Jaka jest podstawowa jednostka energii? Jak są powiązane praca, ciepło i energia?
Jednostką energii w układzie SI jest dżul, oznaczenie J, nazwany na cześć brytyjskiego fizyka Jamesa Joule'a. 1J=1N·m=1W·s=1kg·m²/s² (praca wykonywana przez siłę 1 niutona przy przesunięciu ciała o 1 metr, lub energia uwalniana przez moc 1 wata w ciągu 1 sekundy). Praca, ciepło i energia są w istocie tą samą wielkością fizyczną, po prostu manifestują się inaczej w różnych scenariuszach: w mechanice jest to praca (W=Fs), w elektryczności – energia elektryczna (W=Pt=UIt), w termodynamice – ciepło (Q=cmΔT), w dietetyce – kalorie, wszystkie mierzone w dżulach lub kaloriach.
Ile dżuli jest w 1 kWh energii elektrycznej? Ile dużych kalorii?
1 kWh=1 kilowatogodzina=1000W×3600s=3,600,000J=3600kJ≈860 kcal(dużych kalorii). Jest to najczęściej używana zależność do obliczania rachunków za prąd i pomiarów energii elektrycznej. 1 kWh energii elektrycznej może sprawić, że klimatyzator o mocy 1 konia mechanicznego będzie pracował około 1 godziny, lampa LED 10W będzie świecić 100 godzin, naładuje telefon około 80 razy, samochód elektryczny przejedzie około 5~8 km. Wartość opałowa 1 kWh≈860kcal, do podgrzania 1 litra wody z 20°C do 100°C w elektrycznym podgrzewaczu wody potrzeba 80kcal≈0.093kWh.
Jak są powiązane kaloria cal, kilokaloria kcal i duża kaloria? Która z nich jest podana na opakowaniach produktów?
1 cal (mała kaloria/kaloria)=ciepło potrzebne do podgrzania 1 grama wody o 1°C≈4.184J; 1 kcal (kilokaloria)=1000cal=4184J=4.184kJ=1 duża kaloria. «Calories» (duża C) na etykietach produktów spożywczych to w rzeczywistości zawsze kcal duże kalorie: podstawowa przemiana materii dorosłej kobiety około 1200~1400 dużych kalorii/dzień, mężczyzny 1500~1800 dużych kalorii/dzień; talerz ryżu około 200 dużych kalorii, jedno jajko około 70 dużych kalorii, bieganie przez 1 godzinę spala około 500~700 dużych kalorii. «Calories 250» na opakowaniu produktu to 250 dużych kalorii=250kcal, a nie 250 małych kalorii!
Jak przeliczać kilodżule kJ na duże kalorie kcal? Dlaczego na opakowaniach produktów podawane są obie?
1 kcal≈4.184 kJ, odwrotnie 1 kJ≈0.239 kcal. W Chinach i Unii Europejskiej na etykietach produktów spożywczych obowiązkowe jest podawanie jednocześnie kJ i kcal, w USA podaje się Calories(duże kalorie). Na przykład, jeśli na opakowaniu ciastek podano «energia 2000kJ/100g»≈2000÷4.184≈478 dużych kalorii/100g; puszka coli około 140kcal≈586kJ. Podczas obliczeń żywieniowych: białka 4kcal/g, węglowodany 4kcal/g, tłuszcze 9kcal/g, alkohol 7kcal/g, pomnóż przez 4.184, aby otrzymać kJ.
Co to jest jednostka BTU? Dlaczego w systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji często używa się BTU?
BTU (British Thermal Unit, brytyjska jednostka cieplna) jest definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podgrzania 1 funta wody o 1°F, 1 BTU≈1055J≈0.252kcal≈0.293Wh. W urządzeniach HVAC, takich jak klimatyzatory, piece gazowe, kominki, podgrzewacze wody, w Ameryce Północnej i krajach Wspólnoty Narodów często używa się BTU/h (BTU na godzinę) do oznaczania wydajności chłodniczej/grzewczej: klimatyzator 1 KM(1HP)≈9000BTU/h≈2.5kW wydajności chłodniczej; 1 tona chłodnicza(Ton)=12000BTU/h≈3.5kW; domowe kuchenki gazowe zwykle 10000~15000BTU/palnik.
Jak są powiązane Wh i mAh? Jak przeliczyć pojemność akumulatora na energię?
Wh (watogodzina)=napięcie(V)×pojemność(Ah)=moc×czas, jest to całkowita energia przechowywana w akumulatorze. Akumulatory smartfonów zwykle 10~15Wh (3.8V×3000~4000mAh), laptopów 45~90Wh, samochodów elektrycznych 40~100kWh. Podczas konwersji zwróć uwagę, że mAh to jednostka ładunku elektrycznego, a nie energii, energia jest uzyskiwana tylko po pomnożeniu przez napięcie: Wh=V×mAh/1000. Na przykład powerbank 10000mAh(3.7V)=37Wh, limit przewozu w samolocie 100Wh (około 27000mAh@3.7V).
Co to jest koń mechaniczny-godzina PS·h i HP·h? Który jest metryczny, a który imperialny?
PS (Pferdestärke, metryczny koń mechaniczny)=75kgf·m/s≈735.5W; HP (Horsepower, imperialny koń mechaniczny/mechaniczny koń mechaniczny)=550ft·lbf/s≈745.7W. 1 PS·h=735.5W×3600s≈2.648×10⁶J≈2.648MJ≈0.7355kWh; 1 HP·h≈2.685MJ≈0.7457kWh. W Chinach, Europie, Japonii zwykle używa się metrycznego PS, w Wielkiej Brytanii i USA – imperialnego HP, różnica między nimi wynosi około 1.4%. Moc silników samochodowych często podaje się w kW lub PS/HP, zużycie paliwa wyraża się w l/100km lub MPG(mil na galon), konwersja energii może być używana do obliczania sprawności silnika.
Jakie są rzędy wielkości energii kinetycznej, potencjalnej, elektrycznej, chemicznej i jądrowej?
1J to w przybliżeniu energia potrzebna do podniesienia jabłka(100g) na wysokość 1 metra; 1kJ to energia potencjalna podniesienia ciała o masie 1kg na wysokość około 102 metrów; 1kcal może podgrzać 1kg wody o 1°C; 1kWh=1 kWh energii elektrycznej może sprawić, że lampa LED 10W będzie świecić 100 godzin; 1 litr benzyny około 32MJ≈8.9kWh≈7700kcal; wybuch 1kg trotylu około 4.2MJ; rozszczepienie 1kg uranu-235 około 83TJ≈23 milionów kWh (równoważne ponad 2000 tonom węgla); całkowite przekształcenie 1 grama materii E=mc²≈9×10¹³J≈25 milionów kWh.
Jak oszacować duże kalorie spalane podczas ćwiczeń fizycznych?
Przybliżone oszacowanie (dla dorosłych o wadze 60~70kg): szybki marsz(5km/h) około 300 dużych kalorii/godzinę, jogging(8km/h) około 500~600 dużych kalorii/godzinę, szybki bieg(12km/h) około 700~850 dużych kalorii/godzinę, jazda na rowerze(15km/h) około 350 dużych kalorii/godzinę, pływanie około 500~700 dużych kalorii/godzinę, skakanie na skakance około 700 dużych kalorii/godzinę, joga około 200 dużych kalorii/godzinę, prace domowe około 150~250 dużych kalorii/godzinę. Sprawność wykorzystania energii przez ludzkie ciało wynosi około 20%~25%, przy mechanicznej mocy wyjściowej około 100~200W zużywana moc cieplna odpowiada 500~800W.
Ile kalorii (dużych kalorii kcal) jest w powszechnych produktach?
Wartości referencyjne (na 100g): warzywa 15~50 dużych kalorii (ogórek 15, pomidor 18, marchew 37, ziemniak 77); owoce 30~90 dużych kalorii (jabłko 52, banan 89, awokado 160); produkty podstawowe: gotowany ryż 116, makaron 110, bułki na parze 223, chleb 265; mięso i jajka: pierś z kurczaka 165, wołowina 190, wieprzowina(chuda)143, (tłusta)395, jajko 144, łosoś 208; przekąski: chipsy ziemniaczane 540, czekolada 550, ciastka 450~500; napoje: cola 43/100ml, piwo 43/100ml, wódka 230~300/100ml; tłuszcze i oleje około 900 dużych kalorii/100g. Talerz ryżu(150g gotowego)≈175 dużych kalorii.
Jak obliczyć rachunek za prąd na podstawie kWh?
Rachunek za prąd=zużyta energia elektryczna(kWh)×taryfa za energię elektryczną(zł/kWh). W Polsce taryfy dla ludności około 0.6~1.2 zł/kWh, dla przemysłu i handlu 0.8~1.5 zł/kWh. Zużyta energia elektryczna przez urządzenie elektryczne=moc(kW)×czas użytkowania(h). Przykład: wydajność chłodnicza klimatyzatora 1.5 KM około 1.2kW, przy pracy przez 8 godzin zużycie=1.2×8≈9.6kWh≈6~12 zł; elektryczny podgrzewacz wody 2000W podczas podgrzewania przez 1 godzinę zużywa 2 kWh≈1.2~2.4 zł; router 10W zużywa przez miesiąc=0.01×24×30≈7.2kWh≈4~9 zł; telewizor 50 cali 100W podczas oglądania przez 2 godziny zużywa 0.2 kWh. Zwróć również uwagę na zużycie w trybie czuwania, wiele urządzeń domowych w trybie czuwania 1~5W zużywa kilka kWh rocznie.
Jakie jednostki energii obsługuje to narzędzie? Dlaczego nie ma elektronowolta eV, erga, ft·lb?
To narzędzie obsługuje 9 jednostek energii: J, kJ, Wh, kWh, cal, kcal (duża kaloria), BTU, PS·h (metryczny koń mechaniczny-godzina), HP·h (imperialny koń mechaniczny-godzina), obejmując ponad 90% codziennych scenariuszy w fizyce, energetyce, żywieniu, HVAC, inżynierii samochodowej. eV (elektronowolt=1.6×10⁻¹⁹J) jest używany w fizyce cząstek elementarnych, pasmach zabronionych półprzewodników, jest specjalistyczną jednostką fizyczną; erg (erg=10⁻⁷J) – stara jednostka układu CGS, w inżynierii prawie nieużywana; ft·lb (stopa-funt=1.356J) – imperialna jednostka pracy, w codziennych scenariuszach energii/ciepła BTU i HP·h już pokrywają główne imperialne potrzeby. W przyszłości przy wysokim zapotrzebowaniu rozważymy dodanie.
