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Articulo de referencia

Densidad de energía

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En física , la densidad de energía es el cociente entre la cantidad de energía almacenada en un sistema o región del espacio y el volumen de dicho sistema o región. A menudo, solo se mide la energía útil o extraíble. En ocasiones, se confunde con la energía almacenada por unidad de masa , denominada energía específica o densidad de energía gravimétrica .

Existen diferentes tipos de energía almacenada, que corresponden a un tipo particular de reacción. En orden de magnitud típica de la energía almacenada, algunos ejemplos de reacciones son: nucleares , químicas (incluidas las electroquímicas ), eléctricas , de presión , de deformación de materiales o en campos electromagnéticos . Las reacciones nucleares tienen lugar en las estrellas y en las centrales nucleares, las cuales obtienen energía de la energía de enlace de los núcleos. Los organismos utilizan las reacciones químicas para obtener energía de los alimentos y los automóviles, de la combustión de la gasolina. Los hidrocarburos líquidos (combustibles como la gasolina, el diésel y el queroseno) son actualmente la forma más densa conocida de almacenar y transportar energía química a gran escala de manera económica (1  kg de diésel se quema con el oxígeno contenido en ≈  15  kg de aire). La quema de biomasa local abastece las necesidades energéticas domésticas ( fogones para cocinar , lámparas de aceite , etc.) en todo el mundo. Las reacciones electroquímicas son utilizadas por dispositivos como ordenadores portátiles y teléfonos móviles para liberar energía de las baterías.

La energía por unidad de volumen tiene las mismas unidades físicas que la presión y, en muchos casos, es sinónimo . Por ejemplo, la densidad de energía de un campo magnético se puede expresar como y se comporta como una presión física. La energía necesaria para comprimir un gas a un volumen determinado se puede calcular multiplicando la diferencia entre la presión del gas y la presión externa por el cambio de volumen. Un gradiente de presión describe el potencial para realizar trabajo sobre el entorno mediante la conversión de energía interna en trabajo hasta alcanzar el equilibrio.

En contextos cosmológicos y otros contextos de la relatividad general , las densidades de energía consideradas se relacionan con los elementos del tensor energía-impulso y, por lo tanto, incluyen la energía de masa en reposo , así como las densidades de energía asociadas con la presión .

energía química

Al hablar de la energía química contenida, existen diferentes tipos que pueden cuantificarse según el propósito previsto. Uno es la cantidad total teórica de trabajo termodinámico que puede derivarse de un sistema, a una temperatura y presión dadas por el entorno, denominada exergía . Otro es la cantidad teórica de energía eléctrica que puede derivarse de reactivos a temperatura ambiente y presión atmosférica. Esta viene dada por el cambio en la energía libre de Gibbs estándar . Pero como fuente de calor o para su uso en una máquina térmica , la magnitud relevante es el cambio en la entalpía estándar o el calor de combustión .

Existen dos tipos de calor de combustión:

  • El valor superior (HHV), o calor bruto de combustión, incluye todo el calor liberado a medida que los productos se enfrían a temperatura ambiente y se condensa el vapor de agua presente.
  • El valor inferior (LHV), o calor neto de combustión, no incluye el calor que podría liberarse por la condensación del vapor de agua, y puede que no incluya el calor liberado al enfriarse hasta alcanzar la temperatura ambiente.

En las referencias se puede encontrar una tabla práctica de HHV y LHV de algunos combustibles. [ 1 ]

En almacenamiento de energía y combustibles

Gráfico de densidades de energía seleccionadas [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

En el almacenamiento de energía , la densidad energética relaciona la energía almacenada con el volumen del equipo de almacenamiento, por ejemplo, el tanque de combustible . Cuanto mayor sea la densidad energética del combustible, mayor será la cantidad de energía que se puede almacenar o transportar en el mismo volumen. La energía de un combustible por unidad de masa se denomina energía específica .

La figura adjunta muestra la densidad energética gravimétrica y volumétrica de algunos combustibles y tecnologías de almacenamiento (adaptada del artículo sobre gasolina ). Algunos valores pueden no ser exactos debido a la presencia de isómeros u otras irregularidades. Los valores caloríficos del combustible describen sus energías específicas de forma más completa.

Los valores de densidad de los combustibles químicos no incluyen el peso del oxígeno necesario para la combustión. Los pesos atómicos del carbono y el oxígeno son similares, mientras que el hidrógeno es mucho más ligero. Las cifras se presentan de esta manera para aquellos combustibles en los que, en la práctica, el aire solo se aspiraría localmente hacia el quemador. Esto explica la densidad energética aparentemente menor de los materiales que contienen su propio oxidante (como la pólvora y el TNT), donde la masa del oxidante, en efecto, añade peso y absorbe parte de la energía de la combustión para disociarse y liberar oxígeno, permitiendo así que la reacción continúe. Esto también explica algunas anomalías aparentes, como que la densidad energética de un sándwich parezca ser mayor que la de un cartucho de dinamita.

Dada la alta densidad energética de la gasolina, la exploración de medios alternativos para almacenar la energía necesaria para alimentar un automóvil, como el hidrógeno o las baterías, se ve fuertemente limitada por la densidad energética del medio alternativo. La misma masa de almacenamiento de iones de litio, por ejemplo, daría como resultado un automóvil con solo el 2 % de la autonomía de su equivalente de gasolina. Si no se desea sacrificar la autonomía, se necesita un volumen de almacenamiento mucho mayor. Se discuten opciones alternativas para el almacenamiento de energía que permitan aumentar la densidad energética y disminuir el tiempo de carga, como los supercondensadores . [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Ningún método de almacenamiento de energía destaca por encima de los demás en cuanto a potencia específica , energía específica y densidad energética. La ley de Peukert describe cómo la cantidad de energía útil que se puede obtener (en una batería de plomo-ácido) depende de la rapidez con la que se extrae.

Eficiencia

En general, un motor generará menos energía cinética debido a ineficiencias y consideraciones termodinámicas ; por lo tanto, el consumo específico de combustible de un motor siempre será mayor que su tasa de producción de energía cinética de movimiento.

La densidad energética difiere de la eficiencia de conversión energética (producción neta por unidad de insumo) o de la energía incorporada (los costos de producción energética, ya que la recolección , el refinado , la distribución y el tratamiento de la contaminación consumen energía). El uso intensivo de energía a gran escala impacta y se ve afectado por el clima , el almacenamiento de residuos y las consecuencias ambientales .

Energía nuclear

La mayor fuente de energía, con diferencia , es la materia misma, según la equivalencia masa-energía . Esta energía se describe mediante E = mc² , donde c es la velocidad de la luz . En términos de densidad, m = ρV , donde ρ es la densidad de masa volumétrica y V es el volumen ocupado por la masa. Esta energía puede liberarse mediante los procesos de fisión nuclear (~  0,1 %), fusión nuclear (~  1 %) o la aniquilación de parte o la totalidad de la materia en el volumen V por colisiones materia- antimateria (100 %).

Las formas más efectivas de acceder a esta energía, aparte de la antimateria, son la fusión y la fisión . La fusión es el proceso mediante el cual el sol produce energía que estará disponible durante miles de millones de años (en forma de luz solar y calor). Sin embargo, a partir de 2026, la producción sostenida de energía por fusión sigue siendo difícil de alcanzar. La energía proveniente de la fisión en centrales nucleares (que utilizan uranio y torio) estará disponible durante al menos muchas décadas o incluso siglos debido a la abundancia de estos elementos en la Tierra, [ 13 ] aunque todo el potencial de esta fuente solo puede realizarse mediante reactores reproductores , que, aparte de los reactores BN-600 y BN-800 , aún no se utilizan comercialmente. [ 14 ]

reactores de fisión

Los combustibles nucleares suelen tener densidades de energía volumétrica al menos decenas de miles de veces superiores a las de los combustibles químicos. Una pastilla de combustible de uranio de 1 pulgada de altura equivale a aproximadamente 1 tonelada de carbón, 120 galones de petróleo crudo o 17 000 pies cúbicos de gas natural. [ 15 ] En los reactores de agua ligera , 1  kg de uranio natural —tras un enriquecimiento correspondiente y utilizado para la generación de energía— equivale al contenido energético de casi 10 000  kg de petróleo mineral o 14 000  kg de carbón. [ 16 ] En comparación, el carbón , el gas y el petróleo son las fuentes de energía primarias actuales en los EE. UU. [ 17 ] pero tienen una densidad de energía mucho menor.

La densidad de energía térmica contenida en el núcleo de un reactor de agua ligera ( reactor de agua a presión (PWR) o reactor de agua en ebullición (BWR)) de típicamente1  GW (1000  MW eléctricos correspondientes a ≈ 3000  MW térmicos) está en el rango de 10 a 100 MW de energía térmica por metro cúbico de agua de refrigeración dependiendo de la ubicación considerada en el sistema (el núcleo mismo (≈ 30  m 3 ), el recipiente de presión del reactor (≈ 50  m 3 ), o todo el circuito primario (≈ 300  m 3 )). Esto representa una densidad de energía considerable que requiere un flujo continuo de agua a alta velocidad en todo momento para eliminar el calor del núcleo, incluso después de una parada de emergencia del reactor.

La incapacidad para enfriar los núcleos de tres reactores BWR en Fukushima tras el tsunami de 2011 y la consiguiente pérdida de energía eléctrica externa y de una fuente de frío provocaron la fusión de los tres núcleos en tan solo unas horas, a pesar de que los tres reactores se apagaron correctamente justo después del terremoto de Tōhoku . Esta densidad de potencia extremadamente alta distingue a las centrales nucleares de cualquier central térmica (que quema carbón, combustible o gas) o planta química, y explica la gran redundancia necesaria para controlar permanentemente la reactividad de los neutrones y eliminar el calor residual del núcleo de las centrales nucleares.

Aniquilación de antimateria y materia

Debido a que las interacciones materia-antimateria resultan en la conversión completa de la masa en reposo en energía radiante, la densidad energética de esta reacción depende de la densidad de la materia y la antimateria utilizadas. Una estrella de neutrones sería el sistema más denso capaz de aniquilar materia-antimateria. Un agujero negro , aunque más denso que una estrella de neutrones, no tiene una forma de antipartícula equivalente, pero ofrecería la misma tasa de conversión del 100 % de masa a energía en forma de radiación de Hawking . Incluso en el caso de agujeros negros relativamente pequeños (menores que los objetos astronómicos), la potencia de salida sería tremenda.

campos eléctricos y magnéticos

Los campos eléctricos y magnéticos pueden almacenar energía y su densidad se relaciona con la intensidad de los campos dentro de un volumen determinado. Esta densidad de energía (volumétrica) viene dada por tú=ε2mi2+12μB2{\displaystyle u={\frac {\varepsilon }{2}}\mathbf {E} ^{2}+{\frac {1}{2\mu }}\mathbf {B} ^{2}} donde E es el campo eléctrico , B es el campo magnético , y ε y µ son la permitividad y la permeabilidad del entorno, respectivamente. La unidad del SI es el julio por metro cúbico.

En sustancias ideales (lineales y no dispersivas), la densidad de energía es tú=12(mi⋅D+H⋅B){\displaystyle u={\frac {1}{2}}(\mathbf {E} \cdot \mathbf {D} +\mathbf {H} \cdot \mathbf {B} )} donde D es el campo de desplazamiento eléctrico y H es el campo magnetizante . En ausencia de campos magnéticos, mediante el uso de las relaciones de Fröhlich , también es posible extender estas ecuaciones a dieléctricos anisotrópicos y no lineales , así como calcular las densidades de energía libre y entropía de Helmholtz correlacionadas . [ 18 ]

En el contexto de la magnetohidrodinámica , la física de los fluidos conductores, la densidad de energía magnética se comporta como una presión adicional que se suma a la presión del gas de un plasma .

Fuentes pulsadas

Cuando un láser pulsado impacta una superficie, la exposición radiante , es decir, la energía depositada por unidad de superficie, también puede denominarse densidad de energía o fluencia. [ 19 ]

Tabla de densidades de energía de los materiales

Las siguientes conversiones de unidades pueden ser útiles al considerar los datos en las tablas: 3,6 MJ = 1 kW⋅h ≈ 1,34 hp⋅h . Dado que 1 J = 10⁻⁶ MJ y 1 m³ = 10³ L , divida julio / m³ entre 10⁹ para obtener MJ / L = GJ/m³ . Divida MJ/L entre 3,6 para obtener kW⋅h /L.       

Reacciones químicas (oxidación)

A menos que se indique lo contrario, los valores de la siguiente tabla son valores caloríficos inferiores para la combustión perfecta , sin contar la masa o el volumen del oxidante. Cuando se utiliza para producir electricidad en una pila de combustible o para realizar trabajo , es la energía libre de Gibbs de reacción (ΔG ) la que establece el límite superior teórico. Si el H₂O producido es vapor, este valor es generalmente mayor que el calor inferior de combustión, mientras que si el H₂O producido es vapor, este valor es mayor que el calor inferior de combustión, es mayor que el calor inferior de combustión .2 Oes líquido, generalmente es menor que el calor de combustión más alto. Pero en el caso más relevante del hidrógeno, ΔGes 113 MJ/kg si se produce vapor de agua, y 118 MJ/kg si se produce agua líquida, ambos menores que el calor de combustión más bajo (120 MJ/kg). [ 20 ]

Reacciones electroquímicas (baterías)

Formatos de baterías comunes

Reacciones nucleares

En la deformación del material

La capacidad de almacenamiento de energía mecánica, o resiliencia , de un material hookeano cuando se deforma hasta el punto de rotura se puede calcular multiplicando la resistencia a la tracción por la elongación máxima y dividiendo el resultado entre dos. La elongación máxima de un material hookeano se puede calcular dividiendo la rigidez de dicho material entre su resistencia a la tracción máxima. La siguiente tabla muestra estos valores calculados utilizando el módulo de Young como medida de rigidez:

Otros mecanismos de liberación

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Liddle, Andrew R.; Lyth, DH (2000). Inflación cosmológica y estructura a gran escala . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 9780521660228OCLC 41076141​​ 
  • Richard Becker, "Campos electromagnéticos e interacciones", Dover Publications Inc., 1964
  • ^ "Combustibles para aeronaves".Energía, tecnología y medio ambiente. Ed. Attilio Bisio. Vol. 1. Nueva York: John Wiley and Sons, Inc., 1995. 257–259
  • " Combustibles del futuro para automóviles y camiones " – Dr. James J. Eberhardt – Eficiencia energética y energías renovables, Departamento de Energía de EE. UU. – Taller sobre reducción de emisiones de motores diésel (DEER) de 2002, San Diego, California - 25-29 de agosto de 2002
  • "Valores caloríficos de diversos combustibles – Asociación Nuclear Mundial" . www.world-nuclear.org . Consultado el 4 de noviembre de 2018 .