Sari la conținut

Densitate de energie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Densitate de energie
Unitate SIJ/m3
Alte unități
J/L, W⋅h/L
În SI de unitățim−1⋅kg⋅s−2
SI dimension\mathsf{L}^{-1} \mathsf{M} \mathsf{T}^{-2}  Modificați la Wikidata
Derivații din
alte cantități
U = E/V

În fizică, densitatea de energie reprezintă cantitatea de energie stocată într-un anumit sistem sau într-o regiune specifică a spațiului, raportată la unitatea de volum. Este important să nu se confunde cu energia specifică sau densitatea de energie gravimetrică, care se referă la energia pe unitate de masă.

Deși uneori se ia în considerare doar energia utilă sau extractibilă, ignorând energia inaccesibilă (precum energia masei de repaus),[1] în contexte cosmologice și relativiste generale densitățile de energie semnificative includ și energia de masă, alături de densitățile de energie asociate cu presiunea, conform elementelor tensorului energie-impuls.

Unitățile de măsură ale energiei pe unitatea de volum coincid cu cele ale presiunii, făcând ca în multe situații cele două concepte să fie sinonime. De exemplu, densitatea de energie a unui câmp magnetic poate fi exprimată ca presiune și se manifestă ca o presiune fizică reală. Similar, energia necesară comprimării unui gaz la un volum dat se obține prin înmulțirea diferenței dintre presiunea gazului și presiunea exterioară cu variația de volum. Un gradient de presiune descrie potențialul de a efectua lucru mecanic asupra mediului înconjurător prin conversia energiei interne în lucru, până la atingerea echilibrului.

Prezentare generală[modificare | modificare sursă]

O varietate de tipuri de energie pot fi stocate în materiale, iar eliberarea fiecărui tip necesită un anumit tip de reacție. Clasificate în ordinea mărimii energiei eliberate în mod tipic, aceste reacții sunt: nucleare, chimice, electrochimice și electrice.

Reacțiile nucleare, care au loc atât în stele, cât și în centralele nucleare, obțin energie din energia de legătură a nucleelor atomice. Reacțiile chimice, utilizate de organisme pentru a obține energie din alimente și de automobile pentru a propulsa vehiculele cu benzină, reprezintă o sursă importantă de energie. Hidrocarburile lichide, precum benzina, motorina și kerosenul, rămân cea mai densă modalitate cunoscută de stocare și transport economic al energiei chimice la scară largă (arderea a 1 kg de motorină necesită oxigenul conținut în aproximativ 15 kg de aer). Reacțiile electrochimice, aflate la baza funcționării majorității dispozitivelor mobile precum laptopurile și telefoanele mobile, eliberează energie din baterii.

Tipuri de conținut de energie[modificare | modificare sursă]

Există mai multe tipuri de conținut energetic, fiecare cu propriile caracteristici și aplicații.

Puterea calorifică se clasifică în:

  • putere calorifică superioară (Hs): cuprinde toată energia eliberată în timpul reacției, incluzând căldura necesară pentru răcirea produselor arderii la temperatura camerei și condensarea vaporilor de apă formați;
  • putere calorifică inferioară (Hi): nu ia în considerare căldura necesară condensării vaporilor de apă și, posibil, nici căldura necesară răcirii la temperatura camerei.

Pentru o consultare rapidă a valorilor Hs și Hi ale diverșilor combustibili, se recomandă consultarea tabelelor.[2]

În domeniul stocării energiei și al combustibililor[modificare | modificare sursă]

Graficul densităților de energie selectate[3]

În domeniul stocării energiei, densitatea de energie se referă la cantitatea de energie raportată la volumul instalației de stocare, cum ar fi un rezervor de combustibil. Cu cât densitatea de energie a unui combustibil este mai mare, cu atât mai multă energie poate fi stocată sau transportată pentru același volum. Având în vedere densitatea de energie ridicată a benzinei, explorarea alternativelor pentru stocarea energiei necesare alimentării automobilelor, precum hidrogenul sau bateriile, este puternic limitată de densitatea de energie a acestor medii alternative. De exemplu, aceeași masă de stocare cu ioni de litiu ar rezulta într-o mașină cu doar 2% din autonomia unui vehicul similar pe benzină. Dacă sacrificarea autonomiei nu este de dorit, devine necesară transportarea unei cantități mult mai mari de combustibil.

Energia specifică a unui combustibil se referă la densitatea de energie pe unitatea de masă. Deși un motor care utilizează acest combustibil ar genera mai puțină energie cinetică din cauza ineficienței și a constrângerilor termodinamice, consumul specific de combustibil va fi întotdeauna mai mare decât rata de producție a energiei cinetice a mișcării.

Densitatea de energie se diferențiază de eficiența conversiei energiei (producția netă la o intrare specifică) și de energia încorporată (costurile energetice asociate obținerii energiei, incluzând recoltarea, rafinarea, distribuția și tratarea poluării). Consumul intensiv de energie la scară largă are un impact semnificativ asupra mediului, influențând clima, depozitarea deșeurilor și alte consecințe ecologice.

Nu există o metodă unică de stocare a energiei care să exceleze simultan în toate aspectele: putere specifică, energie specifică și densitate de energie. Legea lui Peukert evidențiază dependența cantității de energie utilă extrase (în cazul celulelor plumb-acid) de viteza de descărcare.

O serie de opțiuni alternative pentru stocarea energiei sunt investigate cu scopul creșterii densității energetice și reducerii timpului de încărcare.[4][5][6][7]

Figura de mai sus prezintă densitatea de energie gravimetrică și volumetrică a diverselor combustibili și tehnologii de stocare (adaptată din articolul despre benzină).

Este posibil ca anumite valori să prezinte inexactități din cauza izomerilor sau a altor factori perturbatori. Consultați tabelul cuprinzător al energiilor specifice ale combustibililor importanți prezentat în articolul despre putere calorifică.

Prezentarea densității combustibililor chimici implică adesea o subtilitate importantă: valorile afișate nu includ în mod normal greutatea oxigenului necesar arderii. Motivul pentru această abordare este practic: în multe cazuri, arderea are loc în prezența aerului ambiant, care furnizează oxigenul necesar reacției. Astfel, se consideră relevantă doar masa combustibilului în sine, nu și a aerului necesar arderii sale. Totuși, această abordare poate crea o imagine parțială, mai ales când se compară combustibili care conțin propriul oxidant, precum praful de pușcă sau TNT. În aceste cazuri, masa oxidantului este inclusă în densitatea combustibilului, afectând negativ valoarea aparentă a densității energetice. O parte din energia eliberată prin combustie este consumată pentru disocierea oxidantului și eliberarea oxigenului necesar reacției ulterioare. Această distincție explică și anumite anomalii aparente. De exemplu, densitatea energetică a unui sandviș pare, la prima vedere, mai mare decât cea a unui băț de dinamită. Totuși, sandvișul nu conține propriul oxidant, ci se bazează pe oxigenul din aer pentru ardere. Bățul de dinamită, pe de altă parte, include oxidantul în compoziția sa, reducând densitatea sa energetică aparentă.

Lista densităților de energie a materialelor[modificare | modificare sursă]

Următoarele conversii de unități pot fi utile atunci când se analizează datele din tabele: 3.6 MJ = 1 kW⋅h ≈ 1,34 hp⋅h. Deoarece 1 J = 10−6 MJ și 1 m3 = 103 L, se împarte joule/m3 cu 10 9 pentru a obține MJ/L = GJ/m3. Se împarte MJ/L la 3,6 pentru a obține kW⋅h /L.

În reacții chimice (oxidare)[modificare | modificare sursă]

Valorile prezentate în tabelul de mai sus reprezintă, în general, căldura inferioară de ardere pentru o reacție perfectă, cu excepția cazurilor în care se specifică altfel. Această valoare nu ia în considerare masa sau volumul oxidantului utilizat. Atunci când se utilizează un combustibil pentru a produce energie electrică într-o pilă de combustie sau pentru a efectua lucru mecanic, energia liberă Gibbs a reacției (ΔG) definește limita superioară teoretică a energiei ce poate fi obținută. Valoarea ΔG poate fi influențată de starea produsului final al reacției de ardere. De exemplu, dacă produsul final al reacției cu hidrogenul este vapor de apă, ΔG este, în general, mai mare decât căldura inferioară de ardere. Pe de altă parte, dacă produsul final este apă lichidă, ΔG este, în general, mai mică decât căldura superioară de ardere. Un caz relevant este cel al hidrogenului. ΔG pentru reacția de ardere a hidrogenului care produce vapori de apă este de 113 MJ/kg, iar pentru reacția care produce apă lichidă este de 118 MJ/kg. Ambele valori sunt mai mici decât căldura inferioară de ardere a hidrogenului, care este de 120 MJ/kg.[8]

Energie eliberată prin reacții chimice (oxidare)
Material Energie specifică

(MJ/kg)

Densitatea de energie

(MJ/L)

Energie specifică

(W⋅h/kg)

Densitatea de energie

(W⋅h/L)

Comentariu
Hidrogen lichid 141.86 (HHV)

119.93 (LHV) 		10.044 (HHV)

8.491 (LHV) 		39,405.639,405.6 (HHV)

33,313.9 (LHV) 		2,790.0 (HHV)

2,358.6 (LHV) 		Cifrele privind energia se aplică după reîncălzirea la 25 °C.
Hidrogen gazos (681 atm, 69 MPa, 25 °C) 141.86 (HHV)

119.93 (LHV) 		5.323 (HHV)

4.500 (LHV) 		39,405.639,405.6 (HHV)

33,313.9 (LHV) 		1,478.6 (HHV)

1,250.0 (LHV) 		Data din aceeași referință ca și pentru hidrogenul lichid.[9]

Rezervoarele de înaltă presiune cântăresc mult mai mult decât hidrogenul pe care îl pot conține. Hidrogenul poate reprezenta aproximativ 5,7% din masa totală,[10] ceea ce înseamnă că valoarea LHV este de doar 6,8 MJ pe kg de masă totală.

A se vedea nota de mai sus privind utilizarea în pilele de combustie.

Hydrogen, gaz (1 atm (101,3 kPa), 25 °C) 141.86 (HHV)

119.93 (LHV) 		0.01188 (HHV)

0.01005 (LHV) 		39,405.639,405.6 (HHV)

33,313.9 (LHV) 		3.3 (HHV)

2.8 (LHV) 		[9]
Metan (101.3 kPa, 15 °C) 55.6 0.0378 15,444.5 10.5
GNL (GN la −160 °C) 53.6[11] 22.2 14,888.9 6,166.7
GNC (GN comprimat la 247 atm, 25 MPa ≈ 3,600 psi) 53.6[11] 9 14,888.9 2,500.0
Gaz natural 53.6[11] 0.0364 14,888.9 10.1
GPL propan 49.6 25.3 13,777.8 7,027.8
GPL butan 49.1 27.7 13,638.9 7,694.5 [12]
Benzină 46.4 34.2 12,888.9 9,500.0 [12]
Polipropilenă plastic 46.4[13] 41.7 12,888.9 11,583.3
Polietilenă plastic 46.3[13] 42.6 12,861.1 11,833.3
Păcură pentru uz casnic 46.2 37.3 12,833.3 10,361.1 [12]
Motorină 45.6 38.6 12,666.7 10,722.2 [12]
100LL Avgaz 44.0[14] 31.59 12,222.2 8,775.0
Combustibil pentru avioane (e.g. kerosen) 43[15][16][17] 35 11,944.4 9,722.2 Motor de aeronavă
Gazohol E10 (10% etanol 90% benzină în volum) 43.54 33.18 12,094.5 9,216.7
Litiu 43.1 23.0 11,972.2 6,388.9
Ulei biodiesel (ulei vegetal) 42.20 33 11,722.2 9,166.7
DMF (2,5-dimetilfuran) 42[18] 37.8 11,666.7 10,500.0 [necesită clarificare]
Parafină 42[19] 37.8 11,700 10,500
Petrol (tonă echivalent petrol) 41.868 37[11] 11,630 10,278
Polistiren plastic 41.4[13] 43.5 11,500.0 12,083.3
Acid gras 38 35 10,555.6 9,722.2 Metabolismul în corpul omenesc (22% eficiență)[20]
Butanol 36.6 29.2 10,166.7 8,111.1
Gazohol E85 (85% etanol 15% benzină în volum) 33.1 25.65[necesită citare] 9,194.5 7,125.0
Grafit 32.7 72.9 9,083.3 20,250.0
Cărbune, antracit 26–33 34–43 7,222.2–9,166.7 9,444.5–11,944.5 Cifrele reprezintă combustia perfectă, fără a lua în considerare oxidantul, dar eficiența conversiei în energie electrică este de ≈36%.[21]
Siliciu 32.6 75.9 9,056 21,080 A se vedea Tabelul 1 [22]
Aluminiu 31.0 83.8 8,611.1 23,277.8
Etanol 30 24 8,333.3 6,666.7
DME 31.7 (HHV)

28.4 (LHV) 		21.24 (HHV)

19.03 (LHV) 		8,805.68,805.6 (HHV)

7,888.9 (LHV) 		5,900.0 (HHV)

5,286.1 (LHV) 		[23][24]
Poliester plastic 26.0[13] 35.6 7,222.2 9,888.9
Magneziu 24.7 43.0 6,861.1 11,944.5
Fosfor (alb) 24.30 44.30 6,750 12,310 [25]
Cărbune, bitum 24–35 26–49 6,666.7–9,722.2 7,222.2–13,611.1 [3]
PET (impur) 23.5[26] < ~32.4 6,527.8 < ~9000
Metanol 19.7 15.6 5,472.2 4,333.3
Titan 19.74 88.93 5,480 24,700 ars la dioxid de titan
Hidrazină (transformată prin ardere în N2+H2O) 19.5 19.3 5,416.7 5,361.1
Amoniac lichid (transformat prin ardere în N2+H2O) 18.6 11.5 5,166.7 3,194.5
Potasiu 18.6 16.5 5,160 4,600 ars la oxid de potasiu uscat
PV plastic (toxicitate prin ardere necorespunzătoare) 18.0[13] 25.2 5,000.0 7,000.0 [necesită clarificare]
Lemn 18.0 5,000.0 [27]
Turbă - cărbune 17.7 4,916.7 [28]
Zaharuri, carbohidrați și proteine 17 26.2 (glucoză) 4,722.2 7,277.8 Metabolismul în corpul omenesc (22% eficiență)[29][necesită citare]
Calciu 15.9 24.6 4,416.7 6,833.3 [necesită citare]
Glucoză 15.55 23.9 4,319.5 6,638.9
Baligă uscată și balegă de cămilă 15.5[30] 4,305.6
Cărbune, lignit 10–20 2,777.8–5,555.6 [necesită citare]
Sodiu 13.3 12.8 3,694.5 3,555.6 ars la hidroxid de sodiu uscat
Turbă 12.8 3,555.6
Nitrometan 11.3 12.85 3,138.9 3,570
Mangan 9.46 68.2 2,630 18,900 ars la oxid de mangan
Sulf 9.23 19.11 2,563.9 5,308.3 ars la dioxid de sulf[31]
Sodiu 9.1 8.8 2,527.8 2,444.5 ars la oxid de sodiu uscat
Acumulator litiu-aer 9.0[32] 2,500.0 Descărcare electrică controlată
Gunoi menajer 8.0 2,222.2
Fier 7.4 57.7 2052.9 16004.1 ars la oxid de fier(III)
Fier 6.7 52.2 1858.3 14487.2 ars la oxid de fier (II,III)[33]
Zinc 5.3 38.0 1,472.2 10,555.6
Teflon plastic 5.1 11.2 1,416.7 3,111.1 toxic prin ardere, dar ignifug
Fier 4.9 38.2 1,361.1 10,611.1 ars la oxid de fier(II)[33]
Praf de pușcă 4.7–11.3[34] 5.9–12.9 1,600–3,580
TNT 4.184 6.92 1,162 1,920
Bariu 3.99 14.0 1,110 3,890 ars la dioxid de bariu
ANFO 3.7 1,027.8

În reacțiile nucleare[modificare | modificare sursă]

Energia eliberată de reacțiile nucleare
Material Energie specifică

(MJ/kg)

Densitate de energie

(MJ/L) 		Energie specifică

(W⋅h/kg) 		ate de energie

(W⋅h/L) 		Comentariu
Antimaterie 89,875,517,874 ≈ 90 PJ/kg Depinde de densitatea formei antimateriei. 24,965,421,631,578 ≈ 25 TW⋅h/kg Depinde de densitatea formei antimateriei. Anihilare, numărând atât masa de antimaterie consumată, cât și masa de materie obișnuită
Hidrogen (fuziune) 639,780,320 dar cel puțin 2% din această valoare este pierdută din cauza neutrinilor. Depinde de condiții 177,716,755,600 Depinde de condiții Reacție 4H→4He
Deuteriu (fuziune)

 571,182,758[35] Depinde de condiții 158,661,876,600 Depinde de condiții Schema de fuziune propusă pentru D+D→4He, prin combinarea D+D→T+H, T+D→4He+n, n+H→D and D+D→3He+n, 3He+D→4He+H, n+H→D
Deuteriu+tritiu (fuziune) 337,387,388[36] Depinde de condiții 93,718,718,800 Depinde de condiții D + T → 4He + n

În curs de dezvoltare.
Litiu-6 deuteriu (fuziune) 268,848,415[36] Depinde de condiții 74,680,115,100 Depinde de condiții 6LiD → 24He

Folosit în arme
Plutoniu-239 83,610,000 1,300,000,000–1,700,000,000 (În funcție de faza cristalografică) 23,222,915,000 370,000,000,000–460,000,000,000 (În funcție de faza cristalografică) Căldura produsă în reactorul cu fisiune
Plutoniu-239 31,000,000 490,000,000–620,000,000 (În funcție de faza cristalografică) 8,700,000,000 140,000,000,000–170,000,000,000 (În funcție de faza cristalografică) Electricitate produsă în reactorul cu fisiune
Uraniu 80,620,000[37] 1,539,842,000 22,394,000,000 Căldura produsă în reactorul de regenerare
Toriu 79,420,000[37] 929,214,000 22,061,000,000 Căldura produsă în reactorul de regenerare (experimental)
Plutoniu-238 2,239,000 43,277,631 621,900,000 Generator termoelectric radioizotopic. Căldura este produsă doar la o rată de 0,57 W/g.

Alte mecanisme de eliberare[modificare | modificare sursă]

Energie eliberată prin reacții electrochimice sau prin alte mijloace
Material Energie specifică

(MJ/kg) 		Densitate de energie

(MJ/L) 		Energie specifică

(W⋅h/kg) 		Densitate de energie

(W⋅h/L) 		Comentariu
Acumulator, zinc-aer 1.59 6.02 441.7 1,672.2 Descărcare electrică controlată[38]
Siliciu (schimbare de fază) 1.790 4.5 500 1,285 Energie stocată prin schimbarea de fază solidă în lichid a siliciului[39]
Hidrat de bromură de stronțiu 0.814 [40] 1.93 628 Energia termică a schimbării de fază la 88,6 °C (361,8 K)
Azot lichid 0.77[41] 0.62 213.9 172.2 Lucru maxim reversibil la 77,4 K cu rezervor de 300 K
Acumulator sodiu-sulf 0.54–0.86 150–240
Aer comprimat la 30 MPa 0.5 0.2 138.9 55.6 Energie potențială
Căldura latentă de fuziune a gheții (termică) 0.334 0.334 93.1 93.1
Acumulator litiu-metal 1.8 4.32 500 1,200 Descărcare electrică controlată
Acumulator litiu-ion 0.36–0.875[44] 0.9–2.63 100.00–243.06 250.00–730.56 Descărcare electrică controlată
Acumulator litiu-ion cu anozi cunanofire de siliciu 1.566 4.32 435[45] 1,200[45] Descărcare electrică controlată
Volantă 0.36–0.5 5.3 Energie cinetică
Baterie alcalină 0.48[46] 1.3[47] Descărcare electrică controlată
Baterie de nichel-hidrură metalică 0.41[48] 0.504–1.46[48] Descărcare electrică controlată
Acumulator cu plumb 0.17 0.56 47.2 156 Descărcare electrică controlată
Supercondensator (EDLC) 0.01–0.030[49][50][51][52][53][54][55] 0.006–0.06[49][50][51][52][53][54] up to 8.57[55] Descărcare electrică controlată
Apă la o înălțime de 100 m a barajului 0.000981 0.000978 0.272 0.272 Cifrele reprezintă energia potențială, dar eficiența conversiei în energie electrică este de 85-90%.[56][57]
Condensator electrolitic 0.00001–0.0002[58] 0.00001–0.001[58][59][60] Descărcare electrică controlată

În deformarea materialului[modificare | modificare sursă]

Capacitatea unui material Hookean de a stoca energie mecanică sau rezistența sa la rupere poate fi determinată prin următoarea formulă:

Energia stocată = (Rezistență la tracțiune * Alungire maximă) / 2

Alungirea maximă a unui material Hookean poate fi calculată prin împărțirea rigidității materialului la rezistența la tracțiune maximă:

Alungire maximă = Rigiditate / Rezistență la tracțiune maximă

Tabelul de mai jos prezintă valorile calculate ale energiei stocate, folosind modulul Young ca măsură a rigidității:

Capacități mecanice de energie
Material Densitatea de energie în funcție de masă

(J/kg)

Reziliență: Densitatea de energie pe volum

(J/L)

Densitate

(kg/L)

Modulul lui Young

(GPa)

Rezistența la tracțiune

(MPa)

Bandă de cauciuc 1,651–6,605[61] 2,200–8,900[61] 1.35[61]
Oțel, ASTM A228 (randament, diametru de 1 mm) 1,440–1,770 11,200–13,800 7.80[62] 210[62] 2,170–2,410[62]
Acetali 908 754 0.831[63] 2.8[64] 65 (finală)[64]
Nailon-6 233–1,870 253–2,030 1.084 2–4[64] 45–90 (finală)[64]
Beriliu de cupru 25-1/2 HT (randament) 684 5,720[65] 8.36[66] 131[65] 1,224[65]
Policarbonați 433–615 520–740 1.2[67] 2.6[64] 52–62 (finală)[64]
Materiale plastice ABS 241–534 258–571 1.07 1.4–3.1[64] 40 (finală)[64]
Acrilic 1,530 3.2[64] 70 (finală)[64]
Aluminiu 7077-T8 (randament) 399 1,120[65] 2.81[68] 71.0[65] 400[65]
Oțel, inoxidabil, 301-H (randament) 301 2,410[65] 8.0[69] 193[65] 965[65]
Aluminiu 6061-T6 (randament la 24 °C) 205 553 2.70[70] 68.9[70] 276[70]
Rășini epoxidice 113–1,810 2–3[64] 26–85 (finală)[64]
Lemn de brad Douglas 158–200 96 .481–.609[71] 13[64] 50 (compresie)[64]
Oțel, ușor AISI 1018 42.4 334 7.87[72] 205[72] 370 (440 finală)[72]
Aluminiu (fără aliaje) 32.5 87.7 2.70[73] 69[64] 110 (finală)[64]
Pin (American Eastern White, flexural) 31.8–32.8 11.1–11.5 .350[74] 8.30–8.56 (flexiune)[74] 41.4 (flexiune)[74]
Alamă 28.6–36.5 250–306 8.4–8.73[75] 102–125[64] 250 (finală)[64]
Cupru 23.1 207 8.93[75] 117[64] 220 (finală)[64]
Sticlă 5.56–10.0 13.9–25.0 2.5[76] 50–90[64] 50 (compresie)[64]

În acumlatori[modificare | modificare sursă]

Capacități de energie a acumulatorilor
Dispozitiv de stocare Conținut energetic
(Joule) 		Conținut energetic
(W⋅h) 		Tip de energie Masa tipică
(g) 		Dimensiuni tipice (diametru × înălțime în mm) Volumul tipic (ml) Densitatea de energie după volum (MJ/L) Densitatea de energie în funcție de masă (MJ/kg)
Baterie alcalină AA [77] 9.360 2.6 Electrochimic 24 14,2 × 50 7,92 1.18 0,39
Baterie alcalină C [77] 34.416 9.5 Electrochimic 65 26 × 46 24.42 1.41 0,53
baterie NiMH AA 9.072 2.5 Electrochimic 26 14,2 × 50 7,92 1.15 0,35
baterie NiMH C 19.440 5.4 Electrochimic 82 26 × 46 24.42 0,80 0,24
Acumulator litiu-ion 18650 28.800–46.800 8–13 Electrochimic 44–49 [78] 18 × 65 16.54 1,74–2,83 0,59–1,06

Surse de energie nucleară[modificare | modificare sursă]

Materia ascunde cea mai vastă sursă de energie: energia sa intrinsecă, descrisă de ecuația lui Einstein, E = mc 2. Această energie, exprimată în jouli (J), este produsul masei (m) în kilograme (kg) cu viteza luminii în vid (c) la puterea a doua, 299.792.458 m/s, ridicată la puterea a doua. Densitatea energetică (ρE) se calculează ca fiind energia pe unitatea de volum (J/m³), unde ρ este masa pe unitatea de volum (kg/m³).

Eliberarea acestei energii colosale se poate realiza prin diverse procese:

  • Fisiune nucleară (0,1%): Scindarea nucleelor atomice mai grele, precum uraniul sau plutoniul, în nuclee mai ușoare, eliberând o cantitate semnificativă de energie.
  • Fuziune nucleară (1%): Combinarea nucleelor atomice mai ușoare, precum hidrogenul, pentru a forma nuclee mai grele, eliberând o cantitate și mai mare de energie. Soarele este un exemplu de fuziune nucleară naturală.
  • Anihilarea materie-antimaterie (100%): Anihilarea completă a unei cantități de materie și a antimateriei sale echivalente convertește 100% din masa lor în energie. Această reacție are cea mai mare densitate energetică, dar este extrem de dificil de realizat controlat.

Reacțiile nucleare nu pot fi replicate prin reacții chimice, precum arderea combustibililor. Densitatea energetică a materiei poate fi crescută, iar stelele neutronice se apropie de limita superioară pentru sistemele capabile de anihilare materie-antimaterie. Găurile neagre, deși mai dense, nu au o formă echivalentă de antiparticule, dar pot transforma 100% din masa lor în energie sub formă de radiație Hawking. Găurile negre mici ar putea genera cantități uriașe de energie.

Surse de energie cu densitate mare:

  • Fuziunea nucleară: Sursa de energie a Soarelui, disponibilă timp de miliarde de ani sub formă de lumină solară. Producția susținută de energie prin fuziune nucleară controlată rămâne o provocare.
  • Fisiunea nucleară: Fisiunea uraniului și toriului în centralele nucleare oferă energie pentru decenii sau secole. Potențialul maxim poate fi atins prin reactoare de regenerare, însă implementarea lor comercială este încă limitată.

Surse de energie actuale:

  • Combustibili fosili: Cărbunele, gazele naturale și petrolul sunt principalele surse de energie în SUA, dar au o densitate energetică mult mai mică.
  • Biomasa: Arderea combustibililor locali din biomasă asigură necesarul energetic pentru gospodării în multe regiuni ale lumii.

Materia ascunde un potențial energetic enorm, dar exploatarea sa eficientă și responsabilă necesită o abordare științifică și tehnologică avansată. Fuziunea nucleară controlată și reactoarele de regenerare nucleară promit surse de energie curate și durabile cu o densitate energetică semnificativă.[79][80][81]

Puterea termică a reactoarelor de fisiune nucleară[modificare | modificare sursă]

Un reactor cu apă ușoară (PWR sau BWR) de 1 GWe (1.000 MW energie electrică, echivalentă cu aproximativ 3.000 MW energie termică) stochează o densitate de energie termică considerabilă în miezul său. Această densitate variază între 10 și 100 MW de energie termică pe metru cub de apă de răcire, în funcție de locația analizată în sistem: miezul reactorului (aproximativ 30 m3), vasul sub presiune (aproximativ 50 m3) sau întregul circuit primar (aproximativ 300 m3). Magnitudinea densității energetice impune o circulație continuă a apei de răcire la viteză mare pentru a elimina eficient căldura din miez, chiar și după oprirea de urgență a reactorului. Incapacitatea de a răci miezurile celor trei reactoare cu apă fierbinte (BWR) de la Fukushima în 2011, după tsunami și pierderea energiei electrice externe și a sursei reci, a dus la topirea miezurilor în doar câteva ore, deși reactoarele fuseseră oprite corect imediat după cutremurul din Tōhoku. Această densitate de putere extrem de mare diferențiază centralele nucleare (NPP) de orice centrală termică (care utilizează cărbune, combustibil fosil sau gaz) sau de orice centrală chimică. Densitatea ridicată explică redundanța semnificativă necesară pentru a controla permanent reactivitatea neutronică și pentru a elimina căldura reziduală din miezul centralelor nucleare.

Densitatea de energie a câmpurilor electrice și magnetice[modificare | modificare sursă]

Câmpurile electrice și magnetice stochează energie sub formă de densitate de energie volumetrică. Această densitate este descrisă de următoarea ecuație:

unde E este câmpul electric, B este câmpul magnetic, iar ε și µ sunt permitivitatea și, respectiv, permeabilitatea mediului înconjurător. Soluția va fi (în unități SI) în jouli pe metru cub. În contextul magnetohidrodinamicii (MHD), care studiază dinamica fluidelor conductoare, densitatea de energie magnetică se comportă ca o presiune ce se adaugă la presiunea gazului dintr-o plasmă.

Pentru substanțele ideale (liniare și nedispersive), densitatea de energie poate fi calculată folosind următoarea formulă:

unde D este câmpul electric de deplasare și H este câmpul de magnetizare.

Prin exploatarea relațiilor lui Fröhlich⁠(d), este posibilă extinderea ecuațiilor de mai sus la dielectrici anizotropi și neliniari[necesită dezambiguizare]. Această extindere permite calcularea densităților de energie liberă și entropie Helmholtz corelate pentru o gamă mai largă de materiale.[82]

Atunci când un laser pulsat lovește o suprafață, energia depusă pe unitatea de suprafață se numește densitate de energie sau fluență. Această cantitate este importantă în diverse aplicații laser, cum ar fi prelucrarea materialelor și ablația.[83]

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ „The Two Classes of SI Units and the SI Prefixes”. NIST Guide to the SI. . Accesat în . 
  2. ^ „Fossil and Alternative Fuels - Energy Content (2008)”. Engineering ToolBox. Accesat în . 
  3. ^ a b Fisher, Julia (). Elert, Glenn, ed. „Energy density of coal”. The Physics Factbook. Accesat în . 
  4. ^ Ionescu-Zanetti, C.; et., al. (). „Nanogap capacitors: Sensitivity to sample permittivity changes”. Journal of Applied Physics. 99 (2): 024305–024305–5. Bibcode:2006JAP....99b4305I. doi:10.1063/1.2161818. 
  5. ^ Naoi, K.; et., al. (). „New generation "nanohybrid supercapacitor"”. Accounts of Chemical Research. 46 (5): 1075–1083. doi:10.1021/ar200308h. PMID 22433167. 
  6. ^ Hubler, A.; Osuagwu, O. (). „Digital quantum batteries: Energy and information storage in nanovacuum tube arrays”. Complexity. 15 (5): NA. doi:10.1002/cplx.20306. 
  7. ^ Lyon, D.; et., al. (). „Gap size dependence of the dielectric strength in nano vacuum gaps”. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation⁠(d). 2 (4): 1467–1471. doi:10.1109/TDEI.2013.6571470. 
  8. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics⁠(d), 49th Edition, page D-42.
  9. ^ a b Eroare la citare: Etichetă <ref> invalidă; niciun text nu a fost furnizat pentru referințele numite H2
  10. ^ Mike Millikin (). „Toyota FCV Mirai launches in LA; initial TFCS specs; $57,500 or $499 lease; leaning on Prius analogy”. Green Car Congress. Accesat în . 
  11. ^ a b c d Envestra Limited. Natural Gas Arhivat în , la Wayback Machine.. Retrieved 2008-10-05.
  12. ^ a b c d Eroare la citare: Etichetă <ref> invalidă; niciun text nu a fost furnizat pentru referințele numite IOR
  13. ^ a b c d e Paul A. Kittle, Ph.D. „Alternate daily cover materials and subtitle D – The selection technique” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  14. ^ „537.pdf” (PDF). iunie 1993. Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  15. ^ Gofman, Evelyn (). Elert, Glenn, ed. „Energy density of aviation fuel”. The Physics Factbook. Accesat în . 
  16. ^ „Handbook of Products” (PDF). Air BP. pp. 11–13. Arhivat din original (PDF) la . 
  17. ^ Characteristics of Petroleum Products Stored and Dispensed (PDF), Petroleum Products Division - GN, p. 132, arhivat din original (PDF) la , accesat în  
  18. ^ Román-Leshkov, Yuriy; Barrett, Christopher J.; Liu, Zhen Y.; Dumesic, James A. (). „Production of dimethylfuran for liquid fuels from biomass-derived carbohydrates”. Nature. 447 (7147): 982–985. Bibcode:2007Natur.447..982R. doi:10.1038/nature05923. PMID 17581580. 
  19. ^ Wiener, Harry (ianuarie 1947). „Structural Determination of Paraffin Boiling Points”. Journal of the American Chemical Society. 69 (1): 17–20. doi:10.1021/ja01193a005. ISSN 0002-7863. PMID 20291038. 
  20. ^ Justin Lemire-Elmore (). „The Energy Cost of Electric and Human-Powered Bicycles” (PDF). p. 5. Accesat în . properly trained athlete will have efficiencies of 22 to 26% 
  21. ^ Fisher, Julia (). Elert, Glenn, ed. „Energy density of coal”. The Physics Factbook. Accesat în . 
  22. ^ „Silicon as an intermediary between renewable energy and hydrogen” (PDF). Deutsche Bank Research. p. 5. Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  23. ^ Bossel, Ulf (iulie 2003). „The Physics of the Hydrogen Economy” (PDF). European Fuel Cell News. Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . The Higher Heating Values are 22.7, 29.7 or 31.7 MJ/kg for methanol, ethanol and DME, respectively, while gasoline contains about 45 MJ per kg. 
  24. ^ „Dimethyl Ether (DME)” (PDF). European Biofuels Technology Platform. . Accesat în .  DME density and lower heating value were obtained from the table on the first page.
  25. ^ Green Don; Perry Robert (). Perry's chemical engineers' handbook (ed. 8th). New York: McGraw-Hill. ISBN 9780071422949. 
  26. ^ „Elite_bloc.indd” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  27. ^ „Biomass Energy Foundation: Fuel Densities”. Woodgas.com. Arhivat din original la . Accesat în . 
  28. ^ „Bord na Mona, Peat for Energy” (PDF). Bnm.ie. Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  29. ^ Justin Lemire-elmore (). „The Energy Cost of Electric and Human-Powered Bicycle” (PDF). Accesat în . 
  30. ^ „energy buffers”. Home.hccnet.nl. Accesat în . 
  31. ^ Anne Wignall and Terry Wales. Chemistry 12 Workbook, page 138 Arhivat în , la Wayback Machine.. Pearson Education NZ ISBN: 978-0-582-54974-6
  32. ^ Mitchell, Robert R.; Gallant, Betar M.; Thompson, Carl V.; Shao-Horn, Yang (). „All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li–O2 batteries”. Energy & Environmental Science. 4 (8): 2952–2958. doi:10.1039/C1EE01496J. 
  33. ^ a b Eroare la citare: Etichetă <ref> invalidă; niciun text nu a fost furnizat pentru referințele numite :6
  34. ^ Lu, Gui-e; Chang, Wen-ping; Jiang, Jin-yong; Du, Shi-guo (mai 2011). „Study on the energy density of gunpowder heat source”. 2011 International Conference on Materials for Renewable Energy & Environment. IEEE. pp. 1185–1187. doi:10.1109/ICMREE.2011.5930549. ISBN 978-1-61284-749-8. 
  35. ^ Calculated from fractional mass loss times c squared. Ball, Justin (). „Maximizing specific energy by breeding deuterium”. Nuclear Fusion. 59 (10): 106043. Bibcode:2019NucFu..59j6043B. doi:10.1088/1741-4326/ab394c. 
  36. ^ a b Eroare la citare: Etichetă <ref> invalidă; niciun text nu a fost furnizat pentru referințele numite ReferenceA
  37. ^ a b „Computing the energy density of nuclear fuel”. whatisnuclear.com. Accesat în . 
  38. ^ „Technical bulletin on Zinc-air batteries”. Duracell⁠(d). Arhivat din original la . Accesat în . 
  39. ^ Meroueh, Laureen; Chen, Gang (). „Thermal energy storage radiatively coupled to a supercritical Rankine cycle for electric grid support”. Renewable Energy. 145: 604–621. doi:10.1016/j.renene.2019.06.036. 
  40. ^ A. Fopah-Lele, J. G. Tamba "A review on the use of Format:Chem2 as a potential material for low temperature energy storage systems and building applications", Solar Energy Materials and Solar Cells 164 175-84 (2017).
  41. ^ C. Knowlen, A.T. Mattick, A.P. Bruckner and A. Hertzberg, "High Efficiency Conversion Systems for Liquid Nitrogen Automobiles", Society of Automotive Engineers Inc, 1988.
  42. ^ „Overview of lithium ion batteries” (PDF). Panasonic. . Arhivat din original (PDF) la . 
  43. ^ „Panasonic NCR18650B” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . 
  44. ^ [42][43]
  45. ^ a b „Amprius' silicon nanowire Li-ion batteries power Airbus Zephyr S HAPS solar aircraft”. Green Car Congress. Accesat în . 
  46. ^ „Test of Duracell Ultra Power AA”. lygte-info.dk. Accesat în . 
  47. ^ „Energizer EN91 AA alkaline battery datasheet” (PDF). Accesat în . 
  48. ^ a b „Test of GP ReCyko+ AA 2700mAh (Green)”. lygte-info.dk. Accesat în . 
  49. ^ a b „Maxwell supercapacitor comparison” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  50. ^ a b „Nesscap ESHSP series supercapacitor datasheet” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  51. ^ a b „Cooper PowerStor XL60 series supercapacitor datasheet” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  52. ^ a b „Kemet S301 series supercapacitor datasheet” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  53. ^ a b „Nichicon JJD series supercapatcitor datasheet” (PDF). Accesat în . 
  54. ^ a b „skelcap High Energy Ultracapacitor” (PDF). Skeleton Technologies. Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  55. ^ a b „3.0V 3400F Ultracapacitor cell datasheet BCAP3400 P300 K04/05” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  56. ^ „Hydroelectric Power Generation”. www.mpoweruk.com. Woodbank Communications Ltd. Accesat în . 
  57. ^ „2.1 Power, discharge, head relationship | River Engineering & Restoration at OSU | Oregon State University”. rivers.bee.oregonstate.edu (în engleză). Arhivat din original la . Accesat în . Let ε = 0.85, signifying an 85% efficiency rating, typical of an older powerplant. 
  58. ^ a b „Vishay STE series tantalum capacitors datasheet” (PDF). Accesat în . 
  59. ^ „nichicon TVX aluminum electrolytic capacitors datasheet” (PDF). Accesat în . 
  60. ^ „nichicon LGU aluminum electrolytic capacitors datasheet” (PDF). Accesat în . 
  61. ^ a b c . ISSN 1059-1028.  Lipsește sau este vid: |title= (ajutor)
  62. ^ a b c „MatWeb - The Online Materials Information Resource”. www.matweb.com. Accesat în . 
  63. ^ PubChem. „Acetal”. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (în engleză). Accesat în . 
  64. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v „Young's Modulus - Tensile and Yield Strength for common Materials”. www.engineeringtoolbox.com. Accesat în . 
  65. ^ a b c d e f g h i Brush Wellman Alloy Products. „Elastic Resilience” (PDF). Technical Tidbits. Accesat în . 
  66. ^ „C17200 Alloy Specifications | E. Jordan Brookes Company”. www.ejbmetals.com. Accesat în . 
  67. ^ „polycarbonate information and properties”. www.polymerprocessing.com. Accesat în . 
  68. ^ „ASM Material Data Sheet”. asm.matweb.com. Accesat în . 
  69. ^ Sutherland, Karen; Martin, Monica (). Elert, Glenn, ed. „Density of steel”. The Physics Factbook. Accesat în . 
  70. ^ a b c „Aluminum 6061-T6; 6061-T651”. www.matweb.com. Accesat în . 
  71. ^ „Wood Species - Moisture Content and Weight”. www.engineeringtoolbox.com. Accesat în . 
  72. ^ a b c „AISI 1018 Mild/Low Carbon Steel”. AZoM.com (în engleză). . Accesat în . 
  73. ^ „ASM Material Data Sheet”. asm.matweb.com. Accesat în . 
  74. ^ a b c „American Eastern White Pine Wood”. www.matweb.com. Accesat în . 
  75. ^ a b „Mass, Weight, Density or Specific Gravity of Different Metals”. www.simetric.co.uk. Accesat în . 
  76. ^ „Physical properties of glass | Saint Gobain Building Glass UK”. uk.saint-gobain-building-glass.com. Accesat în . 
  77. ^ a b „Battery Energy Tables”. Arhivat din original la . 
  78. ^ „18650 Battery capacities”. 
  79. ^ „Supply of Uranium”. world-nuclear.org. . Arhivat din original la . Accesat în . 
  80. ^ „Facts from Cohen”. Formal.stanford.edu. . Arhivat din original la . Accesat în . 
  81. ^ „U.S. Energy Information Administration (EIA) - Annual Energy Review”. Eia.doe.gov. . Arhivat din original la . Accesat în . 
  82. ^ Parravicini, J. (). „Thermodynamic potentials in anisotropic and nonlinear dielectrics”. Physica B. 541: 54–60. Bibcode:2018PhyB..541...54P. doi:10.1016/j.physb.2018.04.029. 
  83. ^ „Terminology”. Regenerative Laser Therapy (în engleză). 

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

  • Universul inflaționist: căutarea unei noi teorii a originilor cosmice de Alan H. Guth (1998)ISBN: 0-201-32840-2
  • Inflația cosmologică și structura pe scară largă de Andrew R. Liddle, David H. Lyth (2000)ISBN: 0-521-57598-2
  • Richard Becker, „Câmpurile și interacțiunile electromagnetice”, Dover Publications Inc., 1964

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Legături externe[modificare | modificare sursă]

Portal icon Portal Energie
Portal icon Portal Fizică
Adus de la https://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Densitate_de_energie&oldid=16333722