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Densidad de energía

En física , la densidad de energía es el cociente entre la cantidad de energía almacenada en un sistema dado o contenida en una región dada del espacio y el volumen del sistema o región considerados. A menudo se mide solo la energía útil o extraíble. A veces se confunde con la energía almacenada por unidad de masa , que se denomina energía específica o densidad de energía gravimétrica .

Existen diferentes tipos de energía almacenada, correspondientes a un tipo particular de reacción. En orden de magnitud típica de la energía almacenada, ejemplos de reacciones son: nuclear , química (incluida la electroquímica ), eléctrica , presión , deformación de materiales o en campos electromagnéticos . Las reacciones nucleares tienen lugar en estrellas y plantas de energía nuclear, 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 gasolina. Los hidrocarburos líquidos (combustibles como la gasolina, el diésel y el queroseno) son hoy la forma más densa conocida de almacenar y transportar económicamente energía química a gran escala (1 kg de combustible diésel se quema con el oxígeno contenido en ≈15 kg de aire). La quema de combustibles de biomasa local abastece las necesidades energéticas de los hogares ( fuegos para cocinar , lámparas de aceite , etc.) en todo el mundo. Las reacciones electroquímicas son utilizadas por dispositivos como computadoras 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 muchas situaciones, es sinónimo de . Por ejemplo, la densidad de energía de un campo magnético puede expresarse como y se comporta como una presión física. La energía necesaria para comprimir un gas hasta un determinado volumen puede determinarse 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 convirtiendo la energía interna en trabajo hasta que se alcanza el equilibrio.

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

Energía química

Cuando se habla de la energía química contenida, hay diferentes tipos que se pueden cuantificar dependiendo del propósito que se persiga. Uno es la cantidad total teórica de trabajo termodinámico que se puede derivar de un sistema, a una temperatura y presión dadas impuestas por el entorno, llamada exergía . Otra es la cantidad teórica de energía eléctrica que se puede derivar de reactivos que están 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 su 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:

En las referencias se puede encontrar una tabla útil 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 caso del 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, más energía se puede almacenar o transportar para la misma cantidad de volumen. La energía de un combustible por unidad de masa se denomina energía específica .

La figura adyacente muestra la densidad energética 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. 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 entraría localmente en el quemador. Esto explica la densidad energética aparentemente inferior de los materiales que contienen su propio oxidante (como la pólvora y el TNT), en los que la masa del oxidante añade 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 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 propulsar 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 solo el 2% de la autonomía de su contraparte de gasolina. Si sacrificar la autonomía no es deseable, es necesario un volumen de almacenamiento mucho mayor. Se discuten opciones alternativas para el almacenamiento de energía para aumentar la densidad energética y disminuir el tiempo de carga, como los supercondensadores . [9] [10] [11] [12]

Ningún método de almacenamiento de energía ofrece lo mejor en potencia específica , energía específica y densidad energética. 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.

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 de energía (producción neta por insumo) o de la energía incorporada (los costos de producción de energía para proporcionarla, ya que la recolección , el refinado , la distribución y el manejo de la contaminación consumen 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 .

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 masa por unidad de volumen, V es el volumen de la masa misma. Esta energía puede liberarse mediante los procesos de fisión nuclear (~0,1%), fusión nuclear (~1%) o la aniquilación de parte o toda la materia en el volumen V mediante colisiones materia- antimateria (100%). [ cita requerida ]

Las formas más eficaces de acceder a esta energía, aparte de la antimateria, son la fusión y la fisión . La fusión es el proceso por 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 2024, la producción sostenida de energía de fusión sigue siendo difícil de alcanzar. La energía de fisión en las centrales nucleares (que utilizan uranio y torio) estará disponible durante al menos muchas décadas o incluso siglos debido al abundante suministro de los elementos en la Tierra, [13] aunque el potencial completo de esta fuente solo se puede alcanzar a través de reactores reproductores , que, aparte del reactor BN-600 , aún no se utilizan comercialmente. [14]

Reactores de fisión

Los combustibles nucleares suelen tener densidades energéticas volumétricas al menos decenas de miles de veces superiores a las de los combustibles químicos. Una pastilla de combustible de uranio de 1 pulgada de alto 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 (después de 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] Comparativamente, el carbón , el gas y el petróleo son las principales fuentes de energía actuales en los EE. UU. [17], pero tienen una densidad energética 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 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 m 3 ), la vasija de presión del reactor (≈50 m 3 ), o todo el circuito primario (≈300 m 3 )). Esto representa una densidad considerable de energía que requiere un flujo de agua continuo a alta velocidad en todo momento para eliminar el calor del núcleo, incluso después de una parada de emergencia del reactor.

La incapacidad de enfriar los núcleos de los tres reactores de agua de reacción en caliente de Fukushima tras el tsunami de 2011 y la consiguiente pérdida de energía eléctrica externa y de fuente de frío provocaron la fusión de los tres núcleos en apenas unas horas, a pesar de que los tres reactores se habían apagado correctamente justo después del terremoto de Tōhoku . Esta altísima densidad de potencia distingue a las centrales nucleares de cualquier central térmica (que queme 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 el calor residual del núcleo de las centrales nucleares.

Aniquilación de antimateria

Debido a que las interacciones antimateria-materia resultan en una conversión completa de la masa en reposo a energía radiante, la densidad de energía de esta reacción depende de la densidad de la materia y la antimateria utilizadas. Una estrella de neutrones se aproximaría al sistema más denso capaz de aniquilación de 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 (más pequeños 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) está dada por

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 solución será (en unidades del SI) en julios por metro cúbico.

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

donde D es el campo de desplazamiento eléctrico y H es el campo de magnetización . 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 la energía libre de Helmholtz y las densidades de entropía 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 energéticas de materiales

Las siguientes conversiones de unidades pueden ser 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 m 3 = 10 3 L, divida joule / m 3 por 10 9 para obtener MJ / L = GJ/m 3 . Divida MJ/L por 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 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 libre de Gibbs de reacción (Δ G ) la que establece el límite superior teórico. Si el H 2 O producido es vapor, este es generalmente mayor que el calor de combustión inferior, mientras que si el H
2El O es líquido, por lo general es menor que el calor de combustión más alto. Pero en el caso más relevante del hidrógeno, Δ G 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 de combustión más bajo (120 MJ/kg). [20]

Reacciones electroquímicas (baterías)

Formatos de batería comunes

Reacciones nucleares

En la deformación del material

La capacidad de almacenamiento de energía mecánica, o resiliencia , de un material hookiano cuando se deforma hasta el punto de falla se puede calcular calculando la resistencia a la tracción por la elongación máxima dividida por dos. La elongación máxima de un material hookiano se puede calcular dividiendo la rigidez de ese material por su resistencia máxima a la tracción. La siguiente tabla enumera estos valores calculados utilizando el módulo de Young como medida de rigidez:

Otros mecanismos de liberación

Véase también

Notas al pie

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