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Densidad de energía

En física , la densidad de energía es la cantidad de energía almacenada en un sistema o región del espacio determinado por unidad de volumen . A menudo sólo se mide la energía útil o extraíble. A veces se confunde con la energía almacenada por unidad de masa , lo 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 centrales nucleares, y ambas obtienen energía de la energía de unión 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 gasolina, diésel y queroseno) son hoy la forma más densa que se conoce para almacenar y transportar económicamente energía química a gran escala (1 kg de diésel se quema con el oxígeno contenido en ≈15 kg de aire). 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. Dispositivos como ordenadores portátiles y teléfonos móviles utilizan reacciones electroquímicas 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 . Por ejemplo, la densidad de energía de un campo magnético puede expresarse y comportarse como una presión física. 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.

En contextos cosmológicos y otros de la relatividad general , las densidades de energía consideradas se relacionan con los elementos del tensor de energía de tensión 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 energía química contenida, existen diferentes tipos que pueden cuantificarse en función del fin previsto. 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 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:

En las referencias se puede encontrar una tabla conveniente 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]

Para el almacenamiento de energía , la densidad de energía 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 podrá almacenarse o transportarse para la misma cantidad de volumen. La energía de un combustible por unidad de masa se llama energía específica .

La figura adyacente muestra la densidad de energía gravimétrica y volumétrica de algunos combustibles y tecnologías de almacenamiento (modificada del artículo Gasolina ). Es posible que algunos valores no sean precisos debido a isómeros u otras irregularidades. Los valores caloríficos del combustible describen de forma más completa sus energías específicas.

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.

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 el alcance no es deseable, se necesita mucho más volumen de almacenamiento. 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 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.

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 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 .

Energía nuclear

La mayor fuente de energía, con diferencia, es la materia misma, según la equivalencia masa-energía . Esta energía se describe por E = mc 2 , 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 procesos de fisión nuclear (~0,1%), fusión nuclear (~1%) o la aniquilación de parte o toda la materia en el volumen V por colisiones materia- antimateria (100%). [ cita necesaria ]

Las formas más efectivas de acceder a esta energía, además 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 2024, la producción sostenida de energía de fusión sigue siendo difícil de alcanzar. La energía procedente de la fisión en las centrales nucleares (que utilizan uranio y torio) estará disponible durante al menos muchas décadas o incluso siglos debido a la abundante oferta de elementos en la Tierra, [13] aunque el pleno potencial de esta fuente sólo podrá realizarse 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 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 alto equivale aproximadamente a 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 el correspondiente enriquecimiento y utilizado para la generación de energía – equivale al contenido energético de casi 10.000 kg de aceite mineral o 14.000 kg de carbón. [16] Comparativamente, el carbón , el gas y el petróleo son las fuentes de energía primarias 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 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 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 de enfriar los núcleos de tres BWR en Fukushima después del tsunami de 2011 y la consiguiente pérdida de energía eléctrica externa y de fuente de frío provocaron la fusión de los tres núcleos en sólo unas pocas horas, a pesar de que los tres reactores se apagaron correctamente poco después. el terremoto de Tohoku . 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 el calor residual del núcleo. de las centrales nucleares.

aniquilación de antimateria

Debido a que las interacciones antimateria-materia dan como resultado 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 aniquilar materia y 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 en energía en forma de radiación de Hawking . Incluso en el caso de agujeros negros relativamente pequeños (más pequeños que los objetos astronómicos), la producción de energía sería enorme.

Campos eléctricos y magnéticos.

Los campos eléctricos y magnéticos pueden almacenar energía y su densidad se relaciona con la fuerza 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 permeabilidad del entorno respectivamente. La solución será (en unidades SI) en julios por metro cúbico.

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

donde D es el campo de desplazamiento eléctrico y H es el campo magnetizante . En el caso de ausencia de campos magnéticos, aprovechando 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 . [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 sobre 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 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 m 3 = 10 3 L, divida julios / 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 ni el volumen del comburente. Cuando se utiliza para producir electricidad en una pila de combustible o para realizar trabajo , es la energía libre de reacción de Gibbs (Δ G ) la que establece el límite superior teórico. Si el H 2 O producido es vapor, este generalmente es mayor que el calor inferior de combustión, mientras que si el H 2 O producido es vapor, este es generalmente mayor que el calor inferior de combustión, mientras que si el H 2 O producido es
2El O es líquido, generalmente es menor que el calor de combustión superior. 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 inferior de combustión (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 de Hooke cuando se deforma hasta el punto de falla se puede calcular calculando la resistencia a la tracción multiplicada por el alargamiento máximo dividido por dos. El alargamiento máximo de un material Hookeano se puede calcular dividiendo la rigidez de ese material por su resistencia última a la tracción. La siguiente tabla enumera estos valores calculados utilizando el módulo de Young como medida de rigidez:

Otros mecanismos de liberación

Ver también

Notas a pie de página

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