Введение

Энергия на единицу объема. Энергия на единицу объема.

В физике плотность энергии — это количество энергии, запасенной в данной системе или области пространства на единицу объема. Её иногда путают с удельной энергией, то есть энергией на единицу массы, которая правильно называется удельной энергией или гравиметрической плотностью энергии. Часто измеряют только полезную или извлекаемую энергию, то есть игнорируют недоступную энергию (например, энергию массы покоя). Однако в космологических и других релятивистских контекстах рассматриваемые плотности энергии соответствуют элементам тензора энергии-импульса и, следовательно, включают энергию массы, а также плотности энергии, связанные с давлением. Энергия на единицу объема имеет те же физические единицы, что и давление, и во многих ситуациях является синонимом. Например, плотность энергии магнитного поля может быть выражена и ведет себя как физическое давление. Аналогично, энергия, необходимая для сжатия газа до определенного объема, может быть определена умножением разности между давлением газа и внешним давлением на изменение объема. Градиент давления описывает потенциал совершения работы над окружающей средой путем преобразования внутренней энергии в работу до достижения равновесия.

Обзор

В материалах накапливаются различные виды энергии, и для высвобождения каждого вида энергии требуется определенный тип реакции. В порядке убывания типичной величины высвобождаемой энергии эти типы реакций таковы: ядерные, химические, электрохимические и электрические. Ядерные реакции происходят в звездах и на атомных электростанциях, которые получают энергию из энергии связи ядер. Химические реакции используются организмами для получения энергии из пищи и автомобилями – для получения энергии из бензина. Жидкие углеводороды (топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин) в настоящее время являются наиболее эффективным известным способом экономичного хранения и транспортировки химической энергии в больших масштабах (1 кг дизельного топлива сгорает с кислородом, содержащимся примерно в 15 кг воздуха). Электрохимические реакции используются в большинстве мобильных устройств, таких как ноутбуки и мобильные телефоны, для высвобождения энергии из аккумуляторов.

В области хранения энергии и топлива

[[Файл:Плотность энергии.svg|thumb|400px|График отобранных значений плотности энергии

На рисунке выше показаны гравиметрическая и объемная плотности энергии некоторых видов топлива и технологий хранения энергии (модифицировано на основе статьи о бензине). Некоторые значения могут быть не совсем точными из-за изомеров или других особенностей. Подробную таблицу удельных энергий важных видов топлива можно найти в статье об удельной теплоте сгорания. Обычно значения плотности для химического топлива не включают вес кислорода, необходимого для сгорания. Атомные массы углерода и кислорода схожи, в то время как водород значительно легче. Данные представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух подводится непосредственно к горелке. Это объясняет кажущуюся более низкую плотность энергии материалов, содержащих собственный окислитель (например, порох и тротил), поскольку масса окислителя фактически увеличивает вес и поглощает часть энергии сгорания для диссоциации и высвобождения кислорода, необходимого для продолжения реакции. Это также объясняет некоторые кажущиеся аномалии, например, тот факт, что плотность энергии бутерброда может оказаться выше, чем у динамита.

Список плотности энергии материала

При рассмотрении данных в таблицах могут быть полезны следующие преобразования единиц: 3,6 МДж = 1 кВт⋅ч ≈ 1,34 л.с.⋅ч. Поскольку 1 Дж = 10−6 МДж и 1 м³ = 10³ л, для получения МДж/л (что равно ГДж/м³) делите джоули/м³ на 10⁹. Для получения кВт⋅ч/л делите МДж/л на 3,6.

В химических реакциях (окисление)

Если не указано иное, значения в следующей таблице являются значениями низшей теплоты сгорания для идеального сгорания, без учета массы или объема окислителя. При использовании для производства электроэнергии в топливном элементе или для совершения работы, теоретический верхний предел определяется свободной энергией Гиббса реакции (ΔG). Если образующийся продукт – пар, это обычно выше, чем низшая теплота сгорания, в то время как если образующаяся H2O является жидкой, это обычно ниже, чем высшая теплота сгорания. Но в наиболее релевантном случае водорода ΔG составляет 113 МДж/кг при образовании водяного пара и 118 МДж/кг при образовании жидкой воды, оба значения меньше, чем низшая теплота сгорания (120 МДж/кг). + Энергия, выделяемая химическими реакциями (окисление) Материал Удельная энергия (МДж/кг) Плотность энергии (МДж/л) Удельная энергия (Вт⋅ч/кг) Плотность энергии (Вт⋅ч/л) Комментарий Водород, жидкий 141.86 (HHV) 119.93 (LHV) 10.044 (HHV) 8.491 (LHV) 39,405.6 39,405.6 (HHV) 33,313.9 (LHV) 2,790.0 (HHV) 2,358.6 (LHV) Значения энергии приведены после перегрева до 25 °C. См. примечание выше об использовании в топливных элементах. Водород, газ (681 атм, 69 МПа, 25 °C) 141.86 (HHV) 119.93 (LHV) 5.323 (HHV) 4.500 (LHV) 39,405.6 39,405.6 (HHV) 33,313.9 (LHV) 1,478.6 (HHV) 1,250.0 (LHV) Данные из того же источника, что и для жидкого водорода, что дает всего 6.8 МДж на кг общей массы для LHV. См. примечание выше об использовании в топливных элементах. Водород, газ ( , 25 °C) 141.86 (HHV) 119.93 (LHV) 0.01188 (HHV) 0.01005 (LHV) 39,405.6 39,405.6 (HHV) 33,313.9 (LHV) 3.3 (HHV) 2.8 (LHV) 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 Отопительное топливо для жилых помещений 46.2 37.3 12,833.3 10,361.1 31.59 12,222.2 8,775.0 Авиационное топливо (например, керосин) 43 35 11,944.4 9,722.2 Авиационный двигатель Газолин 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 Биодизельное масло (растительное масло) 42.20 33 11,722.2 9,166.7 DMF (2,5 диметилфуран) 42 37.8 11,666.7 10,500.0 Парафиновый воск 42 37.8 11,700 10,500 Сырая нефть (тонна нефтяного эквивалента) 41.868 37) Бутанол 36.6 29.2 10,166.7 8,111.1 Газолин E85 (85% этанола, 15% бензина по объему) 33.1 25.65 9,194.5 7,125.0 Графит 32.7 72.9 9,083.3 20,250.0 Уголь, антрацит 26–33 34–43 7,222.2–9,166.7 9,444.5–11,944.5 Значения представляют собой идеальное сгорание без учета окислителя, но эффективность преобразования в электроэнергию составляет ≈36% Алюминий 31.0 83.8 8,611.1 23,277.8 Этанол 30 24 8,333.3 6,666.7 DME 31.7 (HHV) 28.4 (LHV) 21.24 (HHV) 19.03 (LHV) 8,805.6 8,805.6 (HHV) 7,888.9 (LHV) 5,900.0 (HHV) 5,286.1 (LHV) Полиэфирный пластик 26.0 Уголь, битуминозный 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 сжигается до диоксида титана Гидразин (сжигается до N2+H2O) 19.5 19.3 5,416.7 5,361.1 Жидкий аммиак (сжигается до N2+H2O) 18.6 11.5 5,166.7 3,194.5 Калий 18.6 16.5 5,160 4,600 сжигается до сухого оксида калия ПВХ пластик (неправильное сгорание токсично) 18.0 Торфяная брикета 17.7 4,916.7 Сахара, углеводы и белки 17 26.2 (декстроза) 4,722.2 7,277.8 Метаболизм в организме человека (эффективность 22%) Кальций 15.9 24.6 4,416.7 6,833.3 Глюкоза 15.55 23.9 4,319.5 6,638.9 Сухой коровяк и верблюжий навоз 15.5 4,305.6 Уголь, лигнит 10–20 2,777.8–5,555.6 Натрий 13.3 12.8 3,694.5 3,555.6 сжигается до влажного гидроксида натрия 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 сжигается до диоксида марганца Сера 9.23 19.11 2,563.9 5,308.3 сжигается до диоксида серы Натрий 9.1 8.8 2,527.8 2,444.5 сжигается до сухого оксида натрия Аккумулятор, литий-воздушный перезаряжаемый 9.0 2,500.0 Контролируемый электрический разряд Бытовые отходы 8.0 2,222.2 Железо 7.4 57.7 2052.9 16004.1 сжигается до оксида железа(III) Железо 6.75 2.2 1858.3 14487.2 сжигается до оксида железа(II,III) 5.9–12.9 1,600–3,580 ТНТ 4.184 6.92 1,162 1,920 Барий 3.99 14.0 1,110 3,890 сжигается до диоксида бария АМФО 3.7 1,027.8

В ядерных реакциях

+ Энергия, высвобождаемая ядерными реакциями Материал Удельная энергия (МДж/кг) Плотность энергии (МДж/л) Удельная энергия (Вт⋅ч/кг) Плотность энергии (Вт⋅ч/л) Комментарий Антиматерия 89 875 517 874 ≈ 90 ПДж/кг Зависит от плотности формы антиматерии 24 965 421 631 578 ≈ 25 ТВт⋅ч/кг Зависит от плотности формы антиматерии Аннигиляция, с учетом массы как потребленной антиматерии, так и обычной материи Водород (синтез) 639 780 320, но не менее 2% от этого теряется на нейтрино. Зависит от условий 177 716 755 600 Зависит от условий Реакция 4H→4He Дейтерий (синтез) 571 182 758 Зависит от условий 158 661 876 600 Зависит от условий Предложенная схема синтеза для D+D→4He, путем объединения D+D→T+H, T+D→4He+n, n+H→D и D+D→3He+n, 3He+D→4He+H, n+H→D Дейтерий+тритий (синтез) 337 387 388 929 214 000 22 061 000 000 Тепло, выделяемое в реакторе-размножителе (экспериментальный) Плутоний 238 2 239 000 43 277 631 621 900 000 Радиоизотопный термоэлектрический генератор. Тепло производится со скоростью всего 0,57 Вт/г.

Другие механизмы высвобождения

+ Энергия, выделяемая электрохимическими реакциями или другими способами Удельная энергия (МДж/кг) Плотность энергии (МДж/л) Удельная энергия (Вт⋅ч/кг) Плотность энергии (Вт⋅ч/л) Комментарий Батарея, цинк-воздушная 1.59 6.02 441.7 1,672.2Контролируемый электрический разряд Кремний (изменение фазы) 1.790 4.5 500 1,285Энергия, запасенная за счет перехода кремния из твердого в жидкое состояние Гидрат бромида стронция 0.814 1.93 628Тепловая энергия фазового перехода при Жидкий азот 0.77 0.62 213.9 172.2Максимальная обратимая работа при 77.4 K с резервуаром 300 K Натрий-серная батарея 0.54–0.86 150–240 Сжатый воздух при 30 МПа 0.5 0.2 138.9 55.6Потенциальная энергия Скрытая теплота плавления льда (тепловая) 0.334 0.334 93.1 93.1 Литий-металлическая батарея 1.8 4.32 500 1,200Контролируемый электрический разряд Литий-ионная батарея 0.36–0.875 0.9–2.63 100.00–243.06 250.00–730.56Контролируемый электрический разряд Литий-ионная батарея с нанопроволочными анодами из кремния 1.566 4.32 435 1,200 1.3Контролируемый электрический разряд Никель-металлгидридная батарея 0.41 0.504–1.46 0.006–0.06 Электролитический конденсатор 0.00001–0.0002 0.00001–0.001Контролируемый электрический разряд

Ядерные источники энергии

Самый большой источник энергии – сама материя. Эта энергия, E = mc², где m = ρV, ρ – масса на единицу объема, V – объем самой массы, а c – скорость света. Однако эта энергия может быть высвобождена только посредством процессов ядерного деления (0,1%), ядерного синтеза (1%) или аннигиляции части или всей материи в объеме V при столкновениях вещества и антивещества (100%). Ядерные реакции не могут быть реализованы химическими реакциями, такими как горение. Хотя можно достичь большей плотности материи, плотность нейтронной звезды приближается к максимально возможной плотности системы, способной к аннигиляции материи и антиматерии. Чёрная дыра, хотя и плотнее нейтронной звезды, не имеет эквивалентной античастицы, но обеспечивает тот же 100%-ный коэффициент преобразования массы в энергию в виде излучения Хокинга. В случае относительно небольших чёрных дыр (меньше астрономических объектов) выход энергии был бы колоссальным. Помимо антиматерии, наиболее плотными источниками энергии являются синтез и деление. Синтез включает в себя энергию Солнца, которая будет доступна в течение миллиардов лет (в виде солнечного света), но на данный момент (2021 год) устойчивое производство энергии синтеза остаётся недостижимым. Энергия, получаемая от деления урана и тория на атомных электростанциях, будет доступна на протяжении многих десятилетий или даже столетий благодаря обильным запасам этих элементов на Земле, хотя полный потенциал этого источника может быть реализован только с помощью реакторов-размножителей, которые, за исключением реактора БН-600, пока не используются в коммерческих целях. Уголь, газ и нефть являются основными источниками энергии в США, но обладают значительно меньшей энергоплотностью. Сжигание местной биомассы обеспечивает потребности домохозяйств в энергии (для приготовления пищи, освещения и т.д.) во всем мире.

Тепловая мощность ядерных делящихся реакторов

Плотность тепловой энергии, содержащейся в ядре легкого водяного реактора (PWR или BWR) мощностью обычно 1 ГВтэ (1000 МВт электрической энергии, что соответствует ≈3000 МВт тепловой энергии), составляет от 10 до 100 МВт тепловой энергии на кубический метр охлаждающей воды, в зависимости от рассматриваемого участка системы (само ядро (≈30 м³), корпус реактора (≈50 м³) или весь первичный контур (≈300 м³)). Это представляет собой значительную плотность энергии, требующую в любых обстоятельствах непрерывного потока воды на высокой скорости для отвода тепла от ядра, даже после аварийной остановки реактора. Невозможность охлаждения ядер трех реакторов с кипящей водой (BWR) на Фукусиме в 2011 году после цунами, вызванная потерей внешнего электроснабжения и холодоснабжения, привела к расплавлению трех ядер всего за несколько часов, несмотря на то, что все три реактора были корректно остановлены сразу после землетрясения Тохоку. Эта чрезвычайно высокая плотность мощности отличает атомные электростанции (АЭС) от любых тепловых электростанций (сжигающих уголь, топливо или газ) или химических производств и объясняет необходимость значительного резервирования для постоянного контроля нейтронной реактивности и отвода остаточного тепла из ядра АЭС.