Кіріспе

Көлем бірлігіне шаққандағы энергия – физикада энергия тығыздығы деп аталады, ол белгілі бір жүйеде немесе кеңістіктің бірлік көлеміне жинақталған энергия мөлшері. Ол кейде масса бірлігіне шаққандағы энергиямен шатастырылады, бұл дұрысырақ айтқанда нақты энергия немесе гравиметриялық энергия тығыздығы деп аталады. Көбінесе тек пайдалы немесе алынатын энергия өлшенеді, яғни қолжетімсіз энергия (мысалы, тынығу массасының энергиясы) ескерілмейді. Дегенмен, космологиялық және басқа да жалпы салыстырмалылық контекстерінде қарастырылатын энергия тығыздықтары кернеу-энергия тензорының элементтеріне сәйкес келеді, сондықтан массалық энергияны да, қысыммен байланысты энергия тығыздықтарын да қамтиды. Көлем бірлігіне шаққандағы энергияның физикалық өлшем бірліктері қысыммен бірдей және көп жағдайда олар синоним болып табылады. Мысалы, магнит өрісінің энергия тығыздығы физикалық қысым ретінде өрнектелуі мүмкін және осыған ұқсас қасиеттерге ие. Сол сияқты, газды белгілі бір көлемге дейін сығуға қажетті энергияны газ қысымы мен сыртқы қысым арасындағы айырманы көлемдегі өзгеріске көбейту арқылы анықтауға болады. Қысым градиенті – ішкі энергияны жұмысқа айналдыру арқылы қоршаған ортаға әсер ету әлеуетін, тепе-теңдікке жеткенше жұмыс істеу мүмкіндігін көрсетеді.

Шолу

Материалдарда энергияның әртүрлі түрлері жиналады, және әрбір түрді босату үшін нақты бір түрдегі реакция қажет. Босатылатын энергияның мөлшері бойынша реакциялардың түрлері мыналар: ядролық, химиялық, электрохимиялық және электрлік. Ядролық реакциялар жұлдыздарда және ядролық электр станцияларында өтеді, олардың екеуі де ядролардың байланыс энергиясынан энергия алады. Химиялық реакциялар организмдерге тамақтан энергия алуға, ал автомобильдерге бензиннен энергия алуға мүмкіндік береді. Сұйық көмірсутектер (бензин, дизель және керосин сияқты отындар) қазіргі таңдағы үлкен көлемде химиялық энергияны экономикалық тұрғыдан сақтау және тасымалдаудың ең тығыз жолы болып табылады (1 кг дизель отыны ≈15 кг ауадағы оттегімен жанады). Электрохимиялық реакциялар көшбас компьютерлер мен ұялы телефондар сияқты көптеген мобильді құрылғыларда батареялардан энергияны босату үшін қолданылады.

Энергияны сақтау және отын

[[Файл:Энергия тығыздығы.svg|thumb|400px|Таңдалған энергия тығыздығы графигі

Жоғарыдағы суретте кейбір отын түрлері мен энергия сақтау технологияларының массалық және көлемдік энергия тығыздығы көрсетілген (бензин туралы мақаладан өңделген). Кейбір мәндер изомерлердің немесе басқа да қателіктердің болуына байланысты нақтырақ болмауы мүмкін. Маңызды отын түрлерінің нақты энергиясының толық тізімі үшін Жылудық құндылығын қараңыз. Әдетте, химиялық отынның тығыздық көрсеткіштері жануға қажетті оттегінің салмағын қамтымайды. Көміртек пен оттегінің атомдық салмақтары шамалас, ал сутек олардан әлдеқайда жеңіл. Бұл көрсеткіштер осылай ұсынылған, себебі практикалық жағдайда отын жағатын жерге ғана ауа тартылады. Бұл өз тотықтырғыштарын (мысалы, ұнтақ және ТНТ) қамтитын материалдардың энергия тығыздығының көрінеу төмен болуын түсіндіреді, онда тотықтырғыштың массасы қосымша салмақ қосады және реакцияны жалғастыру үшін оттегін бөліп шығаруға жұмсалатын жану энергиясының бір бөлігін сіңіреді. Бұл кейбір түсініксіздіктерді де түсіндіреді, мысалы, сэндвичтің энергия тығыздығы динамит таяқшасынан жоғары көрінуі сияқты.

Материалдық энергия тығыздықтарының тізімі

Келесі бірлік түрлендірулері кестедегі деректерді қарастыру кезінде пайдалы болуы мүмкін: 3.6 МДж = 1 кВт⋅сағ ≈ 1.34 а.к.⋅сағ. 1 Дж = 10−6 МДж және 1 м3 = 103 л болғандықтан, Дж/м3-ді 109-ға бөлгенде МДж/л = ГДж/м3 шығады. КВт⋅сағ/л алу үшін МДж/л-ді 3.6-ға бөліңіз.

Химиялық реакцияларда (окисдеу)

Егер басқаша көрсетілмесе, келесі кестедегі мәндер тотықтырғыштың массасы немесе көлемін есепке алмағанда, толық жану үшін төменгі жылу мәндері болып табылады. Электр энергиясын өндіруге немесе жұмыс істеуге пайдаланылғанда, теориялық жоғарғы шекті белгілейтін реакцияның Гиббс еркін энергиясы (ΔG) болып табылады. Егер өндірілген бу болса, бұл әдетте төменгі жану жылуынан жоғары болады, ал егер өндірілген H2O сұйық болса, ол әдетте жоғары жану жылуынан төмен болады. Бірақ сутегіне қатысты ең маңызды жағдайда ΔG 113 МДж/кг, егер су буы пайда болса, және 118 МДж/кг, егер сұйық су пайда болса, екеуі де төменгі жану жылуынан (120 МДж/кг) кем. + Химиялық реакциялардан (окистенуден) бөлінген энергия Материал Арнайы энергия (МДж/кг) Энергия тығыздығы (МДж/л) Арнайы энергия (Вт⋅сағ/кг) Энергия тығыздығы (Вт⋅сағ/л) Комментарий Сутегі, сұйық 141,86 (ЖЖМ) 119,93 (ТЖМ) 10,044 (ЖЖМ) 8,491 (ТЖМ) 39,405.6 39,405.6 (ЖЖМ) 33,313.9 (ТЖМ) 2,790.0 (ЖЖМ) 2,358.6 (ТЖМ) Энергия көрсеткіштері 25 °C-қа дейін қайта қыздырғаннан кейін қолданылады. Отын жадырауында қолдану туралы жоғарыдағы ескертуді қараңыз. Сутек, газ (681 атмосфералық қысым, 69 МПа, 25 °C) 141,86 (ЖЖМ) 119,93 (ТЖМ) 5,323 (ЖЖМ) 4,500 (ТЖМ) 39,405.6 39,405.6 (ЖЖМ) 33,313.9 (ТЖМ) 1,478.6 (ЖЖМ) 1,250.0 (ТЖМ) Сұйық сутегінің деректемесімен бірдей. Бұл ТЖМ үшін жалпы массасының килограмына 6,8 МЖ береді. Отын жадырауында қолдану туралы жоғарыдағы ескертуді қараңыз. Сутек, газ (25 °C) 141,86 (ЖЖМ) 119,93 (ТЖМ) 0,01188 (ЖЖМ) 0,01005 (ТЖМ) 39,405.6 39,405.6 (ЖЖМ) 33,313.9 (ТЖМ) 3,3 (ЖЖМ) 2,8 (ТЖМ) 0,0364 14,888.9 10.1 LPG пропан 49.6 25.3 13,777.8 7,027.8 LPG бутан 49.1 27.7 13,638.9 7,694.5 42.6 12,861.1 11,833.3 Тұрғын үйді жылыту майы 46.2 37.3 12,833.3 10,361.1 31.59 12,222.2 8,775.0 Реактивтік отын (мысалы, керосин) 43 35 11,944.4 9,722.2 Ұшақ қозғалтқышы Газохол E10 (10% этанол, көлем бойынша 90% бензин) 43.54 33.18 12,094.5 9,216.7 Литий 43.1 23.0 11,972.2 6,388.9 Биодизель майы (өсімдік майы) 42.20 33 11,722.2 9,166.7 DMF (2,5 диметилфуран) 42 37.8 11,666.7 10,500.0 Парафин майы 42 37.8 11,700 10,500 Шикі мұнай (мұнай эквивалентінің тоннасы) 41.868 37) Бутанол 36.6 29.2 10,166.7 8,111.1 Газохол E85 (85% этанол, көлем бойынша 15% бензин) 33.1 25.65 9,194.5 7,125.0 Графит 32.7 72.9 9,083.3 20,250.0 Көмір, антрацит 26–33 34–43 7,222.2–9,166.7 9,444.5–11,944.5 Сандар тотықтырғышты есепке алмай, толық жануды көрсетеді, бірақ электр энергиясына айналу тиімділігі ≈36% Алюминий 31.0 83.8 8,611.1 23,277.8 Этанол 30 24 8,333.3 6,666.7 DME 31.7 (ЖЖМ) 28.4 (ТЖМ) 21.24 (ЖЖМ) 19.03 (ТЖМ) 8,805.6 8,805.6 (ЖЖМ) 7,888.9 (ТЖМ) 5,900.0 (ЖЖМ) 5,286.1 (ТЖМ) Полиэстер пластигі 26.0 Көмір, битумды 24–35 26–49 6,666.7–9,722.2 7,222.2–13,611.1 < ~32.4 6,527.8 < ~9000 Метанол 19.7 15.6 5,472.2 4,333.3 Титан 19.74 88.93 5,480 24,700 титан диоксидіне дейін жағылды Гидразин (N2+H2O дейін жағылды) 19.5 19.3 5,416.7 5,361.1 Сұйық аммиак (N2+H2O дейін жағылды) 18.6 11.5 5,166.7 3,194.5 Калий 18.6 16.5 5,160 4,600 құрғақ калий тотығына дейін жағылды PVC пластигі (жарамсыз жану уытты) 18.0 Торф брикеті 17.7 4,916.7 Қанттар, көмірсулар және белоктар 17 26.2 (декстроза) 4,722.2 7,277.8 Адам денесіндегі метаболизм (22% тиімділік) Кальций 15.9 24.6 4,416.7 6,833.3 Глюкоза 15.55 23.9 4,319.5 6,638.9 Құрғақ сиыр тыңайтқышы және түйе тыңайтқышы 15.5 4,305.6 Көмір, лигнит 10–20 2,777.8–5,555.6 Натрий 13.3 12.8 3,694.5 3,555.6 ылғалды натрий гидроксидіне дейін жағылды Торф 12.8 3,555.6 Нитрометан 11.3 12.85 3,138.9 3,570 Марганец 9.46 68.2 2,630 18,900 марганец диоксидіне дейін жағылды Күкірт 9.23 19.11 2,563.9 5,308.3 күкірт диоксидіне дейін жағылды Натрий 9.1 8.8 2,527.8 2,444.5 құрғақ натрий тотығына дейін жағылды Батарея, литий-ауа қайта зарядталатын 9.0 2,500.0 Бақыланатын электр разряды Шаруашылық қалдықтар 8.0 2,222.2 Темір 7.4 57.7 2052.9 16004.1 темір(III) тотығына дейін жағылды Темір 6.75 2.2 1858.3 14487.2 темір(II,III) тотығына дейін жағылды 5.9–12.9 1,600–3,580 TNT 4.184 6.92 1,162 1,920 Барий 3.99 14.0 1,110 3,890 барий диоксидіне дейін жағылды ANFO 3.7 1,027.8

Ядролық реакцияларда

+ Ядролық реакциялардан бөлінген энергия Материал Арнайы энергия (МДж/кг) Энергия тығыздығы (МДж/л) Арнайы энергия (В⋅с/кг) Энергия тығыздығы (В⋅с/л) Ескерту Антиматерия 89 875 517 874 ≈ 90 ПДж/кг Антиматерияның тығыздығына байланысты 24 965 421 631 578 ≈ 25 ТВ⋅с/кг Антиматерияның тығыздығына байланысты Аннигиляция, тұтынылған антиматерия және обычный материя массасын ескере отырып Сутек (қосылу) 639 780 320 бірақ оның кем дегенде 2% нейтриноларға жоғалады. Жағдайларға байланысты 177 716 755 600 Жағдайларға байланысты Реакция 4H→4He Деутерий (қосылу) 571 182 758 Жағдайларға байланысты 158 661 876 600 Жағдайларға байланысты D+D→4He үшін ұсынылған синтез схемасы, D+D→T+H, T+D→4He+n, n+H→D және D+D→3He+n, 3He+D→4He+H, n+H→D Деутерий+тритий (қосылу) 337 387 388 929 214 000 22 061 000 000 Өсіру реакторында өндірілген жылу (эксперименталды) Плутоний 238 2 239 000 43 277 631 621 900 000 Радиоизотоптық термоэлектрлік генератор. Жылу 0,57 Вт/г жылдамдығымен ғана өндіріледі.

Басқа босату механизмдері

+ Электрохимиялық реакциялар немесе басқа тәсілдермен бөлінетін энергия Материалға тән энергия (МДж/кг) Энергия тығыздығы (МДж/л) Көліктік энергия (Вт⋅сағ/кг) Энергия тығыздығы (Вт⋅сағ/л) Ескерту Цинк-ауа аккумуляторы 1.59 6.02 441.7 1,672.2 Бақыланатын электрлік разряд Кремний (фазалық өзгеріс) 1.790 4.5 500 1,285 Кремнийдің қаттыдан сұйыққа фазалық өзгерісі арқылы сақталатын энергия Стронций бромид гидраты 0.814 1.93 628 Фазалық өзгерістің жылу энергиясы Сұйық азот 0.77 0.62 213.9 172.2 77.4 К температурада 300 К резервуармен максималды қайтымды жұмыс Натрий-күкірт аккумуляторы 0.54–0.86 150–240 30 МПа қысыммен тамырылған ауа 0.5 0.2 138.9 55.6 Потенциалдық энергия Мұздың балқуының жасырын жылуы (жылулық) 0.334 0.334 93.1 93.1 Литий металл аккумуляторы 1.8 4.32 500 1,200 Бақыланатын электрлік разряд Литий-ион аккумуляторы 0.36–0.875 0.9–2.63 100.00–243.06 250.00–730.56 Бақыланатын электрлік разряд Кремний наносымдары бар литий-ион аккумуляторы 1.566 4.32 435 1,200 1.3 Бақыланатын электрлік разряд Никель-металл гидрид аккумуляторы 0.41 0.504–1.46 0.006–0.06 Электролиттік конденсатор 0.00001–0.0002 0.00001–0.001 Бақыланатын электрлік разряд

Ядролық энергия көздері

Ең үлкен энергия көзі – материяның өзі. Бұл энергия, E = mc2, мұндағы m = ρV, ρ – массаның көлем бірлігіне шаққандағы тығыздығы, V – массаның көлемі және c – жарық жылдамдығы. Алайда, бұл энергияны тек ядролық бөліну (0,1%), ядролық синтез (1%) немесе V көлеміндегі материяның бір бөлігінің немесе барлық материяның материя-антиматерия соқтығысулары (100%) арқылы ғана босатуға болады. Ядролық реакцияларды жағу сияқты химиялық реакциялар арқылы жүзеге асыру мүмкін емес. Материяның тығыздығын арттыруға болатындықтан, материя-антиматерияны жоюға қабілетті ең тығыз жүйе – нейтрон жұлдызының тығыздығына жуық болады. Қара тесік, нейтрон жұлдызынан тығыз болғанымен, эквивалентті антибөлшек формасына ие емес, бірақ Хокинг сәулеленуі түрінде массаның энергияға 100% түрленуін қамтамасыз етеді. салыстырмалы түрде кішкентай қара тесіктерде (астрономиялық объектілерден кішірек) қуат шығыны өте зор болады. Антиматериядан басқа энергияның ең жоғары тығыздықтағы көздері – синтез және бөліну. Синтез – миллиардтаған жылдар бойы (күн сәулесі түрінде) қолжетімді күн энергиясын қамтиды, бірақ 2021 жылға дейін тұрақты синтез энергиясын өндіру әлі де қиындық тудырып келеді. Ядролық электр станцияларында уран мен торийдің бөлінуінен алынатын энергия, Жердегі элементтердің көп болуына байланысты, көптеген ондаған жылдар немесе тіпті ғасырлар бойы қолжетімді болады, бірақ бұл көздің толық әлеуетін көбейтуші реакторлар арқылы ғана іске асыруға болады, олар BN 600 реакторынан басқа коммерциялық мақсатта қолданылмайды. Көмір, газ және мұнай АҚШ-тағы қазіргі негізгі энергия көздері болып табылады, бірақ олардың энергия тығыздығы әлдеқайда төмен. Жергілікті биомасса отындарын жағу бүкіл әлем бойынша үй шаруашылығының энергия қажеттіліктерін қамтамасыз етеді (тамақ пісіруге арналған от, шамдар және т.б.).

Ядролық бөліну реакторларының жылу қуаты

Жеңіл су реакторының (ЖЖР немесе ҚЖР) өзегіндегі жылу энергиясының тығыздығы, әдетте 1 ГВт (1000 МВт электрлік, ≈3000 МВт жылулық) болатын жүйеде қарастырылатын орнына байланысты, салқындату суының текше метріне 10-тен 100 МВт-қа дейін жылу энергиясын құрайды (өзектің өзі (≈30 м3), реакторлық қысым ыдысы (≈50 м3) немесе бүкіл бірінші контур (≈300 м3)). Бұл энергияның айтарлықтай тығыздығын көрсетеді, ол реактордың авариялық тоқтатылуынан кейін де ядродан жылуды шығарып алу үшін кез келген жағдайда жоғары жылдамдықты үздіксіз су ағынын талап етеді. 2011 жылы Фукусимадағы цунамиден кейін үш қайнаған су реакторының (ҚЖР) өзегін салқындата алмау, сондай-ақ сыртқы электр қуатының және салқындату көзінің жоғалтылуы, Тохоку жер сілкінісінен кейін үш реактор дұрыс тоқтатылғанына қарамастан, үш өзектің бірнеше сағат ішінде балқып кетуіне әкелді. Бұл өте жоғары қуат тығыздығы ядролық электр станцияларын (АЭС) кез келген жылу электр станцияларынан (көмір, отын немесе газды жағу) және кез келген химиялық өндірістен ерекшелендіреді, сондай-ақ АЭС-тің өзегіндегі нейтрондық реактивтілікті тұрақты бақылау және қалдық жылуды жою үшін қажетті үлкен резервтің болуын түсіндіреді.