Η ικανότητα παραγωγής έργου ή θερμότητας. Συχνά μετράται ως μηχανικό έργο, θερμότητα ή ηλεκτρική ενέργεια.

Η ισχύς σχετίζεται με την ενέργεια μέσω του χρόνου: ισχύς = ενέργεια/χρόνος (W = J/s).

• Βάση SI: τζάουλ (J)
• Ηλεκτρική: Wh και kWh
• Διατροφή: Θερμίδα = χιλιοθερμίδα (kcal)

Οι λογαριασμοί ηλεκτρικού ρεύματος χρεώνονται σε kWh. Οι συσκευές αναφέρουν την ισχύ (W) και πολλαπλασιάζοντάς την με τον χρόνο παίρνουμε τις kWh.

Οι ετικέτες τροφίμων χρησιμοποιούν Θερμίδες (kcal). Η θέρμανση/ψύξη χρησιμοποιεί συχνά BTU.

• Φόρτιση τηλεφώνου: ~10 Wh
• Ντους (10 λεπτά, θερμοσίφωνας 7 kW): ~1,17 kWh
• Γεύμα: ~600–800 kcal

Η σωματιδιακή φυσική χρησιμοποιεί το eV για τις ενέργειες φωτονίων και σωματιδίων.

Σε ατομικές κλίμακες, οι ενέργειες Hartree και Rydberg εμφανίζονται στην κβαντομηχανική.

• 1 eV = 1,602×10⁻¹⁹ J
• Ορατό φωτόνιο: ~2–3 eV
• Η ενέργεια Planck είναι εξαιρετικά μεγάλη (θεωρητική)

Η ηλεκτρική ενέργεια χρεώνεται σε kWh. Υπολογίστε την κατανάλωση πολλαπλασιάζοντας την ισχύ με τον χρόνο.

• Λαμπτήρας LED 10 W × 5 ώρες ≈ 0,05 kWh
• Φούρνος 2 kW × 1 ώρα = 2 kWh
• Ο μηνιαίος λογαριασμός αθροίζει όλες τις συσκευές

Οι θερμίδες στις ετικέτες είναι χιλιοθερμίδες (kcal) και συχνά συνδυάζονται με τα kJ.

• 1 kcal = 4,184 kJ
• Ημερήσια πρόσληψη ~2.000–2.500 kcal
• kcal και Cal (τροφίμων) είναι το ίδιο

BTU, therms και ισοδύναμα καυσίμου (BOE/TOE) εμφανίζονται στο HVAC και στις αγορές ενέργειας.

• 1 therm = 100.000 BTU
• Το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο χρησιμοποιούν τυποποιημένα ισοδύναμα
• Οι μετατροπές kWh ↔ BTU είναι συνηθισμένες

Ενέργεια (kWh) × τιμή ανά kWh

• Παράδειγμα: 2 kWh × 0,20€ = 0,40€
• 1.000 W × 3 ώρες = 3 kWh

mAh × V ÷ 1000 ≈ Wh

• 10.000 mAh × 3,7 V ≈ 37 Wh
• Wh ÷ W συσκευής ≈ χρόνος λειτουργίας (ώρες)

Υπολογίστε τις εκπομπές από τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας

• CO₂ = kWh × ένταση δικτύου
• Παράδειγμα: 5 kWh × 400 gCO₂/kWh = 2.000 g (2 kg)
• Δίκτυο χαμηλών εκπομπών άνθρακα (100 g/kWh) μειώνει αυτό κατά 75%

Συνηθισμένες συγχύσεις

• kW είναι ισχύς (ρυθμός). kWh είναι ενέργεια (ποσότητα)
• Ένας θερμοπομπός 2 kW για 3 ώρες καταναλώνει 6 kWh
• Οι λογαριασμοί χρησιμοποιούν kWh. Οι ετικέτες των συσκευών δείχνουν W/kW

Οι ανανεώσιμες πηγές παράγουν ισχύ (kW) που ολοκληρώνεται με την πάροδο του χρόνου σε ενέργεια (kWh).

Η παραγωγή ποικίλλει ανάλογα με τον καιρό. Οι μακροπρόθεσμοι μέσοι όροι έχουν σημασία.

• Συντελεστής δυναμικότητας: % της μέγιστης παραγωγής με την πάροδο του χρόνου
• Ηλιακά σε στέγη: ~900–1.400 kWh/kW·έτος (εξαρτάται από την τοποθεσία)
• Αιολικά πάρκα: ο συντελεστής δυναμικότητας είναι συχνά 25–45%

Οι μπαταρίες αποθηκεύουν το πλεόνασμα και μετατοπίζουν την ενέργεια για όταν χρειάζεται.

• Η χωρητικότητα σε kWh έναντι της ισχύος σε kW έχει σημασία
• Η απόδοση μετ' επιστροφής είναι < 100% (απώλειες)
• Τα τιμολόγια ανάλογα με την ώρα χρήσης ενθαρρύνουν τη μετατόπιση

Μια μπαταρία Tesla 60 kWh αποθηκεύει την ίδια ενέργεια που χρησιμοποιεί ένα τυπικό σπίτι σε 2-3 ημέρες — φανταστείτε να μεταφέρετε 3 ημέρες ηλεκτρικής ενέργειας στο αυτοκίνητό σας!

Ένα therm είναι 100.000 BTU (29,3 kWh). Οι λογαριασμοί φυσικού αερίου χρησιμοποιούν therms επειδή είναι ευκολότερο να πεις '50 therms' παρά '5 εκατομμύρια BTU'!

Οι ετικέτες τροφίμων χρησιμοποιούν 'Θερμίδα' (κεφαλαίο Θ), που στην πραγματικότητα είναι χιλιοθερμίδα! Έτσι, αυτό το μπισκότο των 200 Cal είναι στην πραγματικότητα 200.000 θερμίδες (μικρό θ).

1 λίτρο βενζίνης έχει 9,4 kWh ενέργειας, αλλά οι κινητήρες σπαταλούν το 70% ως θερμότητα! Μόνο ~2,5 kWh κινούν πραγματικά το αυτοκίνητό σας. Τα ηλεκτρικά οχήματα σπαταλούν μόνο ~10-15%.

1 kWh μπορεί να: τροφοδοτήσει έναν λαμπτήρα 100W για 10 ώρες, να φορτίσει 100 smartphones, να ψήσει 140 φέτες ψωμί ή να κρατήσει το ψυγείο σας σε λειτουργία για 24 ώρες!

Τα ηλεκτρικά οχήματα ανακτούν το 15-25% της ενέργειας κατά το φρενάρισμα μετατρέποντας τον κινητήρα σε γεννήτρια. Αυτή είναι δωρεάν ενέργεια από τη σπαταλημένη κινητική ενέργεια!

Το σώμα σας έχει αρκετή μάζα-ενέργεια (E=mc²) για να τροφοδοτήσει όλες τις πόλεις της Γης για μια εβδομάδα! Αλλά η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια απαιτεί πυρηνικές αντιδράσεις.

Κιλό προς κιλό, το καύσιμο πυραύλου έχει 10 φορές περισσότερη ενέργεια από τη σοκολάτα. Αλλά δεν μπορείτε να φάτε καύσιμο πυραύλου — η χημική ενέργεια ≠ μεταβολική ενέργεια!

Για χιλιετίες, οι άνθρωποι κατανοούσαν την ενέργεια μόνο μέσα από τα αποτελέσματά της: τη ζεστασιά από τη φωτιά, τη δύναμη από την τροφή και την ισχύ του νερού και του ανέμου. Η ενέργεια ήταν μια πρακτική πραγματικότητα χωρίς θεωρητική κατανόηση.

• **Κυριαρχία της φωτιάς** (~400.000 π.Χ.) - Οι άνθρωποι αξιοποιούν τη χημική ενέργεια για θερμότητα και φως
• **Νερόμυλοι** (~300 π.Χ.) - Έλληνες και Ρωμαίοι μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε μηχανικό έργο
• **Ανεμόμυλοι** (~600 μ.Χ.) - Οι Πέρσες αιχμαλωτίζουν την αιολική ενέργεια για την άλεση σιτηρών
• **Κατανόηση της διατροφής** (αρχαιότητα) - Η τροφή ως 'καύσιμο' για την ανθρώπινη δραστηριότητα, αν και ο μηχανισμός ήταν άγνωστος

Αυτές οι πρακτικές εφαρμογές προηγήθηκαν κάθε επιστημονικής θεωρίας κατά χιλιάδες χρόνια. Η ενέργεια ήταν γνωστή μέσω της εμπειρίας, όχι των εξισώσεων.

Η Βιομηχανική Επανάσταση απαίτησε καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η θερμότητα μετατρέπεται σε έργο. Οι μηχανικοί μέτρησαν την απόδοση των κινητήρων, οδηγώντας στη γέννηση της θερμοδυναμικής.

• **Βελτιώσεις του ατμοκινητήρα από τον Τζέιμς Βατ** (1769) - Ποσοτικοποίησε την παραγωγή έργου, εισήγαγε την ιπποδύναμη
• **Θεωρία της θερμικής μηχανής του Σαντί Καρνό** (1824) - Απέδειξε τα θεωρητικά όρια στη μετατροπή της θερμότητας σε έργο
• **Γιούλιους φον Μάγερ** (1842) - Πρότεινε το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας: η θερμότητα και το έργο είναι εναλλάξιμα
• **Πειράματα του Τζέιμς Τζάουλ** (1843-1850) - Μέτρησε με ακρίβεια: 1 θερμίδα = 4,184 τζάουλ μηχανικού έργου

Τα πειράματα του Τζάουλ απέδειξαν τη διατήρηση της ενέργειας: το μηχανικό έργο, η θερμότητα και η ηλεκτρική ενέργεια είναι διαφορετικές μορφές του ίδιου πράγματος.

Ο 19ος αιώνας συνέθεσε διαφορετικές παρατηρήσεις σε μια ενιαία έννοια: η ενέργεια διατηρείται, μετασχηματίζεται μεταξύ μορφών, αλλά ποτέ δεν δημιουργείται ή καταστρέφεται.

• **Χέρμαν φον Χέλμχολτς** (1847) - Επισημοποίησε τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας
• **Ρούντολφ Κλαούζιους** (1850) - Εισήγαγε την εντροπία, δείχνοντας ότι η ενέργεια υποβαθμίζεται σε ποιότητα
• **Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ** (1865) - Ενοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, δείχνοντας ότι το φως μεταφέρει ενέργεια
• **Λούντβιχ Μπόλτσμαν** (1877) - Συνέδεσε την ενέργεια με την ατομική κίνηση μέσω της στατιστικής μηχανικής

Μέχρι το 1900, η ενέργεια θεωρούνταν το κεντρικό νόμισμα της φυσικής—μετασχηματιζόμενη αλλά διατηρούμενη σε όλες τις φυσικές διαδικασίες.

Ο 20ος αιώνας αποκάλυψε την ενέργεια στα άκρα: την ισοδυναμία μάζας-ενέργειας του Αϊνστάιν και την κβαντομηχανική σε ατομικές κλίμακες.

• **Μαξ Πλανκ** (1900) - Κβάντισε την ενέργεια στην ακτινοβολία: E = hν (σταθερά του Πλανκ)
• **E=mc² του Αϊνστάιν** (1905) - Η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες. Μικρή μάζα = τεράστια ενέργεια
• **Νιλς Μπορ** (1913) - Τα ατομικά ενεργειακά επίπεδα εξηγούν τις φασματικές γραμμές. Το eV γίνεται φυσική μονάδα
• **Ενρίκο Φέρμι** (1942) - Η πρώτη ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση απελευθερώνει ενέργεια κλίμακας MeV
• **Πρόγραμμα Μανχάταν** (1945) - Η δοκιμή Trinity αποδεικνύει ισοδύναμο ~22 κιλοτόνων TNT (~90 TJ)

Η πυρηνική ενέργεια επικύρωσε το E=mc²: η σχάση μετατρέπει το 0,1% της μάζας σε ενέργεια—εκατομμύρια φορές πιο πυκνή από τα χημικά καύσιμα.

Η μεταπολεμική κοινωνία τυποποίησε τις μονάδες ενέργειας για τις υπηρεσίες κοινής ωφέλειας, τα τρόφιμα και τη φυσική, ενώ παράλληλα αντιμετώπιζε τα ορυκτά καύσιμα, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και την αποδοτικότητα.

• **Τυποποίηση της κιλοβατώρας** - Οι παγκόσμιες εταιρείες ηλεκτρισμού υιοθετούν την kWh για τη χρέωση
• **Επισήμανση θερμίδων** (1960-90) - Η ενέργεια των τροφίμων τυποποιείται. Ο FDA επιβάλλει τις διατροφικές πληροφορίες (1990)
• **Φωτοβολταϊκή επανάσταση** (1970-2020) - Η απόδοση των ηλιακών πάνελ αυξάνεται από <10% σε >20%
• **Μπαταρίες ιόντων λιθίου** (1991-σήμερα) - Η ενεργειακή πυκνότητα αυξάνεται από ~100 σε 250+ Wh/kg
• **Έξυπνα δίκτυα και αποθήκευση** (2010) - Διαχείριση ενέργειας σε πραγματικό χρόνο και μπαταρίες σε κλίμακα δικτύου

Ο 21ος αιώνας αναγνωρίζει το περιβαλλοντικό κόστος της ενέργειας. Η έμφαση μετατοπίζεται από την απλή παραγωγή ενέργειας στην αποδοτική παραγωγή καθαρής ενέργειας.

• **Ένταση άνθρακα** - Τα ορυκτά καύσιμα εκπέμπουν 400-1000 g CO₂/kWh. Οι ανανεώσιμες πηγές εκπέμπουν <50 g CO₂/kWh κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους
• **Κενά στην αποθήκευση ενέργειας** - Οι μπαταρίες αποθηκεύουν ~0,5 MJ/kg έναντι 46 MJ/kg της βενζίνης. Η ανησυχία για την αυτονομία παραμένει
• **Ενσωμάτωση στο δίκτυο** - Οι μεταβλητές ανανεώσιμες πηγές απαιτούν αποθήκευση και απόκριση στη ζήτηση
• **Απαιτήσεις απόδοσης** - LEDs (100 lm/W) έναντι λαμπτήρων πυράκτωσης (15 lm/W). Αντλίες θερμότητας (COP > 3) έναντι θέρμανσης με αντίσταση

Η μετάβαση σε μηδενικές εκπομπές απαιτεί την ηλεκτροδότηση των πάντων και την καθαρή παραγωγή αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας—μια πλήρης αναθεώρηση του ενεργειακού συστήματος.

Οι ετικέτες τροφίμων αναφέρουν την ενέργεια σε θερμίδες (kcal). Το σώμα σας τη μετατρέπει σε ATP για την κυτταρική εργασία με απόδοση ~25%.

• **Βασικός μεταβολικός ρυθμός** - ~1.500-2.000 kcal/ημέρα (6-8 MJ) για να παραμείνετε ζωντανοί
• **Τρέξιμο μαραθωνίου** - Καίει ~2.600 kcal (~11 MJ) σε 3-4 ώρες
• **Μπάρα σοκολάτας** - ~250 kcal θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν έναν φορητό υπολογιστή 60W για ~4,5 ώρες (αν ήταν 100% αποδοτικός)
• **Μαθηματικά δίαιτας** - 1 λίβρα λίπους = ~3.500 kcal έλλειμμα. Έλλειμμα 500 kcal/ημέρα = 1 λίβρα/εβδομάδα

Οι λογαριασμοί ηλεκτρικού ρεύματος χρεώνουν ανά kWh. Η κατανόηση της κατανάλωσης των συσκευών βοηθά στη μείωση του κόστους και του αποτυπώματος άνθρακα.

• **LED έναντι λαμπτήρα πυράκτωσης** - 10W LED = 60W λαμπτήρας πυράκτωσης. Εξοικονομεί 50W × 5 ώρες/ημέρα = 0,25 kWh/ημέρα = 9€/μήνα
• **Φορτία φάντασμα** - Οι συσκευές σε κατάσταση αναμονής σπαταλούν ~5-10% της ενέργειας του νοικοκυριού (~1 kWh/ημέρα)
• **Αντλίες θερμότητας** - Μετακινούν 3-4 kWh θερμότητας χρησιμοποιώντας 1 kWh ηλεκτρικής ενέργειας (COP > 3). Οι θερμαντήρες αντίστασης είναι 1:1
• **Φόρτιση ηλεκτρικού αυτοκινήτου** - Μπαταρία 60 kWh με 0,15€/kWh = 9€ για πλήρη φόρτιση (έναντι 40€ για ισοδύναμο βενζίνης)

Τα οχήματα μετατρέπουν την ενέργεια των καυσίμων σε κινητική ενέργεια με σημαντικές απώλειες. Τα ηλεκτρικά οχήματα είναι 3 φορές πιο αποδοτικά από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης.

• **Αυτοκίνητο βενζίνης** - 30% απόδοση. 1 γαλόνι (132 MJ) → 40 MJ χρήσιμο έργο, 92 MJ θερμότητα
• **Ηλεκτρικό αυτοκίνητο** - 85% απόδοση. 20 kWh (72 MJ) → 61 MJ στους τροχούς, 11 MJ απώλειες
• **Αναγεννητική πέδηση** - Ανακτά το 10-25% της κινητικής ενέργειας πίσω στην μπαταρία
• **Αεροδυναμική** - Ο διπλασιασμός της ταχύτητας τετραπλασιάζει την απαιτούμενη ισχύ οπισθέλκουσας (P ∝ v³)

Η βαριά βιομηχανία αντιπροσωπεύει το ~30% της παγκόσμιας χρήσης ενέργειας. Η απόδοση των διαδικασιών και η ανάκτηση της απορριπτόμενης θερμότητας είναι κρίσιμες.

• **Παραγωγή χάλυβα** - ~20 GJ ανά τόνο (5.500 kWh). Οι ηλεκτρικοί φούρνοι τόξου χρησιμοποιούν παλιοσίδερα και λιγότερη ενέργεια
• **Τήξη αλουμινίου** - ~45-55 GJ ανά τόνο. Γι' αυτό η ανακύκλωση εξοικονομεί 95% ενέργειας
• **Κέντρα δεδομένων** - ~200 TWh/έτος παγκοσμίως (2020). Το PUE (Αποτελεσματικότητα Χρήσης Ισχύος) μετρά την απόδοση
• **Παραγωγή τσιμέντου** - ~3-4 GJ ανά τόνο. Αντιπροσωπεύει το 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO₂

Η ηλιακή, η αιολική και η υδροηλεκτρική ενέργεια μετατρέπουν την περιβαλλοντική ενέργεια σε ηλεκτρισμό. Ο συντελεστής δυναμικότητας και η διακοπτόμενη λειτουργία διαμορφώνουν την ανάπτυξη.

• **Ηλιακό πάνελ** - ~20% απόδοση. 1 m² λαμβάνει ~1 kW μέγιστης ηλιοφάνειας → 200W × 5 ώρες ηλιοφάνειας/ημέρα = 1 kWh/ημέρα
• **Συντελεστής δυναμικότητας ανεμογεννήτριας** - 25-45%. Ανεμογεννήτρια 2 MW × 35% CF = 6.100 MWh/έτος
• **Υδροηλεκτρική** - 85-90% απόδοση. 1 m³/s που πέφτει από 100m ≈ 1 MW
• **Απόδοση αποθήκευσης μπαταρίας μετ' επιστροφής** - 85-95%. Απώλειες ως θερμότητα κατά τη φόρτιση/εκφόρτιση

Από επιταχυντές σωματιδίων έως σύντηξη με λέιζερ, η έρευνα στη φυσική λειτουργεί σε ακραίες συνθήκες ενέργειας.

• **Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων** - 362 MJ αποθηκευμένα στη δέσμη. Συγκρούσεις πρωτονίων στα 13 TeV
• **Σύντηξη με λέιζερ** - Το NIF παρέχει ~2 MJ σε νανοδευτερόλεπτα. Πέτυχε το σημείο ισορροπίας το 2022 (~3 MJ έξοδος)
• **Ιατρικά ισότοπα** - Τα κύκλοτρα επιταχύνουν πρωτόνια σε 10-20 MeV για απεικόνιση PET
• **Κοσμικές ακτίνες** - Το πιο ενεργητικό σωματίδιο που ανιχνεύτηκε: ~3×10²⁰ eV (~50 J σε ένα πρωτόνιο!)

Το kW είναι ισχύς (ρυθμός). Το kWh είναι ενέργεια (kW × ώρες). Οι λογαριασμοί χρησιμοποιούν kWh.

Ναι. Η ‘Θερμίδα’ των τροφίμων ισούται με 1 χιλιοθερμίδα (kcal) = 4,184 kJ.

Ενέργεια (kWh) × τιμολόγιο (ανά kWh). Παράδειγμα: 2 kWh × 0,20€ = 0,40€.

Οι ιστορικές μετρήσεις σε διαφορετικές θερμοκρασίες οδήγησαν σε παραλλαγές (IT, θερμοχημική). Για τη διατροφή, χρησιμοποιήστε kcal.

Το eV είναι φυσικό για ατομικές/σωματιδιακές κλίμακες. Μετατρέψτε σε J για μακροσκοπικά πλαίσια.

Η πραγματική παραγωγή ενέργειας με την πάροδο του χρόνου διαιρεμένη με την παραγωγή εάν το εργοστάσιο λειτουργούσε με πλήρη ισχύ το 100% του χρόνου.