Енергиен Конвертор
Енергия — от калории до киловат‑часове
Разберете енергията в ежедневието: хранителни калории, kWh за уреди, BTU в отоплението и електронволти във физиката. Преобразувайте уверено с ясни примери.
Основи на енергията
Какво е енергия?
Способността да се извършва работа или да се произвежда топлина. Често се измерва като механична работа, топлина или електрическа енергия.
Мощността е свързана с енергията чрез времето: мощност = енергия/време (W = J/s).
- Основна SI единица: джаул (J)
- Електрическа: Wh и kWh
- Хранене: Калория = килокалория (kcal)
Ежедневен контекст
Сметките за електричество се таксуват в kWh; уредите посочват мощност (W), която умножавате по време, за да получите kWh.
Етикетите на храните използват Калории (kcal). Отоплението/охлаждането често използва BTU.
- Зареждане на телефон: ~10 Wh
- Душ (10 мин, 7 kW нагревател): ~1,17 kWh
- Хранене: ~600–800 kcal
Наука и микро‑енергия
Физиката на елементарните частици използва eV за енергиите на фотони и частици.
В атомен мащаб, енергиите на Хартри и Ридберг се появяват в квантовата механика.
- 1 eV = 1,602×10⁻¹⁹ J
- Видим фотон: ~2–3 eV
- Енергията на Планк е изключително голяма (теоретична)
- Преобразувайте чрез джаули (J) за яснота и точност
- kWh е удобен за битова енергия; kcal за хранене
- BTU е често срещан в ОВК; eV във физиката
Помощни средства за запаметяване
Бързи мислени изчисления
kWh ↔ MJ
1 kWh = 3,6 MJ точно. Умножете по 3,6 или разделете на 3,6.
kcal ↔ kJ
1 kcal ≈ 4,2 kJ. Закръглете на 4 за бързи оценки.
BTU ↔ kJ
1 BTU ≈ 1,055 kJ. Приблизително 1 BTU ≈ 1 kJ за оценки.
Wh ↔ J
1 Wh = 3 600 J. Помислете: 1 ват за 1 час = 3 600 секунди.
Хранителни калории
1 Cal (хранителна) = 1 kcal = 4,184 kJ. Главна буква 'C' означава килокалория!
kW × часове → kWh
Мощност × Време = Енергия. 2 kW нагревател × 3 часа = 6 kWh консумирани.
Визуални справки за енергия
| Scenario | Energy | Visual Reference |
|---|---|---|
| LED крушка (10 W, 10 часа) | 100 Wh (0,1 kWh) | Струва ~$0,01 при типични тарифи |
| Пълно зареждане на смартфон | 10-15 Wh | Достатъчно за зареждане ~60-90 пъти от 1 kWh |
| Филия хляб | 80 kcal (335 kJ) | Може да захрани 100W крушка за ~1 час |
| Горещ душ (10 мин) | 1-2 kWh | Същата енергия като работата на хладилника ви за един ден |
| Пълноценно хранене | 600 kcal (2,5 MJ) | Достатъчно енергия за повдигане на кола на 1 метър от земята |
| Батерия на електрически автомобил (60 kWh) | 216 MJ | Същото като 30 000 хранителни калории или 20 дни хранене |
| Литър бензин | 34 MJ (9,4 kWh) | Но двигателите губят 70% като топлина! |
| Мълния | 1-5 GJ | Звучи огромно, но захранва къща само за няколко часа |
Често срещани грешки
- Объркване на kW и kWhFix: kW е мощност (скорост), kWh е енергия (количество). 2 kW нагревател, работещ 3 часа, използва 6 kWh.
- Калория (Calorie) срещу калория (calorie)Fix: Етикетите на храните използват 'Калория' (с главна буква C) = килокалория = 1 000 калории (с малка буква c). 1 Cal = 1 kcal = 4,184 kJ.
- Игнориране на ефективносттаFix: Бензинът има 9,4 kWh/литър, но двигателите са само 25-30% ефективни. Реалната полезна енергия е ~2,5 kWh/литър!
- mAh на батерия без напрежениеFix: 10 000 mAh не означава нищо без напрежение! При 3,7V: 10 000 mAh × 3,7V ÷ 1000 = 37 Wh.
- Смесване на сметки за енергия и мощностFix: Сметките за електричество таксуват за kWh (енергия), а не за kW (мощност). Вашата тарифа е $/kWh, а не $/kW.
- Пропускане на времето в изчисленията на енергияFix: Мощност × Време = Енергия. Работа на 1500W нагревател за 2 часа = 3 kWh, а не 1,5 kWh!
Къде се вписва всяка единица
Дом и уреди
Електрическата енергия се таксува в kWh; оценете консумацията чрез мощност × време.
- LED крушка 10 W × 5 ч ≈ 0,05 kWh
- Фурна 2 kW × 1 ч = 2 kWh
- Месечната сметка сумира всички устройства
Храна и хранене
Калориите на етикетите са килокалории (kcal) и често се свързват с kJ.
- 1 kcal = 4,184 kJ
- Дневен прием ~2 000–2 500 kcal
- kcal и Cal (хранителна) са едно и също
Отопление и горива
BTU, термове и горивни еквиваленти (BOE/TOE) се появяват в ОВК и енергийните пазари.
- 1 терм = 100 000 BTU
- Природният газ и петролът използват стандартизирани еквиваленти
- Преобразуванията kWh ↔ BTU са често срещани
Как работят преобразуванията
- Wh × 3600 → J; kWh × 3,6 → MJ
- kcal × 4,184 → kJ; cal × 4,184 → J
- eV × 1,602×10⁻¹⁹ → J; J ÷ 1,602×10⁻¹⁹ → eV
Често срещани преобразувания
| От | Към | Фактор | Пример |
|---|---|---|---|
| kWh | MJ | × 3,6 | 2 kWh = 7,2 MJ |
| kcal | kJ | × 4,184 | 500 kcal = 2 092 kJ |
| BTU | J | × 1 055,06 | 10 000 BTU ≈ 10,55 MJ |
| Wh | J | × 3 600 | 250 Wh = 900 000 J |
| eV | J | × 1,602×10⁻¹⁹ | 2 eV ≈ 3,204×10⁻¹⁹ J |
Бързи примери
Бърза справка
Бързо изчисляване на разходите за уреди
Енергия (kWh) × цена на kWh
- Пример: 2 kWh × $0,20 = $0,40
- 1 000 W × 3 ч = 3 kWh
Кратко ръководство за батерии
mAh × V ÷ 1000 ≈ Wh
- 10 000 mAh × 3,7 V ≈ 37 Wh
- Wh ÷ W на устройството ≈ време на работа (часове)
Бързо изчисляване на CO₂
Оценете емисиите от потреблението на електроенергия
- CO₂ = kWh × интензитет на мрежата
- Пример: 5 kWh × 400 gCO₂/kWh = 2 000 g (2 kg)
- Нисковъглеродна мрежа (100 g/kWh) намалява това със 75%
Грешки при мощност срещу енергия
Често срещани обърквания
- kW е мощност (скорост); kWh е енергия (количество)
- 2 kW нагревател за 3 ч използва 6 kWh
- Сметките използват kWh; табелките на уредите показват W/kW
Въведение във възобновяемите източници
Основи на слънчевата и вятърната енергия
Възобновяемите източници генерират мощност (kW), която се интегрира във времето в енергия (kWh).
Производството варира според времето; дългосрочните средни стойности са важни.
- Коефициент на мощност: % от максималното производство във времето
- Покривна слънчева инсталация: ~900–1 400 kWh/kW·год (зависи от местоположението)
- Ветропаркове: коефициентът на мощност често е 25–45%
Съхранение и преместване
Батериите съхраняват излишъка и преместват енергията за тогава, когато е необходима.
- Капацитетът в kWh срещу мощността в kW е важен
- Ефективността на двупосочното преобразуване е < 100% (загуби)
- Тарифите според времето на употреба насърчават преместването
Кратко ръководство за енергийна плътност
| Източник | По маса | По обем | Бележки |
|---|---|---|---|
| Бензин | ~46 MJ/kg (~12,8 kWh/kg) | ~34 MJ/L (~9,4 kWh/L) | Приблизително; зависи от сместа |
| Дизел | ~45 MJ/kg | ~36 MJ/L | Малко по-висока обемна плътност от бензина |
| Реактивно гориво | ~43 MJ/kg | ~34 MJ/L | Тип керосин |
| Етанол | ~30 MJ/kg | ~24 MJ/L | По-ниска от бензина |
| Водород (700 бара) | ~120 MJ/kg | ~5–6 MJ/L | Висока по маса, ниска по обем |
| Природен газ (STP) | ~55 MJ/kg | ~0,036 MJ/L | Компресираният/втечнен има много по-висока обемна плътност |
| Литиево‑йонна батерия | ~0,6–0,9 MJ/kg (160–250 Wh/kg) | ~1,4–2,5 MJ/L | Зависи от химията |
| Оловно‑киселинна батерия | ~0,11–0,18 MJ/kg | ~0,3–0,5 MJ/L | Ниска плътност, евтина |
| Дърво (сухо) | ~16 MJ/kg | Варира | Зависи от вида и влажността |
Сравнение на енергията в различни мащаби
| Приложение | Джаули (J) | kWh | kcal | BTU |
|---|---|---|---|---|
| Единичен фотон (видим) | ~3×10⁻¹⁹ | ~10⁻²² | ~7×10⁻²⁰ | ~3×10⁻²² |
| Един електронволт | 1,6×10⁻¹⁹ | 4,5×10⁻²³ | 3,8×10⁻²⁰ | 1,5×10⁻²² |
| Мравка, повдигаща зрънце | ~10⁻⁶ | ~10⁻⁹ | ~2×10⁻⁷ | ~10⁻⁹ |
| Батерия АА | 9 360 | 0,0026 | 2,2 | 8,9 |
| Зареждане на смартфон | 50 000 | 0,014 | 12 | 47 |
| Филия хляб | 335 000 | 0,093 | 80 | 318 |
| Пълноценно хранене | 2 500 000 | 0,69 | 600 | 2 370 |
| Горещ душ (10 мин) | 5,4 MJ | 1,5 | 1 290 | 5 120 |
| Дневен прием на храна | 10 MJ | 2,8 | 2 400 | 9 480 |
| Литър бензин | 34 MJ | 9,4 | 8 120 | 32 200 |
| Батерия на Tesla (60 kWh) | 216 MJ | 60 | 51 600 | 205 000 |
| Мълния | 1-5 GJ | 300-1 400 | 240 хил.-1,2 млн. | 950 хил.-4,7 млн. |
| Тон тротил | 4,184 GJ | 1 162 | 1 000 000 | 3,97 млн. |
| Бомбата в Хирошима | 63 TJ | 17,5 млн. | 15 милиарда | 60 милиарда |
Ежедневни ориентири
| Нещо | Типична енергия | Бележки |
|---|---|---|
| Пълно зареждане на телефон | ~10–15 Wh | ~36–54 kJ |
| Батерия на лаптоп | ~50–100 Wh | ~0,18–0,36 MJ |
| 1 филия хляб | ~70–100 kcal | ~290–420 kJ |
| Горещ душ (10 мин) | ~1–2 kWh | Мощност × време |
| Отоплителна печка (1 ч) | 1–2 kWh | Според настройката на мощността |
| Бензин (1 л) | ~34 MJ | Долна топлинна стойност (приблизително) |
Удивителни факти за енергията
Батерия на електромобил срещу дом
Батерия на Tesla с капацитет 60 kWh съхранява същата енергия, която типичен дом използва за 2-3 дни — представете си да носите електричество за 3 дни в колата си!
Мистериозният терм
Един терм е 100 000 BTU (29,3 kWh). Сметките за природен газ използват термове, защото е по-лесно да кажеш '50 терма', отколкото '5 милиона BTU'!
Номерът с главната буква на калориите
Етикетите на храните използват 'Калория' (с главна буква C), което всъщност е килокалория! Така че тази бисквитка от 200 калории (Cal) всъщност е 200 000 калории (calorie).
Мръсната тайна на бензина
1 литър бензин има 9,4 kWh енергия, но двигателите губят 70% като топлина! Само ~2,5 kWh всъщност движат колата ви. Електромобилите губят само ~10-15%.
Ориентирът от 1 kWh
1 kWh може: да захрани 100W крушка за 10 часа, да зареди 100 смартфона, да препече 140 филийки хляб или да поддържа хладилника ви работещ за 24 часа!
Магията на регенеративното спиране
Електромобилите възстановяват 15-25% от енергията по време на спиране, като превръщат двигателя в генератор. Това е безплатна енергия от загубена кинетична енергия!
E=mc² е умопомрачително
Вашето тяло има достатъчно мас-енергия (E=mc²), за да захрани всички градове на Земята за една седмица! Но превръщането на маса в енергия изисква ядрени реакции.
Ракетно гориво срещу храна
Паунд за паунд, ракетното гориво има 10 пъти повече енергия от шоколада. Но не можете да ядете ракетно гориво — химическата енергия ≠ метаболитната енергия!
Рекорди и крайности
| Рекорд | Енергия | Бележки |
|---|---|---|
| Дневна употреба в домакинството | ~10–30 kWh | Варира в зависимост от климата и уредите |
| Мълния | ~1–10 GJ | Силно променлива |
| 1 мегатон тротил | 4,184 PJ | Експлозивен еквивалент |
Откриването на енергията: от древния огън до съвременната физика
Древна енергия: огън, храна и мускулна сила
В продължение на хилядолетия хората са разбирали енергията само чрез нейните ефекти: топлина от огъня, сила от храната и мощта на водата и вятъра. Енергията е била практическа реалност без теоретично разбиране.
- **Овладяване на огъня** (~400 000 г. пр. н. е.) - Хората използват химическата енергия за топлина и светлина
- **Водни колела** (~300 г. пр. н. е.) - Гърците и римляните преобразуват кинетичната енергия в механична работа
- **Вятърни мелници** (~600 г. сл. н. е.) - Персите улавят вятърната енергия за мелене на зърно
- **Разбиране на храненето** (античност) - Храната като 'гориво' за човешката дейност, макар и механизмът да е бил неизвестен
Тези практически приложения предшестват всяка научна теория с хиляди години. Енергията е била позната чрез опит, а не чрез уравнения.
Механичната епоха: пара, работа и ефективност (1600-1850)
Промишлената революция изисква по-добро разбиране на това как топлината се превръща в работа. Инженерите измерват ефективността на двигателите, което води до раждането на термодинамиката.
- **Подобренията на парния двигател от Джеймс Уат** (1769) - Количествено определя работата, въвежда конската сила
- **Теорията на топлинния двигател на Сади Карно** (1824) - Доказва теоретичните граници на превръщането на топлина в работа
- **Юлиус фон Майер** (1842) - Предлага механичен еквивалент на топлината: топлината и работата са взаимозаменяеми
- **Експериментите на Джеймс Джаул** (1843-1850) - Прецизно измерва: 1 калория = 4,184 джаула механична работа
Експериментите на Джаул доказват запазването на енергията: механичната работа, топлината и електричеството са различни форми на едно и също нещо.
Обединена енергия: запазване и форми (1850-1900)
XIX век синтезира разпокъсани наблюдения в една концепция: енергията се запазва, трансформирайки се между форми, но никога не се създава или унищожава.
- **Херман фон Хелмхолц** (1847) - Формализира закона за запазване на енергията
- **Рудолф Клаузиус** (1850-те) - Въвежда ентропията, показвайки, че качеството на енергията се влошава
- **Джеймс Кларк Максуел** (1865) - Обединява електричеството и магнетизма, показвайки, че светлината носи енергия
- **Лудвиг Болцман** (1877) - Свързва енергията с атомното движение чрез статистическата механика
До 1900 г. енергията се разбира като централната валута на физиката—трансформираща се, но запазваща се във всички природни процеси.
Квантова и атомна ера: E=mc² и субатомни мащаби (1900-1945)
XX век разкрива енергията в крайности: еквивалентността на маса и енергия на Айнщайн и квантовата механика в атомен мащаб.
- **Макс Планк** (1900) - Квантува енергията в излъчването: E = hν (константа на Планк)
- **E=mc² на Айнщайн** (1905) - Масата и енергията са еквивалентни; малка маса = огромна енергия
- **Нилс Бор** (1913) - Атомните енергийни нива обясняват спектралните линии; eV става естествена единица
- **Енрико Ферми** (1942) - Първата контролирана ядрена верижна реакция освобождава енергия в мащаб MeV
- **Проектът Манхатън** (1945) - Тестът Тринити демонстрира еквивалент на ~22 килотона тротил (~90 TJ)
Ядрената енергия потвърждава E=mc²: ядреното делене превръща 0,1% от масата в енергия—милиони пъти по-плътна от химическите горива.
Съвременен енергиен пейзаж (1950-настояще)
Следвоенното общество стандартизира енергийните единици за комунални услуги, храни и физика, докато се бори с изкопаеми горива, възобновяеми източници и ефективност.
- **Стандартизация на киловат-час** - Глобалните електроенергийни компании приемат kWh за таксуване
- **Етикетиране на калории** (1960-90-те) - Енергията в храните е стандартизирана; FDA въвежда задължителни хранителни стойности (1990)
- **Фотоволтаична революция** (1970-2020-те) - Ефективността на слънчевите панели се покачва от <10% на >20%
- **Литиево-йонни батерии** (1991-настояще) - Енергийната плътност нараства от ~100 на 250+ Wh/kg
- **Интелигентни мрежи и съхранение** (2010-те) - Управление на енергията в реално време и батерии в мрежов мащаб
Климатичната ера: декарбонизация на енергийните системи
XXI век признава екологичната цена на енергията. Фокусът се измества от просто генериране на енергия към генериране на чиста енергия ефективно.
- **Въглероден интензитет** - Изкопаемите горива отделят 400-1000 g CO₂/kWh; възобновяемите източници отделят <50 g CO₂/kWh за целия жизнен цикъл
- **Пропуски в съхранението на енергия** - Батериите съхраняват ~0,5 MJ/kg срещу 46 MJ/kg на бензина; безпокойството за пробега продължава
- **Интеграция в мрежата** - Променливите възобновяеми източници изискват съхранение и реакция на търсенето
- **Императиви за ефективност** - LED (100 lm/W) срещу нажежаеми (15 lm/W); термопомпи (COP > 3) срещу резистивно отопление
Преходът към нетни нулеви емисии изисква електрифициране на всичко и генериране на тази електроенергия по чист начин—пълна реформа на енергийната система.
Ключови етапи в науката за енергията
Енергийната скала: от квантови шепоти до космически експлозии
Енергията обхваща невъобразим диапазон: от единични фотони до свръхнови. Разбирането на тези мащаби помага да се контекстуализира ежедневната употреба на енергия.
Квантова и молекулярна (10⁻¹⁹ до 10⁻¹⁵ J)
Typical units: eV до meV
- **Топлинна енергия на молекула** (стайна температура) - ~0,04 eV (~6×10⁻²¹ J)
- **Видим фотон** - 1,8-3,1 eV (от червена до виолетова светлина)
- **Разкъсване на химична връзка** - 1-10 eV (ковалентни връзки)
- **Рентгенов фотон** - 1-100 keV
Микроскопичен и човешки мащаб (1 mJ до 1 MJ)
Typical units: mJ, J, kJ
- **Летящ комар** - ~0,1 mJ
- **Пълно зареждане на батерия АА** - ~10 kJ (2,7 Wh)
- **Шоколадов десерт** - ~1 MJ (240 kcal)
- **Човек в покой (1 час)** - ~300 kJ (75 kcal метаболитна скорост)
- **Батерия на смартфон** - ~50 kJ (14 Wh)
- **Ръчна граната** - ~400 kJ
Домакински и автомобилен (1 MJ до 1 GJ)
Typical units: MJ, kWh
- **Горещ душ (10 мин)** - 4-7 MJ (1-2 kWh)
- **Дневен прием на храна** - ~10 MJ (2 400 kcal)
- **Литър бензин** - 34 MJ (9,4 kWh)
- **Батерия на Tesla Model 3** - ~216 GJ (60 kWh)
- **Дневна употреба в домакинството** - 36-108 MJ (10-30 kWh)
- **Галон бензин** - ~132 MJ (36,6 kWh)
Индустриален и общински (1 GJ до 1 TJ)
Typical units: GJ, MWh
- **Мълния** - 1-10 GJ (варира значително)
- **Катастрофа с малък автомобил (100 км/ч)** - ~1 GJ (кинетична енергия)
- **Тон тротил** - 4,184 GJ
- **Реактивно гориво (1 тон)** - ~43 GJ
- **Дневна електроенергия за градски блок** - ~100-500 GJ
Мащабни събития (1 TJ до 1 PJ)
Typical units: TJ, GWh
- **Килотон тротил** - 4,184 TJ (Хирошима: ~63 TJ)
- **Дневна продукция на малка електроцентрала** - ~10 TJ (100 MW централа)
- **Годишна продукция на голям ветропарк** - ~1-5 PJ
- **Изстрелване на космическа совалка** - ~18 TJ (енергия на горивото)
Цивилизация и геофизика (1 PJ до 1 EJ)
Typical units: PJ, TWh
- **Мегатонно ядрено оръжие** - 4 184 PJ (Цар Бомба: ~210 PJ)
- **Голямо земетресение (магнитуд 7)** - ~32 PJ
- **Ураган (обща енергия)** - ~600 PJ/ден (повечето като латентна топлина)
- **Годишна продукция на язовир Хувър** - ~15 PJ (4 TWh)
- **Годишна енергийна употреба на малка държава** - ~100-1 000 PJ
Планетарна и звездна (1 EJ до 10⁴⁴ J)
Typical units: EJ, ZJ и отвъд
- **Годишна консумация на енергия в САЩ** - ~100 EJ (~28 000 TWh)
- **Глобална годишна употреба на енергия** - ~600 EJ (2020)
- **Изригване на Кракатау (1883)** - ~840 PJ
- **Удар на астероида Чиксулуб** - ~4×10²³ J (100 милиона мегатона)
- **Дневна продукция на Слънцето** - ~3,3×10³¹ J
- **Свръхнова (тип Ia)** - ~10⁴⁴ J (foe)
Всяко действие—от фотон, удрящ окото ви, до избухване на звезда—е трансформация на енергия. Ние живеем в тесен диапазон: от мегаджаули до гигаджаули.
Енергия в действие: реални приложения в различни области
Хранене и метаболизъм
Етикетите на храните посочват енергията в калории (kcal). Вашето тяло я преобразува в АТФ за клетъчна работа с ~25% ефективност.
- **Базален метаболизъм** - ~1 500-2 000 kcal/ден (6-8 MJ), за да останете живи
- **Маратонско бягане** - Изгаря ~2 600 kcal (~11 MJ) за 3-4 часа
- **Шоколадов десерт** - ~250 kcal биха могли да захранят 60W лаптоп за ~4,5 часа (ако е 100% ефективен)
- **Диетични изчисления** - 1 фунт мазнини = ~3 500 kcal дефицит; 500 kcal/ден дефицит = 1 фунт/седмица
Управление на енергията в дома
Сметките за електричество таксуват за kWh. Разбирането на консумацията на уредите помага за намаляване на разходите и въглеродния отпечатък.
- **LED срещу нажежаема крушка** - 10W LED = 60W нажежаема крушка; спестява 50W × 5 ч/ден = 0,25 kWh/ден = $9/месец
- **Фантомни товари** - Устройствата в режим на готовност губят ~5-10% от енергията на домакинството (~1 kWh/ден)
- **Термопомпи** - Преместват 3-4 kWh топлина, използвайки 1 kWh електричество (COP > 3); резистивните нагреватели са 1:1
- **Зареждане на електрически автомобил** - 60 kWh батерия при $0,15/kWh = $9 за пълно зареждане (спрямо $40 за еквивалент в бензин)
Транспорт и превозни средства
Превозните средства преобразуват енергията на горивото в кинетична енергия със значителни загуби. Електромобилите са 3 пъти по-ефективни от двигателите с вътрешно горене.
- **Бензинов автомобил** - 30% ефективност; 1 галон (132 MJ) → 40 MJ полезна работа, 92 MJ топлина
- **Електрически автомобил** - 85% ефективност; 20 kWh (72 MJ) → 61 MJ към колелата, 11 MJ загуби
- **Регенеративно спиране** - Възстановява 10-25% от кинетичната енергия обратно в батерията
- **Аеродинамика** - Удвояването на скоростта учетворява необходимата мощност за съпротивление (P ∝ v³)
Индустрия и производство
Тежката промишленост представлява ~30% от световното потребление на енергия. Ефективността на процесите и възстановяването на отпадната топлина са от решаващо значение.
- **Производство на стомана** - ~20 GJ на тон (5 500 kWh); електродъговите пещи използват скрап и по-малко енергия
- **Топене на алуминий** - ~45-55 GJ на тон; затова рециклирането спестява 95% енергия
- **Центрове за данни** - ~200 TWh/година в световен мащаб (2020 г.); PUE (ефективност на използване на енергията) измерва ефективността
- **Производство на цимент** - ~3-4 GJ на тон; представлява 8% от световните емисии на CO₂
Системи за възобновяема енергия
Слънчевата, вятърната и хидроенергията преобразуват околната енергия в електричество. Коефициентът на мощност и прекъсваемостта оформят тяхното внедряване.
- **Слънчев панел** - ~20% ефективност; 1 m² получава ~1 kW пикова слънчева светлина → 200W × 5 слънчеви часа/ден = 1 kWh/ден
- **Коефициент на мощност на вятърна турбина** - 25-45%; 2 MW турбина × 35% CF = 6 100 MWh/година
- **Хидроелектрическа** - 85-90% ефективност; 1 m³/s, падащ от 100 м ≈ 1 MW
- **Ефективност на двупосочно съхранение в батерии** - 85-95%; загуби като топлина по време на зареждане/разреждане
Научни и физични приложения
От ускорители на частици до лазерен синтез, физическите изследвания работят в енергийни крайности.
- **Големият адронен колайдер** - 362 MJ съхранени в лъча; сблъсъци на протони при 13 TeV
- **Лазерен синтез** - NIF доставя ~2 MJ за наносекунди; постигна равновесие през 2022 г. (~3 MJ изход)
- **Медицински изотопи** - Циклотроните ускоряват протони до 10-20 MeV за PET сканиране
- **Космически лъчи** - Частица с най-висока енергия, открита: ~3×10²⁰ eV (~50 J в един протон!)
Каталог на единиците
Метрична (SI)
| Единица | Символ | Джаули | Бележки |
|---|---|---|---|
| джаул | J | 1 | Основна SI единица за енергия. |
| килоджаул | kJ | 1,000 | 1 000 J; удобна за хранене. |
| мегаджаул | MJ | 1,000,000 | 1 000 000 J; мащаб за уреди/индустрия. |
| гигаджаул | GJ | 1.000e+9 | 1 000 MJ; голяма индустрия/инженерство. |
| микроджаул | µJ | 0.000001 | Микроджаул; сензори и лазерни импулси. |
| милиджаул | mJ | 0.001 | Милиджаул; малки импулси. |
| наноджаул | nJ | 0.000000001 | Наноджаул; микро‑енергийни събития. |
| тераджаул | TJ | 1.000e+12 | 1 000 GJ; много големи освобождавания. |
Имперска / САЩ
| Единица | Символ | Джаули | Бележки |
|---|---|---|---|
| британска термична единица | BTU | 1,055.06 | Британска топлинна единица; ОВК и отопление. |
| BTU (IT) | BTU(IT) | 1,055.06 | IT дефиниция на BTU (≈ същата като BTU). |
| BTU (термохимична) | BTU(th) | 1,054.35 | Термохимична дефиниция на BTU. |
| фут-паунд сила | ft·lbf | 1.35582 | Фут‑паунд сила; механична работа. |
| инч-паунд сила | in·lbf | 0.112985 | Инч‑паунд сила; въртящ момент и работа. |
| милион BTU | MBTU | 1.055e+9 | Милион BTU; енергийни пазари. |
| квад | quad | 1.055e+18 | 10¹⁵ BTU; национални енергийни мащаби. |
| терм | thm | 105,506,000 | Таксуване на природен газ; 100 000 BTU. |
Калории
| Единица | Символ | Джаули | Бележки |
|---|---|---|---|
| калория | cal | 4.184 | Малка калория; 4,184 J. |
| Калория (хранителна) | Cal | 4,184 | Хранителна ‘Калория’ (kcal). |
| килокалория | kcal | 4,184 | Килокалория; хранителна калория. |
| калория (15°C) | cal₁₅ | 4.1855 | Калория при 15°C. |
| калория (20°C) | cal₂₀ | 4.182 | Калория при 20°C. |
| калория (IT) | cal(IT) | 4.1868 | IT калория (≈4,1868 J). |
| калория (термохимична) | cal(th) | 4.184 | Термохимична калория (4,184 J). |
Електрическа
| Единица | Символ | Джаули | Бележки |
|---|---|---|---|
| киловат-час | kWh | 3,600,000 | Киловат‑час; сметки за комунални услуги и електромобили. |
| ват-час | Wh | 3,600 | Ват‑час; енергия на уредите. |
| електронволт | eV | 1.602e-19 | Електронволт; енергии на частици/фотони. |
| гигаелектронволт | GeV | 1.602e-10 | Гигаелектронволт; физика на високите енергии. |
| гигават-час | GWh | 3.600e+12 | Гигават‑час; мрежи и централи. |
| килоелектронволт | keV | 1.602e-16 | Килоелектронволт; рентгенови лъчи. |
| мегаелектронволт | MeV | 1.602e-13 | Мегаелектронволт; ядрена физика. |
| мегават-час | MWh | 3.600e+9 | Мегават‑час; по-големи съоръжения. |
Атомна / Ядрена
| Единица | Символ | Джаули | Бележки |
|---|---|---|---|
| атомна единица за маса | u | 1.492e-10 | Енергиен еквивалент на 1 u (чрез E=mc²). |
| енергия на Хартри | Eₕ | 4.360e-18 | Енергия на Хартри (квантова химия). |
| килотон TNT | ktTNT | 4.184e+12 | Килотон тротил; енергия на голяма експлозия. |
| мегатон TNT | MtTNT | 4.184e+15 | Мегатон тротил; енергия на много голяма експлозия. |
| константа на Ридберг | Ry | 2.180e-18 | Енергия на Ридберг; спектроскопия. |
| тон TNT | tTNT | 4.184e+9 | Тон тротил; експлозивен еквивалент. |
Научна
| Единица | Символ | Джаули | Бележки |
|---|---|---|---|
| барел нефтен еквивалент | BOE | 6.120e+9 | Барел нефтен еквивалент ~6,12 GJ (приблизително). |
| кубичен фут природен газ | cf NG | 1,055,060 | Кубичен фут природен газ ~1,055 MJ (приблизително). |
| дин-сантиметър | dyn·cm | 0.0000001 | Дин‑см; 1 dyn·cm = 10⁻⁷ J. |
| ерг | erg | 0.0000001 | Енергия в CGS; 1 erg = 10⁻⁷ J. |
| конска сила-час | hp·h | 2,684,520 | Конска сила‑час; механични/двигатели. |
| конска сила-час (метрична) | hp·h(M) | 2,647,800 | Метрична конска сила‑час. |
| скрита топлина на парата | LH | 2,257,000 | Латентна топлина на изпарение на водата ≈ 2,257 MJ/kg. |
| енергия на Планк | Eₚ | 1.956e+9 | Енергия на Планк (Eₚ) ≈ 1,96×10⁹ J (теоретичен мащаб). |
| тон въглищен еквивалент | TCE | 2.931e+10 | Тон въглищен еквивалент ~29,31 GJ (приблизително). |
| тон нефтен еквивалент | TOE | 4.187e+10 | Тон нефтен еквивалент ~41,868 GJ (приблизително). |
Често задавани въпроси
Каква е разликата между kW и kWh?
kW е мощност (скорост). kWh е енергия (kW × часове). Сметките използват kWh.
Калориите (Calories) същите ли са като kcal?
Да. Хранителната ‘Калория’ е равна на 1 килокалория (kcal) = 4,184 kJ.
Как да оценя разходите за уред?
Енергия (kWh) × тарифа (на kWh). Пример: 2 kWh × $0,20 = $0,40.
Защо има толкова много дефиниции за калория?
Историческите измервания при различни температури са довели до варианти (IT, термохимична). За хранене използвайте kcal.
Кога трябва да използвам eV вместо J?
eV е естествен за атомни/частични мащаби. Преобразувайте в J за макроскопичен контекст.
Какво е коефициент на мощност?
Действителната енергийна продукция във времето, разделена на продукцията, ако централата работеше на пълна мощност 100% от времето.
Пълен Справочник с Инструменти
Всички 71 инструмента, налични в UNITS