Densitate de energie
Unelte
General
Tipărire/exportare
În alte proiecte
Acest articol a fost tradus cu ajutorul unei unelte de traducere automată, de aceea calitatea lui este foarte joasă.. Puteți contribui la dezvoltarea și îmbunătățirea articolului apăsând butonul „modificare”! Fragmentul inserat (sau întreaga pagină) va fi șters dacă în termen de 7 zile nu se înregistrează progrese notabile în procesul de redactare. Pagina a fost modificată ultima oară de către InternetArchiveBot (Contribuții • Jurnal) acum 2 zile. |
Densitate de energie | |
Unitate SI | J/m3 |
---|---|
Alte unități | J/L, W⋅h/L |
În unități SI fundamentale | m−1⋅kg⋅s−2 |
Dimensiune SI | \mathsf{L}^{-1} \mathsf{M} \mathsf{T}^{-2} ![]() |
Mărimi derivate din alte mărimi | U = E/V |
În fizică densitatea de energie reprezintă cantitatea de energie stocată într-un 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.
O varietate de tipuri de energie pot fi stocate în materiale, iar eliberarea fiecărui tip necesită un anumit tip de reacție chimică sau fizică. Clasificate în ordinea mărimii energiei eliberate în mod tipic, aceste tipuri de 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 sunt utilizate de organisme pentru a obține energie din alimente și de automobile pentru a propulsa vehiculele cu benzină. 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 sunt aflate la baza funcționării majorității dispozitivelor mobile precum laptopurile și telefoanele mobile, eliberând energie din baterii. Electrice: Energia electrică poate fi stocată în condensatoare sau baterii, dar nu este un tip distinct de energie, ci mai degrabă o modalitate de a transporta și utiliza alte forme de energie.
Există mai multe tipuri de conținut energetic, fiecare cu propriile caracteristici și aplicații.
Puterea calorifică se clasifică în două categorii:
Pentru o consultare rapidă a valorilor Hs și Hi ale diverșilor combustibili, se recomandă consultarea tabelelor.[2]
În domeniul stocării energiei, densitatea de energie se referă la cantitatea de energie stocată pe unitatea de volum a 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 un volum dat. Având în vedere densitatea de energie ridicată a benzinei, explorarea alternativelor pentru stocarea energiei necesare alimentării automobilelor, precum hidrogenul sau bateriile, este semnificativ limitată de densitatea de energie a acestor medii alternative. De exemplu, aceeași masă de stocare cu ioni de litiu ar rezulta într-o mașină electrică cu doar 2% din autonomia unui vehicul similar pe benzină.
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 [[principiul al doilea al termodinamicii |principiului al doilea al termodinamicii, energia consumată va fi întotdeauna mai mare decât energia cinetică obținută.
Densitatea de energie se diferențiază de eficiența conversiei energiei (producția netă de energie 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.
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 109 pentru a obține MJ/L = GJ/m3. Se împarte MJ/L la 3,6 pentru a obține kW⋅h /L.
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]
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 ≈ 7007248211262554061♠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%.[3] |
Siliciu | 32.6 | 75.9 | 9,056 | 21,080 | A se vedea Tabelul 1 [21] |
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) | [22][23] |
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 | [24] |
Cărbune, bitum | 24–35 | 26–49 | 6,666.7–9,722.2 | 7,222.2–13,611.1 | [3] |
PET (impur) | 23.5[25] | < ~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 | [26] | ||
Turbă - cărbune | 17.7 | 4,916.7 | [27] | ||
Zaharuri, carbohidrați și proteine | 17 | 26.2 (glucoză) | 4,722.2 | 7,277.8 | Metabolismul în corpul omenesc (22% eficiență)[28][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[29] | 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[30] |
Sodiu | 9.1 | 8.8 | 2,527.8 | 2,444.5 | ars la oxid de sodiu uscat |
Acumulator litiu-aer | 9.0[31] | 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)[32] |
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)[32] |
Praf de pușcă | 4.7–11.3[33] | 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 |
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[34] | 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[35] | 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[35] | 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[36] | 1,539,842,000 | 22,394,000,000 | Căldura produsă în reactorul de regenerare | |
Toriu | 79,420,000[36] | 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. |
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[37] |
Siliciu (schimbare de fază) | 1.790 | 4.5 | 500 | 1,285 | Energie stocată prin schimbarea de fază solidă în lichid a siliciului[38] |
Hidrat de bromură de stronțiu | 0.814 [39] | 1.93 | 628 | Energia termică a schimbării de fază la 88,6 °C (361,8 K) | |
Azot lichid | 0.77[40] | 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[43] | 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[44] | 1,200[44] | Descărcare electrică controlată |
Volantă | 0.36–0.5 | 5.3 | Energie cinetică | ||
Baterie alcalină | 0.48[45] | 1.3[46] | Descărcare electrică controlată | ||
Baterie de nichel-hidrură metalică | 0.41[47] | 0.504–1.46[47] | Descărcare electrică controlată | ||
Acumulator cu plumb | 0.17 | 0.56 | 47.2 | 156 | Descărcare electrică controlată |
Supercondensator (EDLC) | 0.01–0.030[48][49][50][51][52][53][54] | 0.006–0.06[48][49][50][51][52][53] | up to 8.57[54] | 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%.[55][56] |
Condensator electrolitic | 0.00001–0.0002[57] | 0.00001–0.001[57][58][59] | Descărcare electrică controlată |
Capacitatea unui material Hookean de a stoca energie mecanică sau rezistența sa la rupere poate fi determinată prin următoarele formule:
E = (Rezistența la tracțiune * Alungire maximă) / 2
ΔL = Rigiditate / Rezistență la tracțiune maximă
Tabelul de mai jos prezintă valorile calculate ale energiei stocate, folosind modulul Young ca măsură a rigidității:
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[60] | 2,200–8,900[60] | 1.35[60] | ||
Oțel, ASTM A228 (randament, diametru de 1 mm) | 1,440–1,770 | 11,200–13,800 | 7.80[61] | 210[61] | 2,170–2,410[61] |
Acetali | 908 | 754 | 0.831[62] | 2.8[63] | 65 (finală)[63] |
Nailon-6 | 233–1,870 | 253–2,030 | 1.084 | 2–4[63] | 45–90 (finală)[63] |
Beriliu de cupru 25-1/2 HT (randament) | 684 | 5,720[64] | 8.36[65] | 131[64] | 1,224[64] |
Policarbonați | 433–615 | 520–740 | 1.2[66] | 2.6[63] | 52–62 (finală)[63] |
Materiale plastice ABS | 241–534 | 258–571 | 1.07 | 1.4–3.1[63] | 40 (finală)[63] |
Acrilic | 1,530 | 3.2[63] | 70 (finală)[63] | ||
Aluminiu 7077-T8 (randament) | 399 | 1,120[64] | 2.81[67] | 71.0[64] | 400[64] |
Oțel, inoxidabil, 301-H (randament) | 301 | 2,410[64] | 8.0[68] | 193[64] | 965[64] |
Aluminiu 6061-T6 (randament la 24 °C) | 205 | 553 | 2.70[69] | 68.9[69] | 276[69] |
Rășini epoxidice | 113–1,810 | 2–3[63] | 26–85 (finală)[63] | ||
Lemn de brad Douglas | 158–200 | 96 | .481–.609[70] | 13[63] | 50 (compresie)[63] |
Oțel, ușor AISI 1018 | 42.4 | 334 | 7.87[71] | 205[71] | 370 (440 finală)[71] |
Aluminiu (fără aliaje) | 32.5 | 87.7 | 2.70[72] | 69[63] | 110 (finală)[63] |
Pin | 31.8–32.8 | 11.1–11.5 | .350[73] | 8.30–8.56 (flexiune)[73] | 41.4 (flexiune)[73] |
Alamă | 28.6–36.5 | 250–306 | 8.4–8.73[74] | 102–125[63] | 250 (finală)[63] |
Cupru | 23.1 | 207 | 8.93[74] | 117[63] | 220 (finală)[63] |
Sticlă | 5.56–10.0 | 13.9–25.0 | 2.5[75] | 50–90[63] | 50 (compresie)[63] |
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 [76] | 9.360 | 2.6 | Electrochimic | 24 | 14,2 × 50 | 7,92 | 1.18 | 0,39 |
Baterie alcalină C [76] | 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 [77] | 18 × 65 | 16.54 | 1,74–2,83 | 0,59–1,06 |
Materia ascunde cea mai vastă sursă de energie: energia sa intrinsecă, descrisă de celebra ecuație a 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:
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:
Surse de energie actuale:
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.[78][79][80]
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 semnificativ, 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.
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 suplimentară care 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.[81]
Atunci când un laser pulsat lovește o suprafață, energia depusă pe unitatea de suprafață se numește densitate de energie sau fluență.[82]