مبدل انرژی
انرژی — از کالری تا کیلوواتساعت
انرژی را در زندگی روزمره درک کنید: کالری غذا، کیلوواتساعت لوازم خانگی، BTU در گرمایش، و الکترونولت در فیزیک. با مثالهای واضح با اطمینان تبدیل کنید.
مبانی انرژی
انرژی چیست؟
ظرفیت انجام کار یا تولید گرما. اغلب به عنوان کار مکانیکی، گرما یا انرژی الکتریکی اندازهگیری میشود.
توان با زمان به انرژی مربوط میشود: توان = انرژی/زمان (W = J/s).
- پایه SI: ژول (J)
- الکتریکی: واتساعت و کیلوواتساعت
- تغذیه: کالری = کیلوکالری (kcal)
زمینه روزمره
قبوض برق به کیلوواتساعت محاسبه میشود؛ لوازم خانگی توان (W) را فهرست میکنند و شما آن را در زمان ضرب میکنید تا کیلوواتساعت را بدست آورید.
برچسبهای مواد غذایی از کالری (kcal) استفاده میکنند. گرمایش/سرمایش اغلب از BTU استفاده میکند.
- شارژ تلفن: ~۱۰ واتساعت
- دوش (۱۰ دقیقه، بخاری ۷ کیلووات): ~۱.۱۷ کیلوواتساعت
- وعده غذایی: ~۶۰۰–۸۰۰ کیلوکالری
علم و میکروانرژی
فیزیک ذرات از eV برای انرژیهای فوتون و ذرات استفاده میکند.
در مقیاسهای اتمی، انرژیهای هارتری و ریدبرگ در مکانیک کوانتومی ظاهر میشوند.
- ۱ eV = ۱.۶۰۲×۱۰⁻¹⁹ J
- فوتون مرئی: ~۲–۳ eV
- انرژی پلانک بسیار بزرگ است (نظری)
- برای وضوح و دقت، از طریق ژول (J) تبدیل کنید
- کیلوواتساعت برای انرژی خانگی مناسب است؛ کیلوکالری برای تغذیه
- BTU در HVAC رایج است؛ eV در فیزیک
کمکهای حافظه
محاسبه ذهنی سریع
کیلوواتساعت ↔ مگاژول
۱ کیلوواتساعت = ۳.۶ مگاژول دقیقاً. در ۳.۶ ضرب یا بر ۳.۶ تقسیم کنید.
کیلوکالری ↔ کیلوژول
۱ کیلوکالری ≈ ۴.۲ کیلوژول. برای تخمینهای سریع به ۴ گرد کنید.
BTU ↔ کیلوژول
۱ BTU ≈ ۱.۰۵۵ کیلوژول. تقریباً ۱ BTU ≈ ۱ کیلوژول برای تخمینها.
واتساعت ↔ ژول
۱ واتساعت = ۳,۶۰۰ ژول. فکر کنید: ۱ وات برای ۱ ساعت = ۳,۶۰۰ ثانیه.
کالری غذا
۱ کالری (غذا) = ۱ کیلوکالری = ۴.۱۸۴ کیلوژول. حرف بزرگ 'C' به معنای کیلوکالری است!
کیلووات × ساعت → کیلوواتساعت
توان × زمان = انرژی. بخاری ۲ کیلووات × ۳ ساعت = ۶ کیلوواتساعت مصرف شده.
مراجع بصری انرژی
| Scenario | Energy | Visual Reference |
|---|---|---|
| لامپ LED (۱۰ وات، ۱۰ ساعت) | ۱۰۰ واتساعت (۰.۱ کیلوواتساعت) | با نرخهای معمول حدود ۰.۰۱ دلار هزینه دارد |
| شارژ کامل گوشی هوشمند | ۱۰-۱۵ واتساعت | برای شارژ کردن حدود ۶۰-۹۰ بار از ۱ کیلوواتساعت کافی است |
| یک تکه نان | ۸۰ کیلوکالری (۳۳۵ کیلوژول) | میتواند یک لامپ ۱۰۰ وات را برای حدود ۱ ساعت روشن نگه دارد |
| دوش آب گرم (۱۰ دقیقه) | ۱-۲ کیلوواتساعت | همان انرژی که یخچال شما در یک روز مصرف میکند |
| یک وعده غذایی کامل | ۶۰۰ کیلوکالری (۲.۵ مگاژول) | انرژی کافی برای بلند کردن یک ماشین به ارتفاع ۱ متر از زمین |
| باتری خودروی الکتریکی (۶۰ کیلوواتساعت) | ۲۱۶ مگاژول | معادل ۳۰,۰۰۰ کالری غذا یا ۲۰ روز غذا خوردن |
| یک لیتر بنزین | ۳۴ مگاژول (۹.۴ کیلوواتساعت) | اما موتورها ۷۰٪ آن را به صورت گرما هدر میدهند! |
| صاعقه | ۱-۵ گیگاژول | بسیار زیاد به نظر میرسد اما فقط یک خانه را برای چند ساعت روشن میکند |
اشتباهات رایج
- اشتباه گرفتن کیلووات و کیلوواتساعتFix: کیلووات توان (نرخ) است، کیلوواتساعت انرژی (مقدار) است. یک بخاری ۲ کیلوواتی که ۳ ساعت کار میکند، ۶ کیلوواتساعت مصرف میکند.
- کالری (Calorie) در مقابل کالری (calorie)Fix: برچسبهای مواد غذایی از «کالری» (با حرف بزرگ C) استفاده میکنند که برابر است با کیلوکالری = ۱,۰۰۰ کالری (با حرف کوچک c). ۱ کالری غذایی = ۱ کیلوکالری = ۴.۱۸۴ کیلوژول.
- نادیده گرفتن بازدهFix: بنزین ۹.۴ کیلوواتساعت در هر لیتر انرژی دارد، اما بازده موتورها فقط ۲۵-۳۰٪ است. انرژی مفید واقعی حدود ۲.۵ کیلوواتساعت در هر لیتر است!
- میلیآمپر ساعت باتری بدون ولتاژFix: ۱۰,۰۰۰ میلیآمپر ساعت بدون ولتاژ هیچ معنایی ندارد! در ۳.۷ ولت: ۱۰,۰۰۰ میلیآمپر ساعت × ۳.۷ ولت ÷ ۱۰۰۰ = ۳۷ واتساعت.
- اشتباه گرفتن قبوض انرژی و توانFix: قبوض برق بر اساس کیلوواتساعت (انرژی) محاسبه میشود، نه کیلووات (توان). نرخ شما دلار/کیلوواتساعت است، نه دلار/کیلووات.
- فراموش کردن زمان در محاسبات انرژیFix: توان × زمان = انرژی. روشن کردن یک بخاری ۱,۵۰۰ واتی برای ۲ ساعت = ۳ کیلوواتساعت، نه ۱.۵ کیلوواتساعت!
هر واحد در کجا کاربرد دارد
خانه و لوازم خانگی
انرژی الکتریکی به کیلوواتساعت محاسبه میشود؛ مصرف را با ضرب توان در زمان تخمین بزنید.
- لامپ LED ۱۰ وات × ۵ ساعت ≈ ۰.۰۵ کیلوواتساعت
- فر ۲ کیلووات × ۱ ساعت = ۲ کیلوواتساعت
- قبض ماهانه مجموع تمام دستگاهها است
غذا و تغذیه
کالری روی برچسبها کیلوکالری (kcal) است و اغلب با کیلوژول (kJ) همراه است.
- ۱ کیلوکالری = ۴.۱۸۴ کیلوژول
- مصرف روزانه ~۲,۰۰۰–۲,۵۰۰ کیلوکالری
- کیلوکالری و کالری (غذا) یکی هستند
گرمایش و سوختها
BTU، ترم و معادلهای سوخت (BOE/TOE) در HVAC و بازارهای انرژی ظاهر میشوند.
- ۱ ترم = ۱۰۰,۰۰۰ BTU
- گاز طبیعی و نفت از معادلهای استاندارد استفاده میکنند
- تبدیل کیلوواتساعت ↔ BTU رایج است
نحوه کار تبدیلها
- واتساعت × ۳۶۰۰ → ژول؛ کیلوواتساعت × ۳.۶ → مگاژول
- کیلوکالری × ۴.۱۸۴ → کیلوژول؛ کالری × ۴.۱۸۴ → ژول
- eV × ۱.۶۰۲×۱۰⁻¹⁹ → ژول؛ ژول ÷ ۱.۶۰۲×۱۰⁻¹⁹ → eV
تبدیلهای رایج
| از | به | ضریب | مثال |
|---|---|---|---|
| کیلوواتساعت | مگاژول | × ۳.۶ | ۲ کیلوواتساعت = ۷.۲ مگاژول |
| کیلوکالری | کیلوژول | × ۴.۱۸۴ | ۵۰۰ کیلوکالری = ۲,۰۹۲ کیلوژول |
| BTU | ژول | × ۱,۰۵۵.۰۶ | ۱۰,۰۰۰ BTU ≈ ۱۰.۵۵ مگاژول |
| واتساعت | ژول | × ۳,۶۰۰ | ۲۵۰ واتساعت = ۹۰۰,۰۰۰ ژول |
| eV | ژول | × ۱.۶۰۲×۱۰⁻¹⁹ | ۲ eV ≈ ۳.۲۰۴×۱۰⁻¹⁹ ژول |
مثالهای سریع
مرجع سریع
محاسبه سریع هزینه لوازم خانگی
انرژی (کیلوواتساعت) × قیمت هر کیلوواتساعت
- مثال: ۲ کیلوواتساعت × ۰.۲۰ دلار = ۰.۴۰ دلار
- ۱,۰۰۰ وات × ۳ ساعت = ۳ کیلوواتساعت
برگه تقلب باتری
میلیآمپر ساعت × ولت ÷ ۱۰۰۰ ≈ واتساعت
- ۱۰,۰۰۰ میلیآمپر ساعت × ۳.۷ ولت ≈ ۳۷ واتساعت
- واتساعت ÷ وات دستگاه ≈ زمان کار (ساعت)
محاسبه سریع CO₂
انتشار گازهای گلخانهای از مصرف برق را تخمین بزنید
- CO₂ = کیلوواتساعت × شدت شبکه
- مثال: ۵ کیلوواتساعت × ۴۰۰ گرم CO₂/کیلوواتساعت = ۲,۰۰۰ گرم (۲ کیلوگرم)
- شبکه کمکربن (۱۰۰ گرم/کیلوواتساعت) این مقدار را ۷۵٪ کاهش میدهد
اشتباهات توان در مقابل انرژی
سردرگمیهای رایج
- کیلووات توان (نرخ) است؛ کیلوواتساعت انرژی (مقدار) است
- یک بخاری ۲ کیلوواتی برای ۳ ساعت، ۶ کیلوواتساعت مصرف میکند
- قبوض از کیلوواتساعت استفاده میکنند؛ پلاکهای دستگاهها وات/کیلووات را نشان میدهند
مقدمهای بر انرژیهای تجدیدپذیر
مبانی انرژی خورشیدی و بادی
انرژیهای تجدیدپذیر توان (کیلووات) تولید میکنند که در طول زمان به انرژی (کیلوواتساعت) تبدیل میشود.
خروجی با آب و هوا تغییر میکند؛ میانگینهای بلندمدت اهمیت دارند.
- ضریب ظرفیت: درصد خروجی حداکثر در طول زمان
- انرژی خورشیدی روی سقف: ~۹۰۰–۱,۴۰۰ کیلوواتساعت/کیلووات·سال (بسته به مکان)
- مزارع بادی: ضریب ظرفیت اغلب ۲۵–۴۵٪
ذخیرهسازی و جابجایی
باتریها مازاد را ذخیره کرده و انرژی را به زمانی که مورد نیاز است، منتقل میکنند.
- ظرفیت کیلوواتساعت در مقابل توان کیلووات اهمیت دارد
- بازده رفت و برگشت < ۱۰۰٪ (تلفات)
- تعرفههای زمان استفاده، جابجایی را تشویق میکنند
برگه تقلب چگالی انرژی
| منبع | بر اساس جرم | بر اساس حجم | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| بنزین | ~۴۶ مگاژول/کیلوگرم (~۱۲.۸ کیلوواتساعت/کیلوگرم) | ~۳۴ مگاژول/لیتر (~۹.۴ کیلوواتساعت/لیتر) | تقریبی؛ بسته به ترکیب |
| دیزل | ~۴۵ مگاژول/کیلوگرم | ~۳۶ مگاژول/لیتر | کمی چگالی حجمی بالاتر از بنزین |
| سوخت جت | ~۴۳ مگاژول/کیلوگرم | ~۳۴ مگاژول/لیتر | محدوده نفت سفید |
| اتانول | ~۳۰ مگاژول/کیلوگرم | ~۲۴ مگاژول/لیتر | کمتر از بنزین |
| هیدروژن (۷۰۰ بار) | ~۱۲۰ مگاژول/کیلوگرم | ~۵–۶ مگاژول/لیتر | زیاد بر اساس جرم، کم بر اساس حجم |
| گاز طبیعی (STP) | ~۵۵ مگاژول/کیلوگرم | ~۰.۰۳۶ مگاژول/لیتر | فشرده/LNG چگالی حجمی بسیار بالاتری دارد |
| باتری لیتیوم-یون | ~۰.۶–۰.۹ مگاژول/کیلوگرم (۱۶۰–۲۵۰ واتساعت/کیلوگرم) | ~۱.۴–۲.۵ مگاژول/لیتر | بسته به شیمی |
| باتری سرب-اسید | ~۰.۱۱–۰.۱۸ مگاژول/کیلوگرم | ~۰.۳–۰.۵ مگاژول/لیتر | چگالی کم، ارزان |
| چوب (خشک) | ~۱۶ مگاژول/کیلوگرم | متغیر | بسته به گونه و رطوبت |
مقایسه انرژی در مقیاسهای مختلف
| کاربرد | ژول (J) | کیلوواتساعت | کیلوکالری | BTU |
|---|---|---|---|---|
| یک فوتون (مرئی) | ~۳×۱۰⁻¹⁹ | ~۱۰⁻²² | ~۷×۱۰⁻²⁰ | ~۳×۱۰⁻²² |
| یک الکترونولت | ۱.۶×۱۰⁻¹⁹ | ۴.۵×۱۰⁻²³ | ۳.۸×۱۰⁻²⁰ | ۱.۵×۱۰⁻²² |
| مورچهای که یک دانه را بلند میکند | ~۱۰⁻⁶ | ~۱۰⁻⁹ | ~۲×۱۰⁻⁷ | ~۱۰⁻⁹ |
| باتری AA | ۹,۳۶۰ | ۰.۰۰۲۶ | ۲.۲ | ۸.۹ |
| شارژ گوشی هوشمند | ۵۰,۰۰۰ | ۰.۰۱۴ | ۱۲ | ۴۷ |
| یک تکه نان | ۳۳۵,۰۰۰ | ۰.۰۹۳ | ۸۰ | ۳۱۸ |
| یک وعده غذایی کامل | ۲,۵۰۰,۰۰۰ | ۰.۶۹ | ۶۰۰ | ۲,۳۷۰ |
| دوش آب گرم (۱۰ دقیقه) | ۵.۴ مگاژول | ۱.۵ | ۱,۲۹۰ | ۵,۱۲۰ |
| مصرف روزانه غذا | ۱۰ مگاژول | ۲.۸ | ۲,۴۰۰ | ۹,۴۸۰ |
| یک لیتر بنزین | ۳۴ مگاژول | ۹.۴ | ۸,۱۲۰ | ۳۲,۲۰۰ |
| باتری تسلا (۶۰ کیلوواتساعت) | ۲۱۶ مگاژول | ۶۰ | ۵۱,۶۰۰ | ۲۰۵,۰۰۰ |
| صاعقه | ۱-۵ گیگاژول | ۳۰۰-۱,۴۰۰ | ۲۴۰هزار-۱.۲میلیون | ۹۵۰هزار-۴.۷میلیون |
| یک تن TNT | ۴.۱۸۴ گیگاژول | ۱,۱۶۲ | ۱,۰۰۰,۰۰۰ | ۳.۹۷میلیون |
| بمب هیروشیما | ۶۳ تِراژول | ۱۷.۵میلیون | ۱۵ میلیارد | ۶۰ میلیارد |
معیارهای روزمره
| چیز | انرژی معمول | یادداشتها |
|---|---|---|
| شارژ کامل تلفن | ~۱۰–۱۵ واتساعت | ~۳۶–۵۴ کیلوژول |
| باتری لپتاپ | ~۵۰–۱۰۰ واتساعت | ~۰.۱۸–۰.۳۶ مگاژول |
| ۱ تکه نان | ~۷۰–۱۰۰ کیلوکالری | ~۲۹۰–۴۲۰ کیلوژول |
| دوش آب گرم (۱۰ دقیقه) | ~۱–۲ کیلوواتساعت | توان × زمان |
| بخاری فضایی (۱ ساعت) | ۱–۲ کیلوواتساعت | بسته به تنظیم توان |
| بنزین (۱ لیتر) | ~۳۴ مگاژول | ارزش حرارتی پایین (تقریبی) |
حقایق شگفتانگیز انرژی
باتری خودروی الکتریکی در مقابل خانه
یک باتری ۶۰ کیلوواتساعتی تسلا همان انرژی را ذخیره میکند که یک خانه معمولی در ۲-۳ روز مصرف میکند — تصور کنید ۳ روز برق را در ماشین خود حمل میکنید!
ترم مرموز
یک ترم ۱۰۰,۰۰۰ BTU (۲۹.۳ کیلوواتساعت) است. قبوض گاز طبیعی از ترم استفاده میکنند زیرا گفتن «۵۰ ترم» آسانتر از «۵ میلیون BTU» است!
ترفند حرف بزرگ کالری
برچسبهای مواد غذایی از «کالری» (با حرف بزرگ C) استفاده میکنند که در واقع یک کیلوکالری است! بنابراین آن کلوچه ۲۰۰ کالری در واقع ۲۰۰,۰۰۰ کالری (با حرف کوچک c) است.
راز کثیف بنزین
۱ لیتر بنزین ۹.۴ کیلوواتساعت انرژی دارد، اما موتورها ۷۰٪ آن را به صورت گرما هدر میدهند! فقط حدود ۲.۵ کیلوواتساعت واقعاً ماشین شما را حرکت میدهد. خودروهای الکتریکی فقط حدود ۱۰-۱۵٪ هدر میدهند.
معیار ۱ کیلوواتساعت
۱ کیلوواتساعت میتواند: یک لامپ ۱۰۰ وات را برای ۱۰ ساعت روشن کند، ۱۰۰ گوشی هوشمند را شارژ کند، ۱۴۰ تکه نان را تست کند، یا یخچال شما را برای ۲۴ ساعت روشن نگه دارد!
جادوی ترمز احیاکننده
خودروهای الکتریکی ۱۵-۲۵٪ از انرژی را هنگام ترمز کردن با تبدیل موتور به ژنراتور بازیابی میکنند. این انرژی رایگان از انرژی جنبشی هدر رفته است!
E=mc² شگفتانگیز است
بدن شما به اندازهای انرژی-جرم (E=mc²) دارد که تمام شهرهای زمین را برای یک هفته تأمین کند! اما تبدیل جرم به انرژی به واکنشهای هستهای نیاز دارد.
سوخت موشک در مقابل غذا
پوند به پوند، سوخت موشک ۱۰ برابر انرژی شکلات دارد. اما شما نمیتوانید سوخت موشک بخورید — انرژی شیمیایی ≠ انرژی متابولیک!
رکوردها و موارد شدید
| رکورد | انرژی | یادداشتها |
|---|---|---|
| مصرف روزانه خانوار | ~۱۰–۳۰ کیلوواتساعت | بسته به آب و هوا و لوازم خانگی متفاوت است |
| صاعقه | ~۱–۱۰ گیگاژول | بسیار متغیر |
| ۱ مگاتن TNT | ۴.۱۸۴ پِتاژول | معادل انفجاری |
اکتشاف انرژی: از آتش باستان تا فیزیک مدرن
انرژی باستان: آتش، غذا و نیروی عضلانی
برای هزاران سال، انسانها انرژی را فقط از طریق تأثیرات آن درک میکردند: گرمای آتش، قدرت غذا و نیروی آب و باد. انرژی یک واقعیت عملی بدون درک نظری بود.
- **تسلط بر آتش** (~۴۰۰,۰۰۰ سال قبل از میلاد) - انسانها از انرژی شیمیایی برای گرما و نور استفاده میکنند
- **چرخهای آبی** (~۳۰۰ سال قبل از میلاد) - یونانیان و رومیان انرژی جنبشی را به کار مکانیکی تبدیل میکنند
- **آسیابهای بادی** (~۶۰۰ میلادی) - ایرانیان انرژی باد را برای آسیاب کردن غلات مهار میکنند
- **درک تغذیه** (باستان) - غذا به عنوان «سوخت» برای فعالیت انسان، هرچند مکانیسم آن ناشناخته بود
این کاربردهای عملی هزاران سال پیش از هر نظریه علمی وجود داشتند. انرژی از طریق تجربه شناخته میشد، نه معادلات.
عصر مکانیکی: بخار، کار و بازده (۱۶۰۰-۱۸۵۰)
انقلاب صنعتی به درک بهتری از چگونگی تبدیل گرما به کار نیاز داشت. مهندسان بازده موتورها را اندازهگیری کردند که منجر به تولد ترمودینامیک شد.
- **بهبودهای موتور بخار جیمز وات** (۱۷۶۹) - خروجی کار را کمیسازی کرد، اسب بخار را معرفی کرد
- **نظریه موتور حرارتی سادی کارنو** (۱۸۲۴) - محدودیتهای نظری تبدیل گرما به کار را اثبات کرد
- **جولیوس فون مایر** (۱۸۴۲) - معادل مکانیکی گرما را پیشنهاد کرد: گرما و کار قابل تعویض هستند
- **آزمایشهای جیمز ژول** (۱۸۴۳-۱۸۵۰) - به طور دقیق اندازهگیری کرد: ۱ کالری = ۴.۱۸۴ ژول کار مکانیکی
آزمایشهای ژول پایستگی انرژی را اثبات کرد: کار مکانیکی، گرما و الکتریسیته اشکال مختلف یک چیز هستند.
انرژی یکپارچه: پایستگی و اشکال (۱۸۵۰-۱۹۰۰)
قرن نوزدهم مشاهدات پراکنده را در یک مفهوم واحد ترکیب کرد: انرژی پایسته است، بین اشکال مختلف تبدیل میشود اما هرگز ایجاد یا از بین نمیرود.
- **هرمان فون هلمهولتز** (۱۸۴۷) - قانون پایستگی انرژی را رسمیت بخشید
- **رودولف کلاوزیوس** (دهه ۱۸۵۰) - آنتروپی را معرفی کرد و نشان داد که کیفیت انرژی کاهش مییابد
- **جیمز کلرک ماکسول** (۱۸۶۵) - الکتریسیته و مغناطیس را یکپارچه کرد و نشان داد که نور انرژی حمل میکند
- **لودویگ بولتزمن** (۱۸۷۷) - انرژی را از طریق مکانیک آماری به حرکت اتمی مرتبط کرد
تا سال ۱۹۰۰، انرژی به عنوان واحد پول مرکزی فیزیک درک میشد—که در تمام فرآیندهای طبیعی تغییر شکل میدهد اما پایسته است.
عصر کوانتوم و اتمی: E=mc² و مقیاسهای زیراتمی (۱۹۰۰-۱۹۴۵)
قرن بیستم انرژی را در حالتهای شدید آشکار کرد: همارزی جرم-انرژی انیشتین و مکانیک کوانتومی در مقیاسهای اتمی.
- **ماکس پلانک** (۱۹۰۰) - انرژی را در تابش کوانتومی کرد: E = hν (ثابت پلانک)
- **E=mc² انیشتین** (۱۹۰۵) - جرم و انرژی همارز هستند؛ جرم کوچک = انرژی عظیم
- **نیلز بور** (۱۹۱۳) - سطوح انرژی اتمی خطوط طیفی را توضیح میدهد؛ eV به واحد طبیعی تبدیل میشود
- **انریکو فرمی** (۱۹۴۲) - اولین واکنش زنجیرهای هستهای کنترلشده انرژی در مقیاس MeV آزاد میکند
- **پروژه منهتن** (۱۹۴۵) - آزمایش ترینیتی معادل ~۲۲ کیلوتن TNT (~۹۰ تراژول) را نشان میدهد
انرژی هستهای E=mc² را تأیید کرد: شکافت ۰.۱٪ از جرم را به انرژی تبدیل میکند—میلیونها بار متراکمتر از سوختهای شیمیایی.
چشمانداز انرژی مدرن (۱۹۵۰-اکنون)
جامعه پس از جنگ واحدهای انرژی را برای خدمات عمومی، غذا و فیزیک استاندارد کرد در حالی که با سوختهای فسیلی، انرژیهای تجدیدپذیر و بازده دست و پنجه نرم میکرد.
- **استانداردسازی کیلوواتساعت** - شرکتهای برق جهانی کیلوواتساعت را برای صورتحساب پذیرفتند
- **برچسبگذاری کالری** (دهههای ۱۹۶۰-۹۰) - انرژی غذا استاندارد شد؛ FDA حقایق تغذیهای را الزامی کرد (۱۹۹۰)
- **انقلاب فتوولتائیک** (دهههای ۱۹۷۰-۲۰۲۰) - بازده پنلهای خورشیدی از <۱۰٪ به >۲۰٪ افزایش یافت
- **باتریهای لیتیوم-یون** (۱۹۹۱-اکنون) - چگالی انرژی از ~۱۰۰ به ۲۵۰+ واتساعت/کیلوگرم افزایش یافت
- **شبکههای هوشمند و ذخیرهسازی** (دهه ۲۰۱۰) - مدیریت انرژی در زمان واقعی و باتریهای در مقیاس شبکه
عصر اقلیم: کربنزدایی از سیستمهای انرژی
قرن بیست و یکم هزینه زیستمحیطی انرژی را به رسمیت میشناسد. تمرکز از صرفاً تولید انرژی به تولید کارآمد انرژی پاک تغییر میکند.
- **شدت کربن** - سوختهای فسیلی ۴۰۰-۱۰۰۰ گرم CO₂/کیلوواتساعت منتشر میکنند؛ انرژیهای تجدیدپذیر <۵۰ گرم CO₂/کیلوواتساعت در چرخه عمر منتشر میکنند
- **شکافهای ذخیرهسازی انرژی** - باتریها ~۰.۵ مگاژول/کیلوگرم در مقابل ۴۶ مگاژول/کیلوگرم بنزین ذخیره میکنند؛ اضطراب برد همچنان باقی است
- **ادغام شبکه** - انرژیهای تجدیدپذیر متغیر به ذخیرهسازی و پاسخ به تقاضا نیاز دارند
- **ضرورتهای بازده** - LEDها (۱۰۰ لومن/وات) در مقابل لامپهای رشتهای (۱۵ لومن/وات)؛ پمپهای حرارتی (COP > ۳) در مقابل گرمایش مقاومتی
انتقال به صفر خالص نیازمند برقرسانی به همه چیز و تولید پاک آن برق است—یک بازنگری کامل در سیستم انرژی.
نقاط عطف کلیدی در علم انرژی
مقیاس انرژی: از زمزمههای کوانتومی تا انفجارهای کیهانی
انرژی طیف غیرقابل تصوری را در بر میگیرد: از فوتونهای منفرد تا ابرنواخترها. درک این مقیاسها به زمینهسازی مصرف روزانه انرژی کمک میکند.
کوانتومی و مولکولی (۱۰⁻¹⁹ تا ۱۰⁻¹⁵ ژول)
Typical units: eV تا meV
- **انرژی حرارتی در هر مولکول** (دمای اتاق) - ~۰.۰۴ eV (~۶×۱۰⁻²¹ ژول)
- **فوتون مرئی** - ۱.۸-۳.۱ eV (نور قرمز تا بنفش)
- **شکستن پیوند شیمیایی** - ۱-۱۰ eV (پیوندهای کووالانسی)
- **فوتون اشعه ایکس** - ۱-۱۰۰ keV
مقیاس میکروسکوپی و انسانی (۱ میلیژول تا ۱ مگاژول)
Typical units: میلیژول، ژول، کیلوژول
- **پشه در حال پرواز** - ~۰.۱ میلیژول
- **شارژ کامل باتری AA** - ~۱۰ کیلوژول (۲.۷ واتساعت)
- **یک شکلات** - ~۱ مگاژول (۲۴۰ کیلوکالری)
- **انسان در حال استراحت (۱ ساعت)** - ~۳۰۰ کیلوژول (نرخ متابولیک ۷۵ کیلوکالری)
- **باتری گوشی هوشمند** - ~۵۰ کیلوژول (۱۴ واتساعت)
- **نارنجک دستی** - ~۴۰۰ کیلوژول
خانگی و وسایل نقلیه (۱ مگاژول تا ۱ گیگاژول)
Typical units: مگاژول، کیلوواتساعت
- **دوش آب گرم (۱۰ دقیقه)** - ۴-۷ مگاژول (۱-۲ کیلوواتساعت)
- **مصرف روزانه غذا** - ~۱۰ مگاژول (۲,۴۰۰ کیلوکالری)
- **یک لیتر بنزین** - ۳۴ مگاژول (۹.۴ کیلوواتساعت)
- **باتری تسلا مدل ۳** - ~۲۱۶ گیگاژول (۶۰ کیلوواتساعت)
- **مصرف روزانه خانوار** - ۳۶-۱۰۸ مگاژول (۱۰-۳۰ کیلوواتساعت)
- **یک گالن بنزین** - ~۱۳۲ مگاژول (۳۶.۶ کیلوواتساعت)
صنعتی و شهری (۱ گیگاژول تا ۱ تراژول)
Typical units: گیگاژول، مگاواتساعت
- **صاعقه** - ۱-۱۰ گیگاژول (بسیار متغیر)
- **تصادف خودروی کوچک (۶۰ مایل در ساعت)** - ~۱ گیگاژول (انرژی جنبشی)
- **یک تن TNT** - ۴.۱۸۴ گیگاژول
- **سوخت جت (۱ تن)** - ~۴۳ گیگاژول
- **برق روزانه یک بلوک شهری** - ~۱۰۰-۵۰۰ گیگاژول
رویدادهای بزرگمقیاس (۱ تراژول تا ۱ پتاژول)
Typical units: تراژول، گیگاواتساعت
- **یک کیلوتن TNT** - ۴.۱۸۴ تراژول (هیروشیما: ~۶۳ تراژول)
- **تولید روزانه یک نیروگاه کوچک** - ~۱۰ تراژول (نیروگاه ۱۰۰ مگاواتی)
- **تولید سالانه یک مزرعه بادی بزرگ** - ~۱-۵ پتاژول
- **پرتاب شاتل فضایی** - ~۱۸ تراژول (انرژی سوخت)
تمدن و ژئوفیزیک (۱ پتاژول تا ۱ اِکساژول)
Typical units: پتاژول، تراواتساعت
- **سلاح هستهای مگاتنی** - ۴,۱۸۴ پتاژول (بمب تزار: ~۲۱۰ پتاژول)
- **زلزله بزرگ (بزرگی ۷)** - ~۳۲ پتاژول
- **طوفان (انرژی کل)** - ~۶۰۰ پتاژول/روز (بیشتر به صورت گرمای نهان)
- **تولید سالانه سد هوور** - ~۱۵ پتاژول (۴ تراواتساعت)
- **مصرف سالانه انرژی یک کشور کوچک** - ~۱۰۰-۱,۰۰۰ پتاژول
سیارهای و ستارهای (۱ اِکساژول تا ۱۰⁴⁴ ژول)
Typical units: اِکساژول، زِتاژول و فراتر
- **مصرف سالانه انرژی آمریکا** - ~۱۰۰ اِکساژول (~۲۸,۰۰۰ تراواتساعت)
- **مصرف جهانی سالانه انرژی** - ~۶۰۰ اِکساژول (۲۰۲۰)
- **فوران کراکاتوآ (۱۸۸۳)** - ~۸۴۰ پتاژول
- **برخورد سیارک چیکشلوب** - ~۴×۱۰²³ ژول (۱۰۰ میلیون مگاتن)
- **تولید روزانه خورشید** - ~۳.۳×۱۰³¹ ژول
- **ابرنواختر (نوع Ia)** - ~۱۰⁴⁴ ژول (foe)
هر عملی—از برخورد یک فوتون به چشم شما تا انفجار یک ستاره—یک تبدیل انرژی است. ما در یک باند باریک زندگی میکنیم: از مگاژول تا گیگاژول.
انرژی در عمل: کاربردهای دنیای واقعی در حوزههای مختلف
تغذیه و متابولیسم
برچسبهای مواد غذایی انرژی را به کالری (کیلوکالری) فهرست میکنند. بدن شما این را با بازده حدود ۲۵٪ به ATP برای کار سلولی تبدیل میکند.
- **نرخ متابولیک پایه** - ~۱,۵۰۰-۲,۰۰۰ کیلوکالری/روز (۶-۸ مگاژول) برای زنده ماندن
- **دویدن ماراتن** - حدود ۲,۶۰۰ کیلوکالری (~۱۱ مگاژول) در ۳-۴ ساعت میسوزاند
- **یک شکلات** - ~۲۵۰ کیلوکالری میتواند یک لپتاپ ۶۰ واتی را برای حدود ۴.۵ ساعت روشن نگه دارد (اگر ۱۰۰٪ کارآمد باشد)
- **ریاضیات رژیم غذایی** - ۱ پوند چربی = ~۳,۵۰۰ کیلوکالری کسری؛ ۵۰۰ کیلوکالری/روز کسری = ۱ پوند/هفته
مدیریت انرژی خانگی
قبوض برق بر اساس کیلوواتساعت محاسبه میشود. درک مصرف لوازم خانگی به کاهش هزینهها و ردپای کربن کمک میکند.
- **LED در مقابل لامپ رشتهای** - ۱۰ وات LED = ۶۰ وات نور رشتهای؛ ۵۰ وات × ۵ ساعت/روز = ۰.۲۵ کیلوواتساعت/روز = ۹ دلار/ماه صرفهجویی
- **بارهای فانتوم** - دستگاههای در حالت آمادهبهکار حدود ۵-۱۰٪ از انرژی خانوار را هدر میدهند (~۱ کیلوواتساعت/روز)
- **پمپهای حرارتی** - ۳-۴ کیلوواتساعت گرما را با استفاده از ۱ کیلوواتساعت برق جابجا میکنند (COP > ۳)؛ بخاریهای مقاومتی ۱:۱ هستند
- **شارژ خودروی الکتریکی** - باتری ۶۰ کیلوواتساعتی با قیمت ۰.۱۵ دلار/کیلوواتساعت = ۹ دلار برای شارژ کامل (در مقابل معادل ۴۰ دلار بنزین)
حمل و نقل و وسایل نقلیه
وسایل نقلیه انرژی سوخت را با تلفات قابل توجهی به انرژی جنبشی تبدیل میکنند. خودروهای الکتریکی ۳ برابر کارآمدتر از موتورهای احتراق داخلی هستند.
- **خودروی بنزini** - بازده ۳۰٪؛ ۱ گالن (۱۳۲ مگاژول) → ۴۰ مگاژول کار مفید، ۹۲ مگاژول گرما
- **خودروی الکتریکی** - بازده ۸۵٪؛ ۲۰ کیلوواتساعت (۷۲ مگاژول) → ۶۱ مگاژول به چرخها، ۱۱ مگاژول تلفات
- **ترمز احیاکننده** - ۱۰-۲۵٪ از انرژی جنبشی را به باتری بازمیگرداند
- **آیرودینامیک** - دو برابر کردن سرعت، توان کشش مورد نیاز را چهار برابر میکند (P ∝ v³)
صنعتی و تولیدی
صنایع سنگین حدود ۳۰٪ از مصرف جهانی انرژی را تشکیل میدهند. بازده فرآیند و بازیابی حرارت هدر رفته حیاتی هستند.
- **تولید فولاد** - ~۲۰ گیگاژول در هر تن (۵,۵۰۰ کیلوواتساعت)؛ کورههای قوس الکتریکی از قراضه و انرژی کمتری استفاده میکنند
- **ذوب آلومینیوم** - ~۴۵-۵۵ گیگاژول در هر تن؛ به همین دلیل بازیافت ۹۵٪ انرژی را صرفهجویی میکند
- **مراکز داده** - ~۲۰۰ تراواتساعت/سال در سطح جهان (۲۰۲۰)؛ PUE (اثربخشی استفاده از توان) بازده را اندازهگیری میکند
- **تولید سیمان** - ~۳-۴ گیگاژول در هر تن؛ ۸٪ از انتشار جهانی CO₂ را تشکیل میدهد
سیستمهای انرژی تجدیدپذیر
خورشیدی، بادی و آبی انرژی محیط را به برق تبدیل میکنند. ضریب ظرفیت و تناوب، استقرار را شکل میدهند.
- **پنل خورشیدی** - بازده ~۲۰٪؛ ۱ متر مربع ~۱ کیلووات اوج آفتاب دریافت میکند → ۲۰۰ وات × ۵ ساعت آفتابی/روز = ۱ کیلوواتساعت/روز
- **ضریب ظرفیت توربین بادی** - ۲۵-۴۵٪؛ توربین ۲ مگاواتی × ۳۵٪ CF = ۶,۱۰۰ مگاواتساعت/سال
- **برقآبی** - بازده ۸۵-۹۰٪؛ ۱ متر مکعب/ثانیه که ۱۰۰ متر سقوط میکند ≈ ۱ مگاوات
- **بازده رفت و برگشت ذخیرهسازی باتری** - ۸۵-۹۵٪؛ تلفات به صورت گرما در حین شارژ/تخلیه
کاربردهای علمی و فیزیکی
از شتابدهندههای ذرات تا همجوشی لیزری، تحقیقات فیزیک در حالتهای شدید انرژی عمل میکند.
- **برخورددهنده بزرگ هادرونی** - ۳۶۲ مگاژول در پرتو ذخیره شده؛ برخورد پروتونها در ۱۳ TeV
- **همجوشی لیزری** - NIF حدود ۲ مگاژول در نانوثانیه تحویل میدهد؛ در سال ۲۰۲۲ به نقطه سربه سر رسید (~۳ مگاژول خروجی)
- **ایزوتوپهای پزشکی** - سیکلوترونها پروتونها را برای تصویربرداری PET به ۱۰-۲۰ MeV شتاب میدهند
- **پرتوهای کیهانی** - پرانرژیترین ذره شناسایی شده: ~۳×۱۰²⁰ eV (~۵۰ ژول در یک پروتون!)
کاتالوگ واحدها
متریک (SI)
| واحد | نماد | ژول | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| ژول | J | 1 | واحد پایه انرژی در SI. |
| کیلوژول | kJ | 1,000 | ۱,۰۰۰ ژول؛ مناسب برای تغذیه. |
| مگاژول | MJ | 1,000,000 | ۱,۰۰۰,۰۰۰ ژول؛ مقیاس لوازم خانگی/صنعتی. |
| گیگاژول | GJ | 1.000e+9 | ۱,۰۰۰ مگاژول؛ صنعت بزرگ/مهندسی. |
| میکروژول | µJ | 0.000001 | میکروژول؛ حسگرها و پالسهای لیزر. |
| میلیژول | mJ | 0.001 | میلیژول؛ پالسهای کوچک. |
| نانوژول | nJ | 0.000000001 | نانوژول؛ رویدادهای میکروانرژی. |
| تراژول | TJ | 1.000e+12 | ۱,۰۰۰ گیگاژول؛ انتشارهای بسیار بزرگ. |
امپریال / ایالات متحده
| واحد | نماد | ژول | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| واحد حرارتی بریتانیا | BTU | 1,055.06 | واحد حرارتی بریتانیا؛ HVAC و گرمایش. |
| BTU (IT) | BTU(IT) | 1,055.06 | تعریف IT BTU (≈ همان BTU). |
| BTU (ترמושیمیایی) | BTU(th) | 1,054.35 | تعریف ترموشیمیایی BTU. |
| فوت-پوند نیرو | ft·lbf | 1.35582 | فوت-پوند نیرو؛ کار مکانیکی. |
| اینچ-پوند نیرو | in·lbf | 0.112985 | اینچ-پوند نیرو؛ گشتاور و کار. |
| میلیون BTU | MBTU | 1.055e+9 | میلیون BTU؛ بازارهای انرژی. |
| کواد | quad | 1.055e+18 | ۱۰¹⁵ BTU؛ مقیاسهای انرژی ملی. |
| ترم | thm | 105,506,000 | صورتحساب گاز طبیعی؛ ۱۰۰,۰۰۰ BTU. |
کالری
| واحد | نماد | ژول | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| کالری | cal | 4.184 | کالری کوچک؛ ۴.۱۸۴ ژول. |
| کالری (غذایی) | Cal | 4,184 | «کالری» برچسب غذا (کیلوکالری). |
| کیلوکالری | kcal | 4,184 | کیلوکالری؛ کالری غذا. |
| کالری (۱۵ درجه سانتیگراد) | cal₁₅ | 4.1855 | کالری در ۱۵ درجه سانتیگراد. |
| کالری (۲۰ درجه سانتیگراد) | cal₂₀ | 4.182 | کالری در ۲۰ درجه سانتیگراد. |
| کالری (IT) | cal(IT) | 4.1868 | کالری IT (≈۴.۱۸۶۸ ژول). |
| کالری (ترמושیمیایی) | cal(th) | 4.184 | کالری ترموشیمیایی (۴.۱۸۴ ژول). |
الکتریکی
| واحد | نماد | ژول | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| کیلووات-ساعت | kWh | 3,600,000 | کیلووات-ساعت؛ قبوض آب و برق و خودروهای الکتریکی. |
| وات-ساعت | Wh | 3,600 | وات-ساعت؛ انرژی لوازم خانگی. |
| الکترونولت | eV | 1.602e-19 | الکترونولت؛ انرژیهای ذرات/فوتونها. |
| گیگاالکترونولت | GeV | 1.602e-10 | گیگاالکترونولت؛ فیزیک انرژی بالا. |
| گیگاوات-ساعت | GWh | 3.600e+12 | گیگاوات-ساعت؛ شبکهها و نیروگاهها. |
| کیلואلکترونولت | keV | 1.602e-16 | کیلۆالکترونولت؛ اشعه ایکس. |
| مگاالکترونولت | MeV | 1.602e-13 | مگاالکترونولت؛ فیزیک هستهای. |
| مگاوات-ساعت | MWh | 3.600e+9 | مگاوات-ساعت؛ تأسیسات بزرگتر. |
اتمی / هستهای
| واحد | نماد | ژول | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| واحد جرم اتمی | u | 1.492e-10 | معادل انرژی ۱ u (از طریق E=mc²). |
| انرژی هارتری | Eₕ | 4.360e-18 | انرژی هارتری (شیمی کوانتومی). |
| کیلوتن TNT | ktTNT | 4.184e+12 | کیلوتن TNT؛ انرژی انفجار بزرگ. |
| مگاتن TNT | MtTNT | 4.184e+15 | مگاتن TNT؛ انرژی انفجار بسیار بزرگ. |
| ثابت ریدبرگ | Ry | 2.180e-18 | انرژی ریدبرگ؛ طیفسنجی. |
| تن TNT | tTNT | 4.184e+9 | تن TNT؛ معادل انفجاری. |
علمی
| واحد | نماد | ژول | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| بشکه معادل نفت | BOE | 6.120e+9 | معادل بشکه نفت ~۶.۱۲ گیگاژول (تقریبی). |
| فوت مکعب گاز طبیعی | cf NG | 1,055,060 | فوت مکعب گاز طبیعی ~۱.۰۵۵ مگاژول (تقریبی). |
| دین-سانتیمتر | dyn·cm | 0.0000001 | دین-سانتیمتر؛ ۱ دین·سانتیمتر = ۱۰⁻⁷ ژول. |
| ارگ | erg | 0.0000001 | انرژی CGS؛ ۱ ارگ = ۱۰⁻⁷ ژول. |
| اسب بخار-ساعت | hp·h | 2,684,520 | اسب بخار-ساعت؛ مکانیکی/موتورها. |
| اسب بخار-ساعت (متریک) | hp·h(M) | 2,647,800 | اسب بخار-ساعت متریک. |
| گرمای نهان بخار | LH | 2,257,000 | گرمای نهان تبخیر آب ≈ ۲.۲۵۷ مگاژول/کیلوگرم. |
| انرژی پلانک | Eₚ | 1.956e+9 | انرژی پلانک (Eₚ) ≈ ۱.۹۶×۱۰⁹ ژول (مقیاس نظری). |
| تن معادل زغالسنگ | TCE | 2.931e+10 | معادل تن زغالسنگ ~۲۹.۳۱ گیگاژول (تقریبی). |
| تن معادل نفت | TOE | 4.187e+10 | معادل تن نفت ~۴۱.۸۶۸ گیگاژول (تقریبی). |
سوالات متداول
تفاوت بین کیلووات و کیلوواتساعت چیست؟
کیلووات توان (نرخ) است. کیلوواتساعت انرژی (کیلووات × ساعت) است. قبوض از کیلوواتساعت استفاده میکنند.
آیا کالری (Calories) همان کیلوکالری (kcal) است؟
بله. «کالری» غذا برابر با ۱ کیلوکالری (kcal) = ۴.۱۸۴ کیلوژول است.
چگونه هزینه یک دستگاه را تخمین بزنم؟
انرژی (کیلوواتساعت) × تعرفه (به ازای هر کیلوواتساعت). مثال: ۲ کیلوواتساعت × ۰.۲۰ دلار = ۰.۴۰ دلار.
چرا تعاریف زیادی برای کالری وجود دارد؟
اندازهگیریهای تاریخی در دماهای مختلف منجر به انواع مختلفی (IT، ترموشیمیایی) شد. برای تغذیه، از کیلوکالری استفاده کنید.
چه زمانی باید از eV به جای J استفاده کنم؟
eV برای مقیاسهای اتمی/ذرهای طبیعی است. برای زمینههای ماکروسکوپی به J تبدیل کنید.
ضریب ظرفیت چیست؟
خروجی واقعی انرژی در طول زمان تقسیم بر خروجی اگر نیروگاه با تمام توان ۱۰۰٪ از زمان کار میکرد.
فهرست کامل ابزارها
همه 71 ابزار موجود در UNITS