Смотрите также: Теплота сгорания
Энергия на объем
Плотность энергии | |
Единица СИ | /3 |
В Базовые единицы СИ | кг · м−1s−2 |
Производные от другие количества | U = / |
Плотность энергии
это количество энергия хранится в данной системе или области пространства на единицу объем. Его также можно использовать для получения энергии на единицу масса, хотя точный термин для этого удельная энергия (или гравиметрическая плотность энергии). Часто только
полезный
или извлекаемая энергия измеряется, то есть недоступная энергия (такая как масса покоя энергия) игнорируется.[1] В космологический и другие общерелятивистский контекстах, однако, рассматриваемые плотности энергии соответствуют элементам тензор энергии-импульса и поэтому 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 синоним: например, плотность энергии магнитного поля может быть выражена как (и ведет себя как) физическое давление, а энергия, необходимая для большего сжатия сжатого газа, может быть определена путем умножения разницы между давлением газа и внешним давлением. давление по изменению объема. Короче говоря, давление — это мера энтальпия на единицу объема системы. А градиент давления имеет потенциал для выполнения Работа на окружающую среду путем преобразования энтальпии в работу, пока не будет достигнуто равновесие.
Введение в плотность энергии
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, оба 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 очень 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 — это теоретическая общая сумма термодинамическая работа который может быть получен из системы с заданной температурой и давлением для окружающей среды. Это называется эксергия. Другой — это теоретический объем работы, который может быть получен из реагенты которые изначально находятся при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это дается изменением стандарта Свободная энергия Гиббса. Но как источник высокая температура или для использования в Тепловой двигатель, соответствующее количество — это изменение стандартного энтальпия или теплота 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 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 справочниках.[2]
Высшая и низшая теплота сгорания топлива
Измеренная теплота сгорания топлива зависит от того, что происходит с водой во время сгорания. Напомним, что на образование пара нужно израсходовать много тепла и что при превращении водяного пара в жидкое состояние выделяется большое количество тепла. Если при сгорании топлива и измерении его характеристик вода остается в парообразном состоянии, значит, она содержит тепло, которое не будет измерено. Таким образом, будет измерена только чистая энергия, содержащаяся в топливе. Говорят, что при этом измеряется низшая теплота сгорания топлива
. Если же при измерении (или эксплуатации двигателя) вода полностью конденсируется из парообразного состояния и охлаждается до исходной температуры топлива до начала его горения, будет измерено существенно большее количество выделенного тепла. При этом говорят, что измеряется
высшая теплота сгорания топлива
. Следует учесть, что двигатель внутреннего сгорания не может использовать дополнительную энергию, которая выделяется при конденсации пара. Поэтому правильнее измерять низшую теплоту сгорания, что и делают многие изготовители при измерении расхода топлива двигателей. Однако американские производители часто указывают в характеристиках выпускаемых двигателей данные с учетом высшей теплоты сгорания. Разница между этими величинами для одного и того же двигателя составляет примерно 10%. Это не очень много, но приводит к путанице, если в технических характеристиках двигателя не указан метод измерения.
Отметим, что высшая и низшая теплота сгорания относятся только к видам топлива, содержащим водород, например, к бензину или дизельному топливу. При сгорании чистого углерода или монооксида углерода высшую и низшую теплоту сгорания определить нельзя, так как эти вещества не содержат водорода и, следовательно, при их сгорании вода не образуется.
При сгорании топлива в двигателе реальная величина механической работы, выполненной в результате сгорания топлива, в большой мере зависит от самого двигателя. Бензиновые двигатели в этом отношении менее эффективны по сравнению с дизельными двигателями. Например, дизельные двигатели легковых автомобилей имеют КДП по энергии 30–40%, в то время аналогичная величина для бензиновых двигателей составляет только 20–30%.
Плотность энергии в накопителе энергии и в топливе
График выбранной плотности энергии[3][4][5][6][7][8][9]
В хранилище энергии приложений плотность энергии связывает энергия в накопителе энергии к объему накопителя, например то топливо бак. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии может быть сохранено или транспортировано в том же объеме. Плотность энергии топлива на единицу массы называется удельная энергия этого топлива. В целом двигатель использование этого топлива будет производить меньше кинетическая энергия из-за неэффективность и термодинамический соображения — отсюда удельный расход топлива двигателя всегда будет больше, чем его скорость производства кинетической энергии движения.
Широкие последствия
Плотность энергии отличается от эффективность преобразования энергии (чистый выпуск на ввод) или внутренная энергия (затраты энергии на обеспечение, как сбор урожая, очистка, распространение и работа с загрязнение все используют энергию). Широкомасштабное и интенсивное энергопотребление влияет и подвержено влиянию климат, хранилище отходов, и экологические последствия.
Ни один из методов хранения энергии не может похвастаться удельная мощность, удельная энергия, и плотность энергии. Закон Пейкерта описывает, как количество полезной энергии, которое может быть получено (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, как быстро он извлекается. Чтобы максимизировать удельную энергию и плотность энергии, можно вычислить удельная плотность энергии вещества путем умножения двух значений вместе, где чем выше число, тем лучше вещество в плане эффективного хранения энергии.
Обсуждаются альтернативные варианты хранения энергии для увеличения плотности энергии и уменьшения времени зарядки.[10][11][12][13]
Гравиметрический и объемный удельная энергия некоторых видов топлива и технологий хранения (изменено с Бензин статья):
Примечание. Некоторые значения могут быть неточными из-за изомеры или другие нарушения. Увидеть Теплотворная способность для получения исчерпывающей 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. В атомный вес углерода и кислорода похожи, а водород намного легче кислорода. 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.
Примеры единиц измерения работы
Много различных материалов могут хранить энергию от дерева до урана. Эти материалы известны как топливо, и все эти виды используются в качестве источников для различных систем. Когда топливо поступает непосредственно из природы (например, сырая нефть), оно является первичным топливом; когда топливо должно быть модифицировано, чтобы его можно было использовать (например, бензин), его называют вторичным источником.
В таблице ниже показана плотность энергии для различных видов топлива:
Топливо | Плотность энергии (МДж / кг) | Типовое применение |
Дерево | 16 | Отопление помещений, приготовление пищи |
Уголь | 24 | Электростанции, производство электроэнергии |
Этанол | 26.8 | Бензиновая смесь, спирт, химические продукты |
Биодизель | 38 | Автомобильный двигатель |
Сырая нефть | 44 | Производство нефтепродуктов |
Дизельное топливо | 45 | Дизельный двигатель |
Бензин | 46 | Бензиновые двигатели |
Газ | 55 | Бытовое отопление, производство электроэнергии |
Уран-235 | 76 000 000 | Производство электроэнергии с помощью ядерного реактора |
Для визуального представления этих значений сравнения плотностей энергии различных видов топлива.
Таблицы содержания энергии
Эта статья или раздел кажется противоречит самому себе . Пожалуйста, посмотрите страница обсуждения за дополнительной информацией. |
Некоторые из этого раздела перечисленные источники может и не быть надежный . Пожалуйста, помогите этой статье поиском более надежных источников. Ненадежные цитаты могут быть оспорены или удалены. |
Если не указано иное, значения в следующей таблице являются более низкая теплотворная способность для идеальное сгорание без учета массы или объема окислителя. При рассмотрении данных в таблице могут быть полезны следующие преобразования единиц измерения: 3,6 = 1 кВт⋅ч ≈ 1.34 hp⋅h.
Энергетические плотности энергетических сред
Тип хранилища | Удельная энергия (МДж / кг) | Плотность энергии (МДж / л) | Удельная энергия (Вт⋅ч / кг) | Плотность энергии (Вт⋅ч / л) | Как высвобождается энергия и комментарии |
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 (слияние) | 639,780,320[14] но как минимум 2% из них теряется нейтрино. | Зависит от условий | 177,716,755,600 | Зависит от условий | Реакция 4H →4Он |
Дейтерий | 571,182,758[15] | Зависит от условий | 158,661,876,600 | Зависит от условий | Предложенный схема слияния для D + D →4Он, объединив D + D → T + H, T + D →4He + n, n + H → D и D + D →3Он + п, 3Он + D →4He + H, n + H → D |
Дейтерий+тритий | 337,387,388[16] | Зависит от условий | 93,718,718,800 | Зависит от условий | Д + Т → 4Он + n Развивается. |
Плутоний-239 | 83,610,000 | 1,300,000,000–1,700,000,000 (в зависимости от кристаллографическая фаза) | 23,222,915,000 | 370 000 000 000–460 000 000 000 (в зависимости от кристаллографическая фаза) | Тепло, произведенное в Реактор деления |
Плутоний-239 | 31,000,000 | 490 000 000–620 000 000 (в зависимости от кристаллографическая фаза) | 8,700,000,000 | 140 000 000 000–170 000 000 000 (в зависимости от кристаллографическая фаза) | Электроэнергия произведена в Реактор деления |
Уран | 80,620,000[17] | 1,539,842,000 | 22,394,000,000 | Тепло, произведенное в реактор-размножитель | |
Торий | 79,420,000[17] | 929,214,000 | 22,061,000,000 | Тепло, произведенное в реактор-размножитель (Экспериментальный) | |
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. | |
Водород, жидкость[18] | 141.86 (HHV) 119.93 (LHV) | 10,044 (HHV) 8,491 (LHV) | 39,405.639 405,6 (HHV) 33 313,9 (LHV) | 2790,0 (HHV) 2358,6 (LHV) | Приведены значения энергии после разогрев до 25 ° C. |
Водород, при 690 бар и 25 ° C[18] | 141,86 (HHV) 119,93 (лхв) | 5,323 (HHV) 4,500 (л / с) | 39,405.639 405,6 (HHV) 33 313,9 (LHV) | 1478,6 (HHV) 1250,0 (лт. | |
Водород, газ, 1 банкомат, 25 ° С[18] | 141,86 (HHV) 119,93 (лхв) | 0,01188 (HHV) 0,01005 (LHV) | 39,405.639 405,6 (HHV) 33 313,9 (LHV) | 3,3 (HHV) 2,8 (LHV) | |
Диборан[19] | 78.2 | 21,722.2 | |||
Бериллий | 67.6 | 125.1 | 18,777.8 | 34,750.0 | |
Боргидрид лития | 65.2 | 43.4 | 18,111.1 | 12,055.6 | |
Бор[20] | 58.9 | 137.8 | 16,361.1 | 38,277.8 | |
Метан (1,013 бар, 15 ° C) | 55.6 | 0.0378 | 15,444.5 | 10.5 | |
СПГ (NG при -160 ° C) | 53.6[21] | 22.2 | 14,888.9 | 6,166.7 | |
СПГ (ПГ сжат до 250 бар / ~ 3600 фунтов на кв. Дюйм) | 53.6[21] | 9 | 14,888.9 | 2,500.0 | |
Натуральный газ | 53.6[21] | 0.0364 | 14,888.9 | 10.1 | |
СУГ пропан[22] | 49.6 | 25.3 | 13,777.8 | 7,027.8 | |
СУГ бутан[22] | 49.1 | 27.7 | 13,638.9 | 7,694.5 | |
Бензин (бензин)[22] | 46.4 | 34.2 | 12,888.9 | 9,500.0 | Сгорел внутри двигателей внутреннего сгорания. Тепловой КПД от 20 до 40%. |
Полипропилен пластик | 46.4[23] | 41.7 | 12,888.9 | 11,583.3 | |
Полиэтилен пластик | 46.3[23] | 42.6 | 12,861.1 | 11,833.3 | |
Жилой топочный мазут[22] | 46.2 | 37.3 | 12,833.3 | 10,361.1 | |
Дизельное топливо[22] | 45.6 | 38.6 | 12,666.7 | 10,722.2 | Сгорел внутри двигателей внутреннего сгорания. Тепловой КПД от 25 до 40%. |
100LL Avgas | 44.0[24] | 31.59 | 12,222.2 | 8,775.0 | |
Реактивное топливо (например. Керосин) | 43[25][26][27] | 35 | Авиационный двигатель | ||
Газохол E10 (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 | |
Биодизель масло (растительное масло) | 42.20 | 33 | 11,722.2 | 9,166.7 | |
DMF (2,5-диметилфуран)[требуется разъяснение ] | 42[28] | 37.8 | 11,666.7 | 10,500.0 | |
Сырая нефть (согласно определению тонна нефтяного эквивалента) | 41.868 | 37[21] | 11,630 | 10,278 | |
Полистирол пластик | 41.4[23] | 43.5 | 11,500.0 | 12,083.3 | |
Телесный жир | 38 | 35 | 10,555.6 | 9,722.2 | Обмен веществ в организме человека (КПД 22%[29]) |
Бутанол | 36.6 | 29.2 | 10,166.7 | 8,111.1 | |
Газохол E85 (85% этанол 15% бензина по объему) | 33.1 | 25.65[нужна цитата ] | 9,194.5 | 7,125.0 | |
Графитовый | 32.7 | 72.9 | 9,083.3 | 20,250.0 | |
Уголь, антрацит[6] | 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%. |
Кремний[30] | 1.790 | 4.5 | 500 | 1,285 | Энергия, накопленная за счет перехода кремния из твердой фазы в жидкую |
Алюминий | 31.0 | 83.8 | 8,611.1 | 23,277.8 | |
Этиловый спирт | 30 | 24 | 8,333.3 | 6,666.7 | |
DME[31][32] | 31,7 (HHV) 28,4 (л / с) | 21,24 (HHV) 19.03 (LHV) | 8,805.68805,6 (HHV) 7 888,9 (LHV) | 5900,0 (HHV) 5 286,1 (LHV) | |
Полиэстер пластик | 26.0[23] | 35.6 | 7,222.2 | 9,888.9 | |
Магний | 24.7 | 43.0 | 6,861.1 | 11,944.5 | |
Уголь, битумный[6] | 24–35 | 26–49 | 6,666.7–9,722.2 | 7,222.2–13,611.1 | |
ПЭТ пластик (нечистый) | 23.5[33] | 6,527.8 | |||
Метанол | 19.7 | 15.6 | 5,472.2 | 4,333.3 | |
Гидразин (сгорел до N2+ H2O) | 19.5 | 19.3 | 5,416.7 | 5,361.1 | |
Жидкость аммиак (сгорел до N2+ H2O) | 18.6 | 11.5 | 5,166.7 | 3,194.5 | |
ПВХ пластик (неправильное горение токсично)[требуется разъяснение ] | 18.0[23] | 25.2 | 5,000.0 | 7,000.0 | |
Дерево[34] | 18.0 | 5,000.0 | |||
Торф брикет[35] | 17.7 | 4,916.7 | |||
Сахар, углеводы и белок[нужна цитата ] | 17 | 26.2 (декстроза) | 4,722.2 | 7,277.8 | Обмен веществ в организме человека (КПД 22%[36]) |
Кальций[нужна цитата ] | 15.9 | 24.6 | 4,416.7 | 6,833.3 | |
Глюкоза | 15.55 | 23.9 | 4,319.5 | 6,638.9 | |
Сухой коровий навоз и верблюжий навоз | 15.5[37] | 4,305.6 | |||
Уголь, лигнит[нужна цитата ] | 10–20 | 2,777.8–5,555.6 | |||
Натрий | 13.3 | 12.8 | 3,694.5 | 3,555.6 | сгорел до мокрого гидроксид 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 диоксид серы[38] |
Натрий | 9.1 | 8.8 | 2,527.8 | 2,444.5 | сгорел, чтобы высохнуть оксид натрия |
Батарея воздушно-литиевая перезаряжаемая | 9.0[39] | 2,500.0 | Контролируемый электрический разряд | ||
Бытовые отходы | 8.0[40] | 2,222.2 | |||
Цинк | 5.3 | 38.0 | 1,472.2 | 10,555.6 | |
Утюг | 5.2 | 40.68 | 1,444.5 | 11,300.0 | сгорел до оксид железа (III) |
Тефлон пластик | 5.1 | 11.2 | 1,416.7 | 3,111.1 | горючий токсичный, но негорючий |
Утюг | 4.9 | 38.2 | 1,361.1 | 10,611.1 | сгорел до оксид железа (II) |
Порох | 4.7–11.3[41] | 5.9–12.9 | |||
TNT | 4.184 | 6.92 | |||
ANFO | 3.7 | 1,027.8 | |||
Батарея воздушно-цинковая[42] | 1.59 | 6.02 | 441.7 | 1,672.2 | Контролируемый электрический разряд |
Жидкий азот | 0.77[43] | 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[нужна цитата ] (термический) | 0.335 | 0.335 | 93.1 | 93.1 | |
Литий-металлический аккумулятор | 1.8 | 4.32 | Контролируемый электрический разряд | ||
Литий-ионный аккумулятор | 0.36–0.875[46] | 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[47] | 1.3[48] | Контролируемый электрический разряд | ||
Никель-металлогидридная батарея | 0.41[49] | 0.504–1.46[49] | Контролируемый электрический разряд | ||
Свинцово-кислотная батарея | 0.17 | 0.56 | Контролируемый электрический разряд | ||
Суперконденсатор (EDLC) | 0.01–0.030[50][51][52][53][54][55][56] | 0.006–0.06[50][51][52][53][54][55] | до 8,57[56] | 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%.[57][58] |
Электролитический конденсатор | 0.00001–0.0002[59] | 0.00001–0.001[59][60][61] | Контролируемый электрический разряд | ||
Тип хранилища | Плотность энергии по массе (МДж / кг) | Плотность энергии по объему (МДж / л) | Удельная энергия (Вт⋅ч / кг) | Плотность энергии (Вт⋅ч / л) | Как высвобождается энергия и комментарии |
Поскольку 1 Дж = 10-6 МДж и 1 м3 = 103 L, разделить джоуль/3 на 109
получить / = ГДж / м3. Разделите МДж / л на 3,6, чтобы получить кВт⋅ч/ L.
Емкость хранения механической энергии, или стойкость, из Hookean Материал, когда он деформирован до точки разрушения, можно рассчитать, вычислив предел прочности на разрыв, умноженный на максимальное относительное удлинение, деленное на два. Максимальное удлинение материала Гука можно вычислить, разделив жесткость этого материала на его предел прочности при растяжении. В следующей таблице перечислены эти значения, вычисленные с использованием модуля Юнга в качестве меры жесткости:
Мощность механической энергии
Материал | Плотность энергии по массе (Дж / кг) | Устойчивость: Плотность энергии по объему (Дж / л) | Плотность (кг / л) | Модуль для младших (ГПа) | Предел прочности при растяжении прочность (МПа) |
Резинка | 1,651–6,605[62] | 2,200–8,900[62] | 1.35[62] | ||
Сталь, ASTM A228 (выход, диаметр 1 мм) | 1,440–1,770 | 11,200–13,800 | 7.80[63] | 210[63] | 2,170–2,410[63] |
Ацетали | 908 | 754 | 0.831[64] | 2.8[65] | 65 (максимальная)[65] |
Нейлон-6 | 233–1,870 | 253–2,030 | 1.084 | 2–4[65] | 45–90 (максимальная)[65] |
Медь Бериллий 25-1 / 2 HT (доходность) | 684 | 5,720[66] | 8.36[67] | 131[66] | 1,224[66] |
Поликарбонаты | 433–615 | 520–740 | 1.2[68] | 2.6[65] | 52–62 (максимальная)[65] |
АБС-пластик | 241–534 | 258–571 | 1.07 | 1.4–3.1[65] | 40 (максимум)[65] |
Акрил | 1,530 | 3.2[65] | 70 (максимум)[65] | ||
Алюминий 7077-Т8 (Уступать) | 399 | 1120[66] | 2.81[69] | 71.0[66] | 400[66] |
Сталь, нержавеющий, 301-Н (выход) | 301 | 2,410[66] | 8.0[70] | 193[66] | 965[66] |
Эпоксидные смолы | 113–1810 | 2–3[65] | 26–85 (максимальная)[65] | ||
Пихта Дугласа Вуд | 158–200 | 96 | .481–.609[71] | 13[65] | 50 (сжатие)[65] |
Сталь, мягкая AISI 1018 | 42.4 | 334 | 7.87[72] | 205[72] | 370 (440 Максимальное)[72] |
Алюминий (нелегированный) | 32.5 | 87.7 | 2.70[73] | 69[65] | 110 (максимальная)[65] |
Сосна (Американская восточная белая, изгиб) | 31.8–32.8 | 11.1–11.5 | .350[74] | 8.30–8.56 (изгиб)[74] | 41,4 (изгиб)[74] |
Латунь | 28.6–36.5 | 250–306 | 8.4–8.73[75] | 102–125[65] | 250 (максимальная)[65] |
Медь | 23.1 | 207 | 8.93[75] | 117[65] | 220 (максимальная)[65] |
Стекло | 5.56–10.0 | 13.9–25.0 | 2.5[76] | 50–90[65] | 50 (сжатие)[65] |
Таблица энергоемкости батарей:
Емкость батареи
Устройство хранения | Содержание энергии (Джоуль) | Тип энергии | Типичный масса (г) | Типовые размеры (диаметр × высота в мм) | Типичный объем (мл) | Плотность энергии по объему (МДж / л) | Плотность энергии по массе (МДж / кг) |
Щелочной Батарея AA[77] | 9,360 | Электрохимический | 24 | 14.2 × 50 | 7.92 | 1.18 | 0.39 |
Щелочной C аккумулятор[77] | 34,416 | Электрохимический | 65 | 26 × 46 | 24.42 | 1.41 | 0.53 |
NiMH Батарея AA | 9,072 | Электрохимический | 26 | 14.2 × 50 | 7.92 | 1.15 | 0.35 |
NiMH C аккумулятор | 19,440 | Электрохимический | 82 | 26 × 46 | 24.42 | 0.80 | 0.24 |
Литий-ионный 18650 аккумулятор | 28,800–46,800 | Электрохимический | 44–49[78] | 18 × 65 | 16.54 | 1.74–2.83 | 0.59–1.06 |
Объемная плотность электрического поля
→ Интересное
Теперь предположим, что имеется непрерывное распределение зарядов, задаваемое объемной плотностью ρ(r→). Тогда в элементарном объеме dV содержится заряд
dq = ρ(r→)dV,
а формула (39′) приобретает такой вид W = 1 2 ∫ ρ(r→)ϕ(r→)dV. (16.1)
Некоторое замечание надо сделать для обоснования перехода (39′)→(42). При переходе к объемному распределению под интегралом, вообще говоря, следовало писать
ρ(r→)ϕ′(r→),
понимая под ϕ′(r→) потенциал всех зарядов, за исключением элементарного заряда ρdV . Мысленно представим заряд ρdV в виде равномерно заряженного шарика малого радиуса δ с центром в точке r→ и с плотностью заряда ρ(r→). Легко вычислить, что потенциал этого заряда в центре шарика = 3 2 q δ = 3 2 1 δ ⋅4 3πδ3ρ = 2πδ2 ⋅ ρ(r→), и следовательно,
ϕ′(r→) = ϕ(r→) − 2πρ(r→)δ2.
Отсюда видно, что при δ → 0 ϕ′→ ϕ(r→) и замена ϕ′(r→) на ϕ(r→), таким образом, действительно допустима.
Теперь осуществим некоторое тождественное преобразование выражения (42), заменив в последнем ρ, согласно уравнению Пуассона (13), на −1 4πΔϕ и используя формулу векторного анализа
div(ϕgradϕ) = ϕΔϕ + gradϕ)2;
в результате получим
W = − 1 8π ∫ div(ϕgradϕ)−gradϕ)2]dV = 1 8π ∮ SϕEndS+ 1 8π ∫ V E2dV,
где S — поверхность, ограничивающая объем V . Если заряды занимают ограниченный объем в пространстве, а в качестве поверхности S принять поверхность сколь угодно большого радиуса R, то при R →∞ интеграл по поверхности
так как на больших расстояниях ϕ и En совпадают по крайней мере не медленнее, чем 1 R и 1 R2 (если, повторим, заряды занимают конечный объем пространства), а поверхность растет как R2.
Итак, в результате тождественного преобразования выражения (42) получим формулу W = ∫ E2 8πdV (16.2)
в виде интеграла по всему пространству, занятому полем, которая по сравнению с исходной формулой (39) имеет не только новый вид, но, по существу, и новый смысл, определяя плотность энергии электрического поля в пространстве W = E2 8π. (16.3)
В то время как (39) описывает только энергию взаимодействия разных зарядов (i≠j), формула (42) и следующая из нее формула (43) включают также и собственную энергию каждого из этих зарядов. В терминах поля можно сказать, что формулы (42), (43) описывают полную энергию электрического поля, тогда как (39) — только часть этой энергии.
Представление об энергии электрического поля, распределенном в пространстве с объемной плотностью (44) здесь получено на основе строгих рассуждений. А теперь получим выражение (44) из рассмотрения конкретного примера. Понятно, что никакие примеры доказательства справедливости (44) для общего случая дать не могут. Зато конкретные примеры могут дать наглядное представление о том, как соотношение (44) «работает».
Начнем с обсуждения вспомогательного вопроса о силах, действующих на поверхностные заряды со стороны электрического поля. Более конкретно – силы, действующие на заряды поверхности проводника.
Мы знаем, что на точечный заряд q со стороны электрического поля E→ действует сила
где E→ – напряженность поля, возбуждаемого всеми зарядами системы, кроме самого заряда q. Когда же мы обращаемся к силам, действующим на поверхностные заряды, возникает трудность, связанная с тем, что поле E→ по разные стороны поверхности имеет разные значения, а на самой поверхности неопределено. Как мы уже обсуждали, внутри проводника поле тождественно равно нулю, а с внешней стороны поверхности имеет только нормальную компоненту, связанную с локальной поверхностной плотностью σ (см. рис. 34). Понятно, что представление о разрыве поля обусловлено неявным отказом от рассмотрения структуры тонкого слоя, где расположены заряды, и предположим, что этот слой представляет собой бесструктурную математическую поверхность. Такая идеализация весьма продуктивна, позволяя нам определить поля вне и внутри проводника, пользуясь простыми средствами. Определение структуры поверхностного слоя для металлических проводников проводится с учетом функции распределения Ферми-Дирака для электронов проводимости и пока для нас недоступно. Но тот факт, что поверхность проводника, где сосредоточены заряды, на самом деле обладает некоторой конечной толщиной δ, хотя и весьма малой, где заряды распределены по объему, позволяет легко получить выражение, связывающее силы, действующие на поверхность проводника, с напряженностью поля вблизи этой поверхности.
Итак, рассмотрим выделенный на рис. 34 участок поверхности dS проводника. Имея ввиду, что толщина слоя очень мала, кривизной поверхности можно пренебречь и считать поверхность проводника и рассматриваемый слой плоскими.
По внешней нормали к поверхности проводника проведем ось x и пусть слой, где распределены заряды, занимает область (рис. 35). Можно считать, что поле E→ внутри и вблизи слоя не зависит от координат y,z и имеет только x-компоненту Ex(x), а объемная плотность заряда характеризуется функцией ρ(x). Левее этого слоя электрическое поле равно нулю (поле внутри проводника). Следовательно, Ex(x) внутри слоя удовлетворяет уравнению
dEx dx = 4πρ(x),(∗)
граничному условию E(0) = 0 и имеет решение
Ex(x) = 4π ∫ 0xρ(ξ)dξ.
Теперь нетрудно найти силу, действующую на слой,
f→ = fxe→x,fx = ∫ 0δρ(x)E x(x)dx,
приходящуюся на единицу поверхности проводника. Подставив сюда вместо ρ(x) выражение из (*), получаем
fx = 1 4π ∫ 0δE x(x)dEx dx dx = 1 8π ∫ 0δ d dx2dx,
где E0 = Ex(δ) = 4π ∫ 0δρ(x)dx = 4πσ – напряженность поля на внешней поверхности проводника.
Таким образом,сила, действующая на поверхность проводника, определяется суммарным зарядом σ = ∫ 0δρ(x)dx, приходящимся на единицу площади поверхности, и не зависит от распределения ρ(x). Обратим внимание, что при любом знаке заряда σ, т.е. при любом направлении поля E→0, сила f→ направлена вдоль внешней нормали, т.е. f→ = E02 8π n→. (16.4)
Заметим, что результат (45) справедлив для любой заряженной поверхности, если только по одну сторону от поверхности напряженность поля равна нулю.
Теперь обратимся к примеру, призванному служить иллюстрацией к выражению
W = 1 8π ∫ E2dV.
Пример 1. Пусть сферическая поверхность радиуса R равномерно заряжена с суммарным зарядом q. Рассмотрев процесс расширения сферы до радиуса R + dR найти выражение для плотности энергии электрического поля.
в начальном состоянииEr = q r2 приr > R 0приr
в конечном состоянииEr = q r2 приr > R + dR 0приr
Поля изображены на рисунке 36.
Со стороны электрического поля на сферу действуют силы с плотностью
fr = 1 8πE02,E 0 = q R2.
Эти силы совершают работу
δA = fr ⋅ 4πR2dR = 1 8πE02 ⋅ 4πR2dR.(а)
В процессе расширения сферы электрическое поле в пространстве r > R + dR осталось без изменения, а в сферическом слое (R,R + dR) исчезло полностью, т.е. энергия электрического поля изменилась на величину
dW = −W ⋅ 4πR2dR,(б)
где W – искомая объемная плотность энергии.
Согласно закону сохранения энергии
т.е. работа δA электрических сил совершена за счет убыли энергии электрического поля. Подставляя сюда выражения (а) и (б), после сокращения на объем слоя 4πR2dR получаем W = 1 8πE02 – то, что мы хотели увидеть.
Замечание. Этой сферой можно воспользоваться для решения обратной задачи: считая, что плотность энергии W нам известна, найти поверхностную силу fr, отнесенную к единице поверхности заряженной сферы со стороны электрического поля. Решение очевидно.
В качестве второго примера вычислим энергию поля равномерно заряженного шара радиуса a
Er = q r2 при r ≥ R q a3 r при r
W = 1 8π ∫ 0aq2 a6r2 ⋅ 4πr2dr + 1 8π ∫ a∞q2 r44πr2dr = 3 5 q2 a .
Воспользуемся полученным результатом для введения понятия «классический радиус частицы».
По теории относительности поле с энергией W обладает массой m = W∕c2. Следовательно, любая частица с массой m и зарядом q не может иметь размер, меньший
т.к. масса частицы не может быть меньше массы ее поля (при выписывании этой формулы константа 3/5 не принимается во внимание).
Например, для электрона
re = e2 mc2 ≃ 2,8 ⋅ 10−13см.
Пусть два заряда q 1 и q 2 находятся на расстоянии r друг от друга. Каждый из зарядов, находясь в поле другого заряда, обладает потенциальной энергией П. Используя П=qφ, определим
П 1 =W 1 =q 1 φ 12 П 2 =W 2 =q 2 φ 21
(φ 12 и φ 21 – соответственно потенциалы поля заряда q 2 в точке нахождения заряда q 1 и заряда q 1 в точке нахождения заряда q 2).
Согласно определению потенциала точечного заряда
Следовательно.
или
Таким образом,
Энергия электростатического поля системы точечных зарядов равна
(12.59)
(φ і — потенциал поля, создаваемого n -1 зарядами (за исключением q i) в точке, в которой находится заряд q i).
- Энергия уединённого заряженного проводника
Уединённый незаряженный проводник можно зарядить до потенциала φ, многократно перенося порции заряда dq из бесконечности на проводник. Элементарная работа, которая совершается против сил поля, в этом случае равна
Перенос заряда dq из бесконечности на проводник изменяет его потенциал на
(С – электроёмкость проводника).
Следовательно,
т.е. при переносе заряда dq из бесконечности на проводник увеличиваем потенциальную энергию поля на
dП = dW =δA= Cφdφ
Проинтегрировав данное выражение, находим потенциальную энергию электростатического поля заряженного проводника при увеличении его потенциала от 0 до φ:
(12.60)
Применяя соотношение
, получаем следующие выражения для потенциальной энергии:
(12.61)
(q — заряд проводника).
- Энергия заряженного конденсатора
Если имеется система двух заряженных проводников (конденсатор), то полная энергия системы равна сумме собственных потенциальных энергий проводников и энергии их взаимодействия:
(12.62)
(q — заряд конденсатора, С – его электроёмкость.
Сучётом того, что Δφ=φ 1 –φ 2 = U — разность потенциалов (напряжение) между обкладками), получим формулу
(12.63)
Формулы справедливы при любой форме обкладок конденсатора.
Физическая величину, численно равную отношению потенциальной энергии поля, заключённой в элементе объёма, к этому объёму, называют
объёмной плотностью энергии.
Для однородного поля объёмная плотность энергии
(12.64)
Для плоского конденсатора, объём которого V=Sd , где S — площадь пластины, d — расстояние между пластинами,
Но
,
тогда
(12.65)
(12.66)
(Е – напряжённость электростатического поля в среде с диэлектрической проницаемостью ε, D = ε ε 0 E — электрическое смещение поля).
Следовательно, объёмная плотность энергии однородного электростатического поля определяется напряжённостью Е или смещением D.
Следует отметить, что выражение
и
справедливы только для изотропного диэлектрика, для которого выполняется соотношениеp= ε 0 χE.
Выражение
соответствует теории поля – теории близкодействия, согласно которой носителем энергии является поле.
Сегнетоэлектрики. Их особенности. Пьезоэффект.
Сегнетоэлектрики,
кристаллические диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий.
Пьезоэлектри́ческий эффе́кт
— эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений
- Проводники в электрическом поле. Распределение зарядов в проводнике.
Ε = Евнешн — Евнутр = 0
Внесем пластину проводника в электрическое поле, назовем это поле внешним.
В результате на левой поверхности будет отрицательный заряд,а на правой поверхности будет заряд положительный. Между этими зарядами возникнет свое электрическое поле, которое назовём внутренним. Внутри пластины одновременно будут два электрических поля- внешнее и внутреннее, противоположные по направлению.
- Электроёмкость проводников. Конденсатор. Соединение конденсаторов.
Электроёмкость
— физическая величина численно равная величине заряда, который необходимо сообщить данному проводнику для увеличения его потенциала на единицу.
Конденсатор
— устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.
параллельно соединенных
последовательно соединенных
- Энергия заряжённого проводника, конденсатора. Энергия электрического поля. Объёмная плотность энергии электрического поля.
Энергия заряженного проводника
равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник:
Энергия заряженного конденсатора
Энергия электростатического поля
Объемная плотность энергии электростатического поля
16. Сила и плотность электрического поля. ЭДС. Напряжение.
Сила тока
— скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.
Плотность тока j
— это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника.
Электродвижущая сила (ЭДС)
— физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.
Электри́ческое напряже́ние
— физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, совершаемой при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда.
17. Закон Ома для однородного участка цепи. Закон Ома для неоднородного участка в интегральной форме. Закон Ома для полной цепи.
сила тока I в однородном металлическом проводнике
прямо пропорциональна напряжению U на концах этого проводника и обратно пропорциональна сопротивлению R этого проводника
закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме
IR = (φ1 — φ2) + E12
Закон Ома для полной цепи
:
18. Дифференциальная форма закона Ома.
j-плотность тока, σ — удельная электропроводность вещества, из которого сделан проводник Eст-поле сторонних сил
19. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
в дифференциальной форме:
плотность тепловой мощности —
в интегральной форме:
20. Нелинейные элементы. Методы расчёта с нелинейными элементами. Правило Кирхгофа.
нелинейными
называются электрические цепи, у которых реакции и воздействие связаны нелинейно.
Метод простой итерации
1.Исходное нелинейное уравнение электрической цепи, где -искомая переменная, представляется в виде .
2. Производится расчет по алгоритму где
Шаг итерации. Линейными зависимостями
Здесь — заданная погрешность
Первое правило Кирхгофа:
алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю
второе правило Кирхгофа:
в любом простом замкнутом контуре, произвольно выбираемом в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре
21. Ток в вакууме. Эмиссионные явления и их технические применения.
Вакуум-это такое состояние газа в сосуде, при котором молекулы пролетают от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом.
Вакуум-изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц, для этого используют эмиссию (испускание) электронов веществами. В вакуумных лампах с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде — фотоэлектронная.
Термоэлектронная эмиссия
— это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.
Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т. д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямления переменных токов, усиления электрических сигналов и переменных токов, генерирования электромагнитных колебаний в т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.
Фотоэлектронная эмиссия
— это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского). Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлектрического эффекта.
Вторичная электронная эмиссия
— это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных электронов — электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами.
Явление вторичной электронной эмиссии используется в фотоэлектронных умножителях.
Автоэлектронная эмиссия
— это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке.
22. Ток в газах. Самостоятельная и не самостоятельная проводимость газов. ВАХ тока в газах. Виды разрядов и их техническое применения.
В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов. Чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда — заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами. В первом случае проводимость газа называется несамостоятельной, во втором — самостоятельной.
Вольтамперная характеристика (ВАХ
) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольтамперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе.
Тлеющий разряд
наблюдается при пониженных давлениях газа. Используют для катодного распыления металлов.
Искровой разряд
, часто наблюдаемый в природе, — молния. Принцип действия искрового вольтметра — прибора для измерения очень высоких напряжений.
Дуговой разряд
можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других осветительных установках. Вследствие высокой температуры дуга широко применяется для сварки и резки металлов. Высокую температуру дуги используют также при устройстве дуговых электрических печей, играющих важную роль в современной электрометаллургии.
Коронный разряд
наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Используется в технике для устройства электрофильтров, предназначенных для очистки промышленных газов от твердых и жидких примесей.
23. Магнитное поле. Магнитная индукция. Магнитное взаимодействие токов.
Магни́тное по́ле
— силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.
Магни́тная инду́кция
— векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .
Будем заряжать плоский конденсатор, перенося малые порции заряда dq
с одной обкладки на другую (рис. 4.12.) Для того чтобы перенести заряд
dq
между обкладками с разностью потенциалов (j 1 – j 2) необходимо совершить работу
dA
= (j 1 – j 2)
dq
(4.11)
Учитывая, что , эту работу можно записать ещё и так
Для того чтобы первоначально незаряженному конденсатору сообщить заряд Q
, необходимо совершить работу
Эта работа равна энергии заряженного конденсатора
(4.12)
Здесь — напряжение на конденсаторе, равное разности потенциалов на его обкладках.
Продолжим преобразования уравнения (4.12).
Вспомним, что ёмкость плоского конденсатора
а напряжение связано с напряжённостью электрического поля
U
=
E
∙
d
Воспользовавшись этими соотношениями, запишем энергию заряженного конденсатора в таком виде
Эти два выражения энергии конденсатора
приводят к следующему принципиальному вопросу: где в конденсаторе располагается энергия? Где она «локализована»?
Если она связана с электрическими зарядами, то она находиться на обкладках конденсатора. Если же это энергия электрического поля, то она занимает пространство между обкладками, объем которого равен объему конденсатора V
=
S
∙
d
.
Для ответа на этот вопрос нужно было бы заряд с обкладок убрать, а поле при этом оставить. Тогда можно было бы посмотреть: осталась энергия — значит, она связана с полем, исчезла — значит, она располагалась вместе с зарядом на обкладках.
Но проблема-то в том, что при удалении зарядов исчезает, конечно, и их электростатическое поле. Поэтому вопрос о локализации энергии в рамках электростатики
не может быть решён.
В электродинамике переменные
электрические и магнитные поля, как известно, могут существовать и без электрических зарядов. Причем такие поля обладают энергией, что является прямым экспериментальным доказательством того, что эта энергия связана с электрическими полями и локализована в объёме, занятом полем. Теперь становиться понятнее последнее выражение энергии заряженного конденсатора:
Энергия конденсатора связана с его электрическим полем и поэтому пропорциональна объёму конденсатора (V
), то есть объёму поля.
Отношение представляет собой среднее значение энергии, приходящейся на единичный объём поля .
Эта характеристика энергетической насыщённости поля получила название «объёмная плотность энергии».
Обычно эта характеристика носит точечный, локальный характер. Вокруг заданной точки выбирают элементарный объём dV
и вычисляют энергетическую плотность, деля энергию этой области
dW
на её объём
Объёмная плотность энергии в заданной точке электрического поля пропорциональна квадрату напряжённости поля в этой точке. Измеряется объёмная плотность энергии, конечно, в Дж/м 3:
Зная, как меняется плотность энергии в пространстве, можно вычислить энергию, сосредоточенную в объёме V
, электрического поля:
Проводящий шар радиусом R
несет заряд
Q
. Какова энергия электрического поля этого шара?
Поле внутри заряженного шара отсутствует, а вне шара оно совпадает с полем точечного заряда:
, r
³
R
Объёмная плотность энергии такого поля
Вычислим энергию, сосредоточенную в сферическом слое толщиной dr
(рис. 4.13.)
Источники ядерной энергии
Самый большой источник энергии — это сама масса. Эта энергия, E = mc2
, где
m = ρV
,
ρ
масса на единицу объема,
V
— объем самой массы и
c
это скорость света. Эта энергия, однако, может быть высвобождена только процессами ядерное деление (0.1%), термоядерная реакция (1%), либо аннигиляция части или всего вещества в объеме
V
по материиантивещество столкновения (100%).[
нужна цитата
] Ядерные реакции не могут быть реализованы химическими реакциями, такими как горение. Хотя можно достичь большей плотности материи, плотность нейтронная звезда будет приближаться к наиболее плотной системе, способной к аннигиляции материи и антивещества. А черная дыра, хотя и более плотный, чем нейтронная звезда, не имеет эквивалентной формы античастиц, но предлагает тот же 100% коэффициент преобразования массы в энергию в форме излучения Хокинга. В случае относительно небольших черных дыр (меньше, чем астрономические объекты) выходная мощность будет огромной.
Источниками энергии самой высокой плотности помимо антивещества являются: слияние и деление. Fusion включает в себя энергию солнца, которая будет доступна в течение миллиардов лет (в форме солнечного света), но пока (2018 г.) термоядерная энергия производство по-прежнему неуловимо.
Мощность от деления урана и тория в атомная энергия растения будут доступны в течение многих десятилетий или даже столетий из-за обилия элементов на земле,[79] хотя весь потенциал этого источника можно реализовать только через реакторы-размножители, которые, помимо Реактор БН-600, пока не используется в коммерческих целях.[80]Уголь, газ, и нефть являются текущими первичными источниками энергии в США.[81] но имеют гораздо меньшую плотность энергии. Горящий местный биомасса топливо обеспечивает бытовые потребности в энергии (приготовление огня, масляные лампыи др.) по всему миру.
Тепловая мощность ядерных реакторов деления
Плотность тепловой энергии, содержащейся в ядре легководный реактор (PWR или BWR) обычно 1 ГВт (электрическая мощность 1000 МВт соответствует ~ 3000 МВт тепловой) находится в диапазоне от 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубический метр охлаждающей воды в зависимости от рассматриваемого местоположения в системе (сама активная зона (~ 30 м3), корпус реактора (~ 50 м3) или весь первый контур (~ 300 м3)). Это представляет собой значительную плотность энергии, которая требует при любых обстоятельствах непрерывного потока воды с высокой скоростью, чтобы можно было удалить высокая температура от активной зоны даже после аварийной остановки реактора. Неспособность остудить три ядра реакторы с кипящей водой (BWR) на Фукусима в 2011 году после цунами и результирующая потеря внешней электроэнергии и холодного источника стала причиной расплавления трех сердечников всего за несколько часов, хотя три реактора были правильно остановлены сразу после Землетрясение Тохоку. Эта чрезвычайно высокая удельная мощность отличает атомные электростанции (АЭС) от любых тепловых электростанций (сжигающих уголь, топливо или газ) или любых химических предприятий и объясняет большую избыточность, необходимую для постоянного контроля нейтронная реактивность и для отвода остаточного тепла от активной зоны АЭС.
Плотность энергии идеального газа[ | ]
Плотность энергии идеального газа может быть вычислена через давление, либо через молекулярную/молярную плотность и температуру:
w = 1 γ − 1 p = 1 γ − 1 n k T = 1 γ − 1 ν R T = 1 γ − 1 ρ M R T {\displaystyle w={\frac {1}{\gamma -1}}p={\frac {1}{\gamma -1}}nkT={\frac {1}{\gamma -1}}\nu RT={\frac {1}{\gamma -1}}{\frac {\rho }{M}}RT} ,
где p {\displaystyle p} — давление газа, γ {\displaystyle \gamma } — показатель адиабаты, n {\displaystyle n} — число молекул в единице объёма, k {\displaystyle k} — постоянная Больцмана, T {\displaystyle T} — абсолютная температура, ν {\displaystyle \nu } — молярная плотность, R {\displaystyle R} — газовая постоянная, ρ {\displaystyle \rho } — плотность, M {\displaystyle M} — молярная масса.
Плотность энергии электрического и магнитного полей
Основная статья: Плотность лучистой энергии
Электрический и магнитные поля хранить энергию. В вакууме (объемная) плотность энергии определяется выражением
ты = ε 0 2 E 2 + 1 2 μ 0 B 2 { displaystyle u = { frac { varepsilon _ {0}} {2}} mathbf {E} ^ {2} + { frac {1} {2 mu _ {0}}} mathbf {B } ^ {2}}
где E
это электрическое поле и
B
это магнитное поле. Решение будет (в единицах СИ) в Джоулях на кубический метр. В контексте магнитогидродинамика, физика проводящих жидкостей, плотность магнитной энергии ведет себя как дополнительная давление что добавляет к давление газа из плазма.
В нормальных (линейных и недисперсных) веществах плотность энергии (в единицах СИ) равна
ты = 1 2 ( E ⋅ D + ЧАС ⋅ B ) { Displaystyle и = { гидроразрыва {1} {2}} ( mathbf {E} cdot mathbf {D} + mathbf {H} cdot mathbf {B})}
где D
это электрическое поле смещения и
ЧАС
это намагничивающее поле.
В случае отсутствия магнитных полей, используя Отношения Фрёлиха эти уравнения также можно распространить на анизотропный и нелинейный диэлектриков, а также для расчета коррелированных Свободная энергия Гельмгольца и энтропия плотности.[82]
Когда пульсирует лазер ударяется о поверхность, лучистая экспозиция, т.е. энергия, выделяемая на единицу поверхности, может быть названа плотность энергии
или флюенс.[83]
Плотность энергии упругого тела[ | ]
При линейной деформации плотность энергии, запасаемая упругим телом, равна:
w = 1 2 τ i j ε i j = 1 2 c i j k l ε i j ε k l {\displaystyle w={\frac {1}{2}}\tau _{ij}\varepsilon _{ij}={\frac {1}{2}}c_{ijkl}\varepsilon _{ij}\varepsilon _{kl}}
где ε i j {\displaystyle \varepsilon _{ij}} — тензор деформации, τ i j {\displaystyle \tau _{ij}} — тензор напряжений, c i j k l {\displaystyle c_{ijkl}} — тензор упругости.
В простейшем случае (сжатие-растяжение) плотность упругой энергии равна
w = E ε 2 2 {\displaystyle w={\frac {E\varepsilon ^{2}}{2}}}
где ε {\displaystyle \varepsilon } — относительная деформация, E {\displaystyle E} — модуль Юнга.
Сноски
- «Два класса единиц СИ и префиксы СИ». Руководство NIST по SI
. 2009-07-02. Получено 2012-01-25. - «Ископаемые и альтернативные виды топлива — энергосодержание (2008)». Engineering ToolBox. Получено 2018-10-08.
- 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. Дои:10.1039 / C5EE01659B. - «Panasonic разрабатывает новые литий-ионные элементы повышенной емкости 18650». Конгресс зеленых автомобилей. N.p., 25 декабря 2009 г. Web.
- Стура, Энрико; Николини, Клаудио (2006). «Новые наноматериалы для легких литиевых батарей». Analytica Chimica Acta
.
568
(1–2): 57–64. Дои:10.1016 / j.aca.2005.11.025. PMID 17761246. - ^ абc
Фишер, Джулия (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая плотность угля».
Книга фактов по физике
. Получено 2019-07-28. - «Тепловая ценность различных видов топлива — Всемирная ядерная ассоциация». Всемирная ядерная ассоциация. N.p., сентябрь 2016 г. Web.
- «Обзор водородной программы Министерства энергетики США по развитию хранилищ». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. N.p., май 2000 г. Web.
- Вонг, Кауфуи; Диа, Сара (2017). «Нанотехнологии в аккумуляторах». Журнал технологий энергоресурсов
.
139
. Дои: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. Дои:10.1063/1.2161818. S2CID 120910476. - Naoi, K .; и другие. (2013). Наногибридный суперконденсатор «нового поколения»»». Отчеты о химических исследованиях
.
46
(5): 1075–1083. Дои: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. Дои:10.1002 / cplx.20306. S2CID 6994736. - Lyon, D .; и другие. (2013). «Зависимость диэлектрической прочности нано-вакуумных зазоров от размера зазора». IEEE Transactions по диэлектрикам и электроизоляции
.
2
(4): 1467–1471. Дои:10.1109 / TDEI.2013.6571470. S2CID 709782. - Рассчитано из дробной потери массы, умноженной на квадрат c.
- Рассчитано из квадрата дробной потери массы, умноженной на c. Болл, Джастин (2019). «Максимизация удельной энергии путем размножения дейтерия». Термоядерная реакция
.
59
(10): 106043. arXiv:1908.00834. Bibcode:2019NucFu..59j6043B. Дои:10.1088 / 1741-4326 / ab394c. S2CID 199405246. - Вычислено из квадрата дробной потери массы, умноженной на c.
- ^ аб
«Расчет удельной энергии ядерного топлива». whatisnuclear.com. Получено 2014-04-17. - ^ абc
Колледж пустыни, «Модуль 1, свойства водорода», редакция 0, декабрь 2001 г. Свойства водорода. Проверено 8 июня 2014. - Greenwood, Norman N .; Эрншоу, Алан (1997), Химия элементов (2-е изд) (стр. 164)
- «Бор: лучший носитель энергии, чем водород? (28 февраля 2009 г.)». Eagle.ca. Получено 2010-05-07.
- ^ абcd
Энвестра Лимитед. Натуральный газ В архиве 2008-10-10 на Wayback Machine. Проверено 5 октября 2008. - ^ абcdе
ИОР Энергия. Список общих коэффициентов преобразования (инженерные коэффициенты преобразования). Проверено 5 октября 2008. - ^ абcdе
Пол А. Киттл, доктор философии «АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЕЖЕДНЕВНОЙ ОБЛОЖКИ И ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ D — МЕТОДИКА ВЫБОРА» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-05-27. Получено 2012-01-25. - «537.PDF» (PDF). Июнь 1993 г.. Получено 2012-01-25.
- Гофман, Эвелин (2003). Элерт, Гленн (ред.). «Энергетическая ценность авиационного топлива». Книга фактов по физике
. Получено 2019-07-28. - «Справочник продуктов» (PDF). Air BP. С. 11–13. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-06-08.
- Характеристики хранимых и отпускаемых нефтепродуктов
(PDF), Дивизион нефтепродуктов — GN, p. 132, заархивировано оригинал (PDF) 16 января 2022 г., получено 15 января 2017 - 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:2007Натура.447..982R. Дои: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. Получено 2009-02-26. у правильно тренированного спортсмена КПД от 22 до 26%
- Меруэ, Лорин (2020). «Накопление тепловой энергии в кремнии». Дои:10.1016 / j.renene.2019.06.036. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
- Боссель, Ульф (июль 2003 г.). «Физика водородной экономики» (PDF). Новости европейских топливных элементов. Архивировано из оригинал (PDF) на 2006-03-19. Получено 2019-04-06. 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 (ДМЭ)» (PDF). Европейская технологическая платформа биотоплива
. 2013-11-18. Получено 2019-04-06. Плотность ДМЭ и более низкая теплотворная способность были получены из таблицы на первой странице. - «Elite_bloc.indd» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-15. Получено 2010-05-07.
- «Фонд энергии биомассы: плотность топлива». Woodgas.com. Архивировано из оригинал на 2010-01-10. Получено 2010-05-07.
- «Борд на Мона, торф для энергетики» (PDF). Bnm.ie. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-11-19. Получено 2012-01-25.
- Джастин Лемир-Элмор (13 апреля 2004 г.). «Стоимость энергии электрического велосипеда и велосипеда с приводом от человека» (PDF). Получено 2012-01-25.
- «энергетические буферы». Home.hccnet.nl. Получено 2010-05-07.
- Энн Виньялл и Терри Уэльс. Учебное пособие по химии 12, стр.138 В архиве 2011-09-13 на Wayback Machine. Pearson Education NZ ISBN 978-0-582-54974-6
- Митчелл, Роберт Р .; Бетар М. Галлант; Карл В. Томпсон; Ян Шао-Хорн (2011). «Электроды из углеродного нановолокна для высокоэнергетических перезаряжаемых Li – O2 батарей». Энергетика и экология
.
4
(8): 2952–2958. Дои: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 плотности энергии порохового источника тепла». 2011 Международная конференция по материалам для возобновляемых источников энергии и окружающей среды
. IEEE: 1185–1187. Дои:10.1109 / ICMREE.2011.5930549. ISBN 978-1-61284-749-8 . S2CID 36130191. - «Технический бюллетень по воздушно-цинковым батареям». Duracell. Архивировано из оригинал на 2009-01-27. Получено 2009-04-21.
- К. Ноулен, A.T. Маттик, А.П. Брукнер и А. Герцберг, «Высокоэффективные системы преобразования для автомобилей с жидким азотом», Общество инженеров автомобильной промышленности, 1988 г.
- «Обзор литий-ионных аккумуляторов» (PDF). Panasonic. Январь 2007 г. В архиве (PDF) из оригинала 7 ноября 2011 г.
- «Panasonic NCR18650B» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-07-22.
- [44][45]
- «Тест Duracell Ultra Power AA». lygte-info.dk
. Получено 2019-02-16. - «Техническое описание щелочных батарей Energizer EN91 AA» (PDF). Получено 2016-01-10.
- ^ аб
«Тест GP ReCyko + AA 2700mAh (зеленый)».
lygte-info.dk
. Получено 2019-02-16. - ^ аб
«Сравнение суперконденсаторов Maxwell» (PDF). Получено 2016-01-10. - ^ аб
«Техническое описание суперконденсаторов серии Nesscap ESHSP» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-29. Получено 2016-01-10. - ^ аб
«Техническое описание суперконденсаторов серии Cooper PowerStor XL60» (PDF). Получено 2016-01-10. - ^ аб
«Техническое описание суперконденсаторов Kemet серии S301» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2016-01-10. - ^ аб
«Техническое описание суперконденсатора серии Nichicon JJD» (PDF). Получено 2016-01-10. - ^ аб
«Ультраконденсатор высокой энергии skelcap» (PDF).
Скелетные технологии
. Архивировано из оригинал (PDF) 2 апреля 2016 г.. Получено 13 октября 2015. - ^ аб
«ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ УЛЬТРАКОНДЕНСАТОРНОЙ ЯЧЕЙКИ 3,0 В 3400F BCAP3400 P300 K04 / 05» (PDF). Получено 2020-01-12. - «Гидроэнергетика». www.mpoweruk.com
. Woodbank Communications Ltd. Получено 13 апреля 2022. - «2.1 Электроэнергия, разгрузка, отношения между руководителями | Речное проектирование и восстановление в OSU | Университет штата Орегон». river.bee.oregonstate.edu
. Получено 13 апреля 2022. Пусть ε = 0,85, что означает рейтинг КПД 85%, типичный для более старой силовой установки. - ^ аб
«Техническое описание танталовых конденсаторов серии Vishay STE» (PDF). Получено 2016-01-10. - «Технические данные алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon TVX» (PDF). Получено 2016-01-10.
- «Техническое описание алюминиевых электролитических конденсаторов nichicon LGU» (PDF). Получено 2016-01-10.
- ^ абc
«Сколько энергии можно хранить в резинке?».
Проводной
. ISSN 1059-1028. Получено 2020-01-21. - ^ абc
«MatWeb — Интернет-ресурс с информацией о материалах».
www.matweb.com
. Получено 2019-12-15. - PubChem. «Ацеталь». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
. Получено 2019-12-12. - ^ абcdежгчасяjkлмпопqрsттыv
«Модуль Юнга — предел прочности и предел текучести для обычных материалов».
www.engineeringtoolbox.com
. Получено 2019-12-12. - ^ абcdежгчася
Кисть Wellman Alloy Products. «Эластичная упругость» (PDF).
Технические лакомые кусочки
. Получено 15 декабря, 2022. - «Спецификации сплава C17200 | Компания E. Jordan Brookes». www.ejbmetals.com
. Получено 2019-12-15. - «Информация и свойства поликарбоната». www.polymerprocessing.com
. Получено 2019-12-12. - «Лист технических данных ASM». asm.matweb.com
. Получено 2019-12-15. - Сазерленд, Карен; Мартин, Моника (2004). Элерт, Гленн (ред.). «Плотность стали». Книга фактов по физике
. Получено 2020-06-18. - «Породы древесины — влажность и вес». www.engineeringtoolbox.com
. Получено 2019-12-12. - ^ абc
«Мягкая / низкоуглеродистая сталь AISI 1018».
AZoM.com
. 2012-06-28. Получено 2020-01-22. - «Лист технических данных ASM». asm.matweb.com
. Получено 2019-12-12. - ^ абc
«Американская восточная белая сосна».
www.matweb.com
. Получено 2019-12-15. - ^ аб
«Масса, вес, плотность или удельный вес различных металлов».
www.simetric.co.uk
. Получено 2019-12-12. - «Физические свойства стекла | Saint Gobain Building Glass UK». uk.saint-gobain-building-glass.com
. Получено 2019-12-12. - ^ аб
«Таблицы энергии батарей». Архивировано из оригинал на 2011-12-04. - «Емкость аккумулятора 18650».
- «Поставка урана». world-nuclear.org. 2014-10-08. Получено 2015-06-13.
- «Факты Коэна». Formal.stanford.edu. 2007-01-26. Архивировано из оригинал на 2007-04-10. Получено 2010-05-07.
- «Управление энергетической информации США (EIA) — Ежегодный энергетический обзор». Eia.doe.gov. 2009-06-26. Архивировано из оригинал на 2010-05-06. Получено 2010-05-07.
- Парравичини, Дж. (2018). «Термодинамические потенциалы в анизотропных и нелинейных диэлектриках». Physica B
.
541
: 54–60. Bibcode:2018PhyB..541 … 54P. Дои:10.1016 / j.physb.2018.04.029. - «Терминология». Регенеративная лазерная терапия
.
внешние ссылки
- «Авиационное топливо». Энергия, технологии и окружающая среда
Эд. Аттилио Бизио. Vol. 1. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259. - «Топливо будущего для автомобилей и грузовиков»- Д-р Джеймс Дж. Эберхард — Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии, Министерство энергетики США — Семинар по сокращению выбросов дизельных двигателей (DEER) в 2002 г. Сан-Диего, Калифорния — 25–29 августа 2002 г.
- «Тепловая ценность различных видов топлива — Всемирная ядерная ассоциация». www.world-nuclear.org
. Получено 4 ноября 2022. - «Энергия и типы энергии — Спрингер» (PDF). Получено 4 ноября 2018.