Densidad de energia

En física, densidad de energía o volumic energy es la cantidad de energía almacenada en un sistema determinado o región del espacio por volumen de unidad. A veces se confunde con energía por unidad de masa que se llama apropiadamente energía en masa o densidad de energía gravimétrica.

A menudo sólo se mide la energía útil o extraíble, es decir, que se ignora la energía inaccesible (como la energía de la masa en reposo). Sin embargo, en contextos cosmológicos y otros contextos relativistas generales, las densidades de energía consideradas son aquellas que corresponden a los elementos del tensor de energía de tensión y, por lo tanto, incluyen energía de masa así como densidades de energía asociadas con la presión.

La energía por unidad de volumen tiene las mismas unidades físicas que la presión y en muchas situaciones es sinónimo. Por ejemplo, la densidad de energía de un campo magnético puede expresarse y comportarse como una presión física. Asimismo, la energía necesaria para comprimir un gas hasta un cierto volumen se puede determinar 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 en los alrededores al convertir la energía interna en trabajo hasta que se alcanza el equilibrio.

Descripción general

Hay diferentes tipos de energía almacenada en los materiales y se necesita un tipo particular de reacción para liberar cada tipo de energía. En orden de magnitud típica de la energía liberada, estos tipos de reacciones son: nuclear, química, electroquímica y eléctrica.

Las reacciones nucleares tienen lugar en estrellas y plantas de energía nuclear, y ambas obtienen energía de la energía de unión de los núcleos. Los organismos utilizan reacciones químicas para obtener energía de los alimentos y los automóviles para obtener energía de la gasolina. Los hidrocarburos líquidos (combustibles como gasolina, diesel y queroseno) son hoy la forma más densa que se conoce para almacenar y transportar económicamente energía química a gran escala (1 kg de diesel se quema con el oxígeno contenido en ≈15 kg de aire). La mayoría de los dispositivos móviles, como ordenadores portátiles y teléfonos móviles, utilizan reacciones electroquímicas para liberar energía de las baterías.

Tipos de contenido energético

Hay varios tipos diferentes de contenido energético. Uno es la cantidad total teórica de trabajo termodinámico que se puede derivar de un sistema, a una temperatura y presión determinadas impuestas por el entorno. Esto se llama exergía. Otra es la cantidad teórica de energía eléctrica que se puede derivar de reactivos que se encuentran a temperatura ambiente y presión atmosférica. Esto viene dado por el cambio en la energía libre de Gibbs estándar. Pero como fuente de calor o para uso en un motor térmico, la cantidad relevante es el cambio en la entalpía estándar o el calor de combustión.

Hay dos tipos de calor de combustión:

• El valor más alto (HHV), o calor bruto de combustión, incluye todo el calor liberado como los productos frescos a temperatura ambiente y cualquier vapor de agua está presente condensa.
• El valor inferior (LHV), o el calor neto de la combustión, no incluye el calor que podría ser liberado por condensar vapor de agua, y puede no incluir el calor liberado en el enfriamiento todo el camino hasta la temperatura ambiente.

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

En almacenamiento de energía y combustibles

En aplicaciones de almacenamiento de energía, la densidad de energía relaciona la energía en un almacén de energía con el volumen de la instalación de almacenamiento, p.e. el tanque de combustible. Cuanto mayor sea la densidad energética del combustible, más energía podrá almacenarse o transportarse para la misma cantidad de volumen. Dada la alta densidad energética de la gasolina, la exploración de medios alternativos para almacenar la energía necesaria para impulsar un automóvil, como el hidrógeno o la batería, está 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 sólo el 2% de autonomía que su homólogo de gasolina. Si sacrificar la autonomía no es deseable, se hace necesario llevar mucho más combustible.

La densidad de energía de un combustible por unidad de masa se llama energía específica de ese combustible. En general, un motor que utiliza ese combustible 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 de energía difiere de la eficiencia de conversión de energía (producción neta por insumo) o de la energía incorporada (los costos de producción de energía para proporcionar, como cosechar, refinar, distribuir y lidiar con la contaminación, todos usan energía). El uso intensivo de energía a gran escala impacta y se ve afectado por el clima, el almacenamiento de desechos y las consecuencias ambientales.

Ningún método de almacenamiento de energía ofrece lo mejor en potencia específica, energía específica y densidad de energía. La ley de Peukert describe cómo la cantidad de energía útil que se puede obtener (para una celda de plomo-ácido) depende de la rapidez con la que se extrae.

Se analizan opciones alternativas para el almacenamiento de energía para aumentar la densidad de energía y disminuir el tiempo de carga.

La figura anterior muestra la densidad de energía gravimétrica y volumétrica de algunos combustibles y tecnologías de almacenamiento (modificada del artículo Gasolina).

Algunos valores pueden no ser precisos debido a isómeros u otras irregularidades. Consulte Valor calorífico para obtener una tabla completa de energías específicas de combustibles importantes.

Generalmente 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 donde en la práctica el aire sólo entraría localmente al quemador. Esto explica la densidad de energía aparentemente menor de los materiales que contienen su propio oxidante (como la pólvora y el TNT), donde la masa del oxidante en efecto agrega peso y absorbe parte de la energía de la combustión para disociarse y liberar oxígeno para continuar la reacción. . Esto también explica algunas anomalías aparentes, como que la densidad de energía de un sándwich parece ser mayor que la de una barra de dinamita.

Lista de densidades de energía material

Las siguientes conversiones de unidades pueden resultar útiles al considerar los datos de 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 julios/m³ por 10⁹ para obtener MJ/L = GJ/m³. Divida MJ/L por 3,6 para obtener kW⋅h/L.

En reacciones químicas (oxidación)

A menos que se indique lo contrario, los valores en la siguiente tabla son valores caloríficos más bajos para una 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 de reacción libre de Gibbs (ΔG) la que establece el límite superior teórico. Si el H2O producido es vapor, este generalmente es mayor que el calor inferior de combustión, mientras que si el H
₂O es líquido, generalmente es menor que el calor superior de combustión. Pero en el caso más relevante del hidrógeno, ΔG es 113 MJ/kg si se produce vapor de agua, y 118 MJ/kg si se produce agua líquida, siendo ambos menores que el calor inferior de combustión ( 120 MJ/kg).

En reacciones nucleares

Otros mecanismos de liberación

Deformación material

La capacidad de almacenamiento de energía mecánica, o la resiliencia, de un material Hookeano cuando se deforma al punto de fracaso puede ser calculada calculando tiempos de fuerza de tracción la elongación máxima dividida por dos. La elongación máxima de un material Hookeano puede ser calculada por la rigidez divisoria de ese material por su fuerza de tracción definitiva. Las tablas siguientes enumeran estos valores calculados utilizando el módulo de Young como medida de rigidez:

En baterías

Fuentes de energía nuclear

La mayor fuente de energía, con diferencia, es la materia misma. Esta energía, E = mc², donde m = ρV, ρ es la masa por unidad de volumen, V es el volumen de la masa misma y c es la velocidad de la luz. Esta energía, sin embargo, sólo puede liberarse mediante procesos de fisión nuclear (0,1%), fusión nuclear (1%) o la aniquilación de parte o de la totalidad de la materia en el volumen V por materia. -colisiones de antimateria (100%). Las reacciones nucleares no pueden realizarse mediante reacciones químicas como la combustión. Aunque se pueden lograr mayores densidades de materia, la densidad de una estrella de neutrones se aproximaría al sistema más denso capaz de aniquilar materia-antimateria posible. 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 en energía en forma de radiación de Hawking. En el caso de agujeros negros relativamente pequeños (más pequeños que los objetos astronómicos), la producción de energía sería enorme.

Las fuentes de energía de mayor densidad, aparte de la antimateria, son la fusión y la fisión. La fusión incluye energía del sol que estará disponible durante miles de millones de años (en forma de luz solar), pero hasta ahora (2021) la producción sostenida de energía de fusión sigue siendo difícil de alcanzar.

La energía procedente de la fisión del uranio y el torio en las centrales nucleares estará disponible durante muchas décadas o incluso siglos debido al abundante suministro de elementos en la Tierra, aunque el pleno potencial de esta fuente sólo puede realizarse a través de reactores reproductores, que Aparte del reactor BN-600, todavía no se utilizan comercialmente. El carbón, el gas y el petróleo son las fuentes de energía primarias actuales en los EE. UU., pero tienen una densidad energética mucho menor. La quema de combustibles de biomasa local satisface las necesidades energéticas de los hogares (fogones para cocinar, lámparas de aceite, etc.) en todo el mundo.

Energía térmica de los reactores de fisión nuclear

La densidad de energía térmica contenida en el núcleo de un reactor de agua ligera (PWR o BWR) de típicamente 1 GWe (1.000 MW eléctricos correspondientes a ≈3.000 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 propio núcleo (≈30 m³), la vasija de presión del reactor (≈50 m³), o todo el circuito primario (≈300 m³)). Esto representa una densidad de energía considerable que requiere en cualquier circunstancia un flujo continuo de agua a alta velocidad para poder eliminar el calor del núcleo, incluso después de una parada de emergencia del reactor. La incapacidad de enfriar los núcleos de tres reactores de agua en ebullición (BWR) en Fukushima en 2011 tras el tsunami y la consiguiente pérdida de energía eléctrica externa y de la fuente de frío fue la causa de la fusión de los tres núcleos en sólo unas horas. , a pesar de que los tres reactores se cerraron 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 de cualquier planta química y explica la gran redundancia necesaria para controlar permanentemente la reactividad de los neutrones y eliminar los residuos. calor del núcleo de las centrales nucleares.

Densidad de energía de los campos eléctricos y magnéticos

Los campos eléctricos y magnéticos almacenan energía. La densidad de energía (volumétrica) viene dada por

u=ε ε 2E2+12μ μ B2{displaystyle u={frac {varepsilon } {2}mathbf [E] ^{2}+{2}{2mu # Mathbf {B}

donde E es el campo eléctrico, B es el campo magnético, y ε y μ son la permitividad y permeabilidad del entorno respectivamente. La solución será (en unidades SI) en julios por metro cúbico. 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.

En sustancias ideales (lineales y no dispersivas), la densidad de energía (en unidades SI) es

u=12()E⋅ ⋅ D+H⋅ ⋅ B){displaystyle u={frac {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 el caso de ausencia de campos magnéticos, al explotar las relaciones de Fröhlich también es posible extender estas ecuaciones a dieléctricos anisotrópicos y no lineales, así como calcular las densidades de entropía y energía libre de Helmholtz correlacionadas.

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