Paso 7: Problema dos: los detalles (parte 3 - (in) eficiencia!)
Con la chaqueta y la tapa de vidrio, agua va a venir a hervir todo unos 20 minutos. Cuando se llena con alcohol isopropílico, la lámpara dentro del Samovar espíritu permanecerá encendida por aproximadamente una hora y 20 minutos. Esto es suficiente para tres tazas de té. Suena razonable para mí. ¿Pero es respetuoso del medio ambiente?
Para averiguar, volví a mi texto de química para un repaso en entalpia y calor. La ecuación es bastante sencilla:
La energía necesaria para cambiar el agua de un líquido a un gas es igual a los gramos de agua, a veces el cambio de temperatura en grados Celsius, veces la capacidad calorífica del agua (4.186 J/g º C). Divida el resultado por 1000 para obtener kilojulios. Añadir la energía necesaria para vaporizar el agua, que es de gramos de agua debe vaporizarse veces la entalpía de vaporización (2260 kJ/kG), et voilà! Por lo tanto:
100 gramos * (100 ° C - 20 ° C) * 4.186 J/g º C = 33488 J = 33.48kJ
100 g de H2O *(2260 J/g)/1000 = 226 kJ
33.48kJ + 226 kJ = 259.048 kJ
Especie de. El problema es que cuando los libros chem hablan sobre esto (y me llevó un rato - vergonzosamente - para resolver esto) hablan todo el agua de vaporización. Mientras una cosa interesante que hacer, convirtiendo toda el agua en la olla a vapor no ayudará con cualquier cosa excepto claro nuestros senos. Lo que tenemos que hacer es evaporar una cantidad específica de agua y medir la cantidad de energía que tuvo. Aquí fue mi enfoque:
- Me mide 20 ml de metanol en la lámpara.
- Medido a 100 ml (100g) de agua destilada en el recipiente
- Quema todo el combustible con la bandeja de agua en el samovar (tapa).
- Medí la cantidad de agua seguía siendo.
- Luego le enchufamos esa cantidad en la entalpía de la ecuación de la vaporización.
He utilizado metanol porque las cifras de densidad de energía de metanol son bastante fáciles de venir por online. Hierve a 24 ml de agua en mi experimento, que es igual a 24g de agua; También se calienta todo de 100g de agua a aproximadamente 100 ° C. conectar estos valores las ecuaciones anteriores, obtenemos:
(100*(100-20)*4.1855/1000) + (24*(2260/1000)) = 87.33 kJ
Entonces encontré un valor por la cantidad de energía que uno podría esperar de la quema metanol (http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density). Multiplique esto por el número de gramos de combustible. Con una densidad de.79 g/cc, tuve 15,01 gramos de combustible (metanol marca Heet que he utilizado es metanol al 95%, por MSDS). El sitio anterior muestra el valor del combustible en aproximadamente 19.7 MJ/kg o 19,7 kJ/g, lo que significa que mi lámpara sostenía 295.7 kJ de energía - aproximadamente. Dividí la cantidad de energía que realmente transmitido a la bandeja (como se indica por la cantidad de hierve el agua) por la energía máxima que se podría esperar de la cantidad de combustible que utiliza.
87.33 kJ / 295.7 kJ =.295
Esto significaba que mi samovar funcionaba aproximadamente 29.5% eficiencia. Voy a suponer que la eficiencia del samovar será aproximadamente el mismo al utilizar alcohol isopropílico, que es un combustible más energía-denso (que sabía?). En mi prueba de alcohol isopropílico, hierve a 34 ml de agua. Utilizando el mismo cálculo anterior, el resultado es 109.94 kJ a hervir la cantidad de líquido. Porque ahora sé que la eficacia de samovar, puedo dividir la energía necesitada por la eficiencia y llegar al valor total de la energía de los 20 ml de alcohol isopropílico al 91%: 109.94 kJ/.295=372.68 kJ. Esta cantidad dividida por la masa de combustible:
20 ml * 91 = 18,2 ml. 18,2 ml * combustible densidad de.786 g / ml = 14,3 g de combustible (omití el 9% H2O, que no es combustible aquí)
nos da la densidad de energía para el alcohol isopropílico:
372.68 kJ / g 14.3 = 26.06 kJ/g
¿Cómo se compara esto a un microondas? ¿Qué es la huella de carbono? He encontrado un interesante artículo en Treehugger que en comparación con agua hervida en el microondas y hervidor de agua con un medidor de Kill a Watt (Pablo pregunta: hervidor de agua eléctrico, estufa u horno de microondas?). El autor encontró que el microondas fue 47% eficiente en convertir energía eléctrica en calor (alerta de spoiler: el microondas batir la estufa, pero fue derrotado por el hervidor de agua). No tener un Kill a Watt, no puedo estimar la eficiencia de la misma manera, pero yo puedo estimar la huella de carbono. Hice mi test basado en el método siguiente:
Me mide 100g H2O destilada en una medición de taza y tiempo cuánto tiempo tomó para hervir apagado 34 ml (34g) de agua. Encontré el vataje nominal de mi microondas (1100W), y luego utilizando el cálculo de carbono EPA (920,8 gramos de CO2/kWh) para los Estados donde la electricidad es generada con carbón (como mina), calcula la cantidad de carbono fue liberado de mi agua de la calefacción. Con el horno de microondas funcionando durante 165 segundos, señala 50.14W. 920,8 g CO2/kWh, significa 46,42 g de CO2 generado.
Pero, ¿cuánto fue generado por mi samovar? Química más!
La fórmula para el alcohol isopropílico es C3H7OH. La ecuación química para la combustión del combustible es:
2 C3H7OH (l) + O2 9 (g)---> 6 CO2 (g) + 8 H2O (g)
Esto significa que por cada 2 mol de C3H7OH, generamos 6 mol de CO2, que es una relación de 1:3
Tengo 91% C3H7OH, que significa que los 20 ml contiene 18,2 ml de C3H7OH o 14,31 g C3H7OH, que en una masa molar de 60,10 g, nos da 0.238 mol de C3H7OH. El CO2 generado será tres veces tantos moles y la masa molar del CO2 es 44g. Esto significa que mi samovar generado 31,42 g CO2 para hervir la misma cantidad de agua. ¡ Tenemos un ganador!
Que es en realidad algo triste. Si un samovar montado de chatarra, funcionamiento en 29.5% de eficiencia, gana un microondas de 1100 vatios, funcionando en la eficacia del 47%, tirando electricidad de un generador de carbón varios millones de dólares, en su huella de carbono de prorrata respectivos, definitivamente hay una necesidad de un cambio de plan. Tal vez no tanto con el carbón y no tanto con la generación de energía centralizada.
Nota rápida: metanol y Alcohol isopropílico
De lo anterior, se puede ver que el metanol es un combustible denso de mucho menos energía. También es muy tóxico. Alcohol isopropílico, sin embargo, tiende a generar una gran cantidad de hollín cuando se quema, como se puede ver en la capa rica, lujosa en la unidad superior y samovar de linterna. Alcohol etílico (potable) o alcohol desnaturalizado (ethyl con una pequeña cantidad de metanol para hacerla potable) tienden a ser un compromiso razonable, y mejor energy density de metanol, una quemadura más limpia que el alcohol isopropílico. También he visto algunas pruebas anecdóticas en línea de personas mezcla de metanol y alcohol isopropílico para mitigar los problemas de hollín y densidad de energía. No he probado estas opciones, por lo que no puedo comentar sobre ellos que decir «están ahí.» Si no les han probado, me encantaría conocer aunque!
