g, cal/mL, kcal/mL, J/mL sau kJ/mL. Ceea ce este denumit în mod popular numărul de "calorii" dintr-o porțiune de alimente (invariabil scris cu majusculă C pentru a arăta că este caloria alimentară) este, prin urmare, numărul de kilogramcalorii (mii de calorii cu micul c) din porție.

Densitatea energetică măsoară energia eliberată atunci când alimentele sunt metabolizate de un organism sănătos atunci când ingeră alimentele (a se vedea energia alimentară pentru calcul) și alimentele sunt metabolizate cu oxigen, în produse reziduale precum dioxidul de carbon și apa. Carbohidrații, grăsimile și proteinele sunt singurele surse de energie pentru o persoană care se abține de la alcool și reprezintă nouăzeci la sută din greutatea uscată a alimentelor. [60] Prin urmare, conținutul de apă este cel mai important factor în densitatea energiei. Carbohidrații și proteinele furnizează patru calorii pe gram, în timp ce grăsimile oferă nouă calorii pe gram, de 2,25 ori mai multă energie. Alimentele care își obțin cea mai mare parte a energiei din grăsimi au o densitate energetică mult mai mare decât cele care obțin cea mai mare parte a energiei din carbohidrați sau proteine, chiar dacă conținutul de apă este același. Nutrienții cu o absorbție mai redusă, cum ar fi alcoolii din fibre sau zahăr, scad și densitatea energetică a alimentelor. O densitate moderată a energiei ar fi de 1,6 până la 3 calorii pe gram; somonul, carnea slabă și pâinea ar intra în această categorie. Alimentele bogate în energie ar avea mai mult de trei calorii pe gram și ar include biscuiți, brânză, ciocolată neagră și arahide. [61] Densitatea energetică a unui aliment poate fi determinată de pe etichetă împărțind caloriile sau joulii la greutatea în grame.