หน่วยพื้นฐานของพลังงานคืออะไร? งาน ความร้อน และพลังงานมีความสัมพันธ์กันอย่างไร?
หน่วยพลังงานในระบบ SI คือจูล สัญลักษณ์ J ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เจมส์ จูล 1J=1N·m=1W·s=1kg·m²/s² (งานที่ทำโดยแรง 1 นิวตันเมื่อเคลื่อนวัตถุไป 1 เมตร หรือพลังงานที่ปล่อยออกมาจากกำลัง 1 วัตต์ใน 1 วินาที) งาน ความร้อน และพลังงานโดยพื้นฐานแล้วเป็นปริมาณฟิสิกส์เดียวกัน เพียงแต่แสดงออกในรูปแบบที่แตกต่างกันในสถานการณ์ต่างๆ: ในกลศาสตร์คืองาน (W=Fs), ในไฟฟ้าคือพลังงานไฟฟ้า (W=Pt=UIt), ในเทอร์โมไดนามิกส์คือความร้อน (Q=cmΔT), ในโภชนาการคือแคลอรี ทั้งหมดวัดด้วยจูลหรือแคลอรี
1 kWh ไฟฟ้ามีกี่จูล? กี่แคลอรีใหญ่?
1 kWh=1 กิโลวัตต์-ชั่วโมง=1000W×3600s=3,600,000J=3600kJ≈860 kcal(แคลอรีใหญ่) นี่คือความสัมพันธ์ที่ใช้บ่อยที่สุดในการคำนวณค่าไฟฟ้าและวัดการใช้พลังงานไฟฟ้า 1 kWh ไฟฟ้าสามารถทำให้เครื่องปรับอากาศ 1 แรงม้าทำงานประมาณ 1 ชั่วโมง หลอด LED 10W ส่องสว่าง 100 ชั่วโมง ชาร์จโทรศัพท์ประมาณ 80 ครั้ง รถยนต์ไฟฟ้าวิ่งประมาณ 5~8 กม. ค่าความร้อนของ 1 kWh≈860kcal ในการต้มน้ำ 1 ลิตรจาก 20°C เป็น 100°C ด้วยเครื่องทำน้ำอุ่นไฟฟ้า ต้องใช้ 80kcal≈0.093kWh
แคลอรี cal, กิโลแคลอรี kcal และแคลอรีใหญ่มีความสัมพันธ์กันอย่างไร? บรรจุภัณฑ์อาหารระบุหน่วยไหน?
1 cal (แคลอรีเล็ก/แคลอรี)=ความร้อนที่ใช้เพื่อทำให้น้ำ 1 กรัมร้อนขึ้น 1°C≈4.184J; 1 kcal (กิโลแคลอรี)=1000cal=4184J=4.184kJ=1 แคลอรีใหญ่ «Calories» (C ใหญ่) บนฉลากอาหารในความเป็นจริงคือ kcal แคลอรีใหญ่เสมอ: การเผาผลาญพื้นฐานของผู้หญิงผู้ใหญ่ประมาณ 1200~1400 แคลอรีใหญ่/วัน ผู้ชาย 1500~1800 แคลอรีใหญ่/วัน; ข้าว 1 จานประมาณ 200 แคลอรีใหญ่ ไข่ 1 ฟองประมาณ 70 แคลอรีใหญ่ วิ่ง 1 ชั่วโมงเผาผลาญประมาณ 500~700 แคลอรีใหญ่ «Calories 250» บนบรรจุภัณฑ์อาหารคือ 250 แคลอรีใหญ่=250kcal ไม่ใช่ 250 แคลอรีเล็ก!
จะแปลงกิโลจูล kJ เป็นแคลอรีใหญ่ kcal ได้อย่างไร? ทำไมบรรจุภัณฑ์อาหารถึงระบุทั้งสองหน่วย?
1 kcal≈4.184 kJ กลับกัน 1 kJ≈0.239 kcal ในจีนและสหภาพยุโรป ฉลากอาหารจำเป็นต้องระบุทั้ง kJ และ kcal พร้อมกัน ในสหรัฐอเมริการะบุ Calories(แคลอรีใหญ่) ตัวอย่างเช่น หากบรรจุภัณฑ์บิสกิตระบุ «พลังงาน 2000kJ/100g»≈2000÷4.184≈478 แคลอรีใหญ่/100g; โคล่ากระป๋องหนึ่งประมาณ 140kcal≈586kJ ในการคำนวณโภชนาการ: โปรตีน 4kcal/g, คาร์โบไฮเดรต 4kcal/g, ไขมัน 9kcal/g, แอลกอฮอล์ 7kcal/g คูณด้วย 4.184 เพื่อแปลงเป็น kJ
หน่วย BTU คืออะไร? ทำไมระบบทำความร้อน ระบายอากาศ และปรับอากาศถึงใช้ BTU บ่อย?
BTU (British Thermal Unit, บริติชเทอร์มัลยูนิต) ถูกกำหนดเป็นปริมาณความร้อนที่ใช้เพื่อทำให้น้ำ 1 ปอนด์ร้อนขึ้น 1°F, 1 BTU≈1055J≈0.252kcal≈0.293Wh ในอุปกรณ์ HVAC เช่น เครื่องปรับอากาศ เตาแก๊ส เตาผิง เครื่องทำน้ำอุ่น ในอเมริกาเหนือและประเทศในเครือจักรภพ มักใช้ BTU/h (BTU ต่อชั่วโมง) เพื่อระบุประสิทธิภาพทำความเย็น/ทำความร้อน: เครื่องปรับอากาศ 1 แรงม้า(1HP)≈9000BTU/h≈2.5kW ประสิทธิภาพทำความเย็น; 1 ตันความเย็น(Ton)=12000BTU/h≈3.5kW; เตาแก๊สในบ้านโดยทั่วไป 10000~15000BTU/หัวเตา
Wh กับ mAh มีความสัมพันธ์กันอย่างไร? จะแปลงความจุแบตเตอรี่เป็นพลังงานได้อย่างไร?
Wh (วัตต์-ชั่วโมง)=แรงดัน(V)×ความจุ(Ah)=กำลัง×เวลา เป็นพลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่ แบตเตอรี่สมาร์ทโฟนโดยทั่วไป 10~15Wh (3.8V×3000~4000mAh), แล็ปท็อป 45~90Wh, รถยนต์ไฟฟ้า 40~100kWh ในการแปลงโปรดทราบว่า mAh เป็นหน่วยประจุไฟฟ้า ไม่ใช่พลังงาน พลังงานจะได้รับเมื่อคูณด้วยแรงดันเท่านั้น: Wh=V×mAh/1000 ตัวอย่างเช่น พาวเวอร์แบงก์ 10000mAh(3.7V)=37Wh ขีดจำกัดการนำขึ้นเครื่องบินคือ 100Wh (ประมาณ 27000mAh@3.7V)
แรงม้า-ชั่วโมง PS·h และ HP·h คืออะไร? ไหนคือเมตริก ไหนคืออิมพีเรียล?
PS (Pferdestärke, แรงม้าเมตริก)=75kgf·m/s≈735.5W; HP (Horsepower, แรงม้าอิมพีเรียล/แรงม้าเชิงกล)=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 ในจีน ยุโรป ญี่ปุ่น มักใช้ PS เมตริก ในอังกฤษและสหรัฐอเมริกาใช้ HP อิมพีเรียล ความแตกต่างระหว่างทั้งสองประมาณ 1.4% กำลังเครื่องยนต์รถยนต์มักระบุเป็น kW หรือ PS/HP อัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงแสดงเป็น l/100km หรือ MPG(ไมล์ต่อแกลลอน) การแปลงพลังงานสามารถใช้คำนวณประสิทธิภาพเครื่องยนต์ได้
ขนาดของพลังงานจลน์ ศักย์ ไฟฟ้า เคมี และนิวเคลียร์อยู่ที่อันดับไหน?
1J โดยประมาณคือพลังงานที่ใช้เพื่อยกแอปเปิล(100g) ขึ้นสูง 1 เมตร; 1kJ คือพลังงานศักย์ของการยกวัตถุมวล 1kg ขึ้นสูงประมาณ 102 เมตร; 1kcal สามารถทำให้น้ำ 1kg ร้อนขึ้น 1°C; 1kWh=1 หน่วยไฟฟ้าสามารถทำให้หลอด LED 10W ส่องสว่าง 100 ชั่วโมง; น้ำมันเบนซิน 1 ลิตรประมาณ 32MJ≈8.9kWh≈7700kcal; การระเบิดของทีเอ็นที 1kg ประมาณ 4.2MJ; การแยกตัวของยูเรเนียม-235 1kg ประมาณ 83TJ≈23 ล้าน kWh (เทียบเท่าถ่านหินมากกว่า 2000 ตัน); การแปลงสสาร 1 กรัมอย่างสมบูรณ์ E=mc²≈9×10¹³J≈25 ล้าน kWh
จะประมาณแคลอรีใหญ่ที่เผาผลาญในระหว่างออกกำลังกายได้อย่างไร?
การประมาณโดยประมาณ (สำหรับผู้ใหญ่น้ำหนัก 60~70kg): เดินเร็ว(5km/ชม.) ประมาณ 300 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, วิ่งจ๊อกกิ้ง(8km/ชม.) ประมาณ 500~600 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, วิ่งเร็ว(12km/ชม.) ประมาณ 700~850 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, ขี่จักรยาน(15km/ชม.) ประมาณ 350 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, ว่ายน้ำประมาณ 500~700 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, กระโดดเชือกประมาณ 700 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, โยคะประมาณ 200 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง, งานบ้านประมาณ 150~250 แคลอรีใหญ่/ชั่วโมง ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของร่างกายมนุษย์ประมาณ 20%~25% เมื่อกำลังขับออกเชิงกลประมาณ 100~200W กำลังความร้อนที่ใช้จะสอดคล้องกับ 500~800W
อาหารทั่วไปมีกี่แคลอรี (แคลอรีใหญ่ kcal)?
ค่าอ้างอิง (ต่อ 100g): ผัก 15~50 แคลอรีใหญ่ (แตงกวา 15, มะเขือเทศ 18, แครอท 37, มันฝรั่ง 77); ผลไม้ 30~90 แคลอรีใหญ่ (แอปเปิล 52, กล้วย 89, อะโวคาโด 160); อาหารหลัก: ข้าวสุก 116, มักกะโรนี 110, ซาลาเปา 223, ขนมปัง 265; เนื้อสัตว์และไข่: อกไก่ 165, เนื้อวัว 190, หมู(ไม่ติดมัน)143, (ติดมัน)395, ไข่ 144, แซลมอน 208; ขนมขบเคี้ยว: มันฝรั่งทอด 540, ช็อกโกแลต 550, บิสกิต 450~500; เครื่องดื่ม: โคล่า 43/100ml, เบียร์ 43/100ml, วอดก้า 230~300/100ml; ไขมันและน้ำมันประมาณ 900 แคลอรีใหญ่/100g ข้าว 1 จาน(150g สุก)≈175 แคลอรีใหญ่
จะคำนวณค่าไฟฟ้าจาก kWh ได้อย่างไร?
ค่าไฟฟ้า=พลังงานไฟฟ้าที่ใช้(kWh)×อัตราค่าไฟฟ้า(บาท/kWh) ในประเทศไทย อัตราสำหรับประชาชนทั่วไปประมาณ 3~5 บาท/kWh อุตสาหกรรมและพาณิชย์ 4~6 บาท/kWh พลังงานไฟฟ้าที่ใช้โดยอุปกรณ์ไฟฟ้า=กำลัง(kW)×เวลาใช้งาน(ชม.) ตัวอย่าง: เครื่องปรับอากาศ 1.5 แรงม้ามีประสิทธิภาพทำความเย็นประมาณ 1.2kW เมื่อทำงาน 8 ชั่วโมง การใช้=1.2×8≈9.6kWh≈29~48 บาท; เครื่องทำน้ำอุ่นไฟฟ้า 2000W เมื่อทำความร้อน 1 ชั่วโมง ใช้ 2 kWh≈6~10 บาท; เราเตอร์ 10W ใช้ในหนึ่งเดือน=0.01×24×30≈7.2kWh≈22~36 บาท; ทีวี 50 นิ้ว 100W เมื่อดู 2 ชั่วโมง ใช้ 0.2 kWh โปรดทราบถึงการใช้ไฟฟ้าในโหมดสแตนด์บายด้วย อุปกรณ์ในบ้านหลายอย่างในโหมดสแตนด์บาย 1~5W ใช้ไฟฟ้าหลาย kWh ต่อปี
เครื่องมือนี้รองรับหน่วยพลังงานอะไรบ้าง? ทำไมไม่มีอิเล็กตรอนโวลต์ eV, เอิร์ก, ft·lb?
เครื่องมือนี้รองรับ 9 หน่วยพลังงาน: J, kJ, Wh, kWh, cal, kcal (แคลอรีใหญ่), BTU, PS·h (แรงม้าเมตริก-ชั่วโมง), HP·h (แรงม้าอิมพีเรียล-ชั่วโมง) ครอบคลุมมากกว่า 90% ของสถานการณ์ประจำวันในฟิสิกส์ พลังงาน โภชนาการ HVAC วิศวกรรมยานยนต์ eV (อิเล็กตรอนโวลต์=1.6×10⁻¹⁹J) ใช้ในฟิสิกส์อนุภาค ช่องว่างแถบของสารกึ่งตัวนำ เป็นหน่วยฟิสิกส์เฉพาะทาง; erg (เอิร์ก=10⁻⁷J) เป็นหน่วยเก่าในระบบ CGS เกือบไม่ได้ใช้ในวิศวกรรม; ft·lb (ฟุต-ปอนด์=1.356J) เป็นหน่วยงานอิมพีเรียล ในสถานการณ์พลังงาน/ความร้อนประจำวัน BTU และ HP·h ครอบคลุมความต้องการอิมพีเรียลหลักแล้ว ในอนาคตหากมีความต้องการสูงเราจะพิจารณาเพิ่มเติม
