Energiamuunnin
Energia — kaloreista kilowattitunteihin
Ymmärrä energiaa arjessa: ruoan kalorit, laitteiden kWh, lämmityksen BTU:t ja fysiikan elektronivoltit. Muunna itsevarmasti selkeiden esimerkkien avulla.
Energian perusteet
Mitä on energia?
Kyky tehdä työtä tai tuottaa lämpöä. Mitataan usein mekaanisena työnä, lämpönä tai sähköenergiana.
Teho liittyy energiaan ajan kautta: teho = energia/aika (W = J/s).
- SI-perusyksikkö: joule (J)
- Sähköinen: Wh ja kWh
- Ravitsemus: Kalori = kilokalori (kcal)
Arkipäivän konteksti
Sähkölaskut veloitetaan kWh:ina; laitteet ilmoittavat tehon (W), ja kWh-arvon saat kertomalla sen ajalla.
Elintarvikkeiden etiketit käyttävät Kaloreita (kcal). Lämmityksessä/jäähdytyksessä käytetään usein BTU:ta.
- Puhelimen lataus: ~10 Wh
- Suihku (10 min, 7 kW lämmitin): ~1,17 kWh
- Ateria: ~600–800 kcal
Tiede ja mikroenergia
Hiukkasfysiikka käyttää eV:tä fotonien ja hiukkasten energioille.
Atomi-mittakaavassa Hartree- ja Rydberg-energiat esiintyvät kvanttimekaniikassa.
- 1 eV = 1,602×10⁻¹⁹ J
- Näkyvä fotoni: ~2–3 eV
- Planckin energia on äärimmäisen suuri (teoreettinen)
- Muunna jouleina (J) selkeyden ja tarkkuuden vuoksi
- kWh on kätevä kotitalouksien energialle; kcal ravitsemukselle
- BTU on yleinen LVI-alalla; eV fysiikassa
Muistisäännöt
Nopea päässälasku
kWh ↔ MJ
1 kWh = 3,6 MJ tarkalleen. Kerro 3,6:lla tai jaa 3,6:lla.
kcal ↔ kJ
1 kcal ≈ 4,2 kJ. Pyöristä 4:ään nopeita arvioita varten.
BTU ↔ kJ
1 BTU ≈ 1,055 kJ. Karkeasti 1 BTU ≈ 1 kJ arvioita varten.
Wh ↔ J
1 Wh = 3 600 J. Ajattele: 1 watti 1 tunnin ajan = 3 600 sekuntia.
Ruoan kalorit
1 Cal (ruoka) = 1 kcal = 4,184 kJ. Iso 'K' tarkoittaa kilokaloria!
kW × tunnit → kWh
Teho × Aika = Energia. 2 kW lämmitin × 3 tuntia = 6 kWh kulutettu.
Visuaaliset energiaviitteet
| Scenario | Energy | Visual Reference |
|---|---|---|
| LED-lamppu (10 W, 10 tuntia) | 100 Wh (0,1 kWh) | Maksaa ~$0,01 tyypillisillä hinnoilla |
| Älypuhelimen täysi lataus | 10-15 Wh | Riittää lataamaan ~60-90 kertaa 1 kWh:sta |
| Leipäviipale | 80 kcal (335 kJ) | Voisi antaa virtaa 100 W lampulle ~1 tunnin ajan |
| Kuuma suihku (10 min) | 1-2 kWh | Sama energia kuin jääkaapin käyttäminen päivän ajan |
| Täysi ateria | 600 kcal (2,5 MJ) | Riittävästi energiaa nostamaan autoa 1 metrin korkeuteen maasta |
| Sähköauton akku (60 kWh) | 216 MJ | Sama kuin 30 000 ruokakaloria tai 20 päivän syöminen |
| Litra bensiiniä | 34 MJ (9,4 kWh) | Mutta moottorit hukkaavat 70 % lämpönä! |
| Salama | 1-5 GJ | Kuulostaa valtavalta, mutta antaa virtaa talolle vain muutamaksi tunniksi |
Yleiset sudenkuopat
- kW:n ja kWh:n sekoittaminenFix: kW on teho (nopeus), kWh on energia (määrä). 2 kW:n lämmitin, joka toimii 3 tuntia, käyttää 6 kWh.
- Kalori vs. kaloriFix: Elintarvikemerkinnät käyttävät 'Kaloria' (iso K) = kilokalori = 1 000 kaloria (pieni k). 1 Cal = 1 kcal = 4,184 kJ.
- Tehokkuuden sivuuttaminenFix: Bensiinissä on 9,4 kWh/litra, mutta moottorit ovat vain 25-30 % tehokkaita. Todellinen hyötyenergia on ~2,5 kWh/litra!
- Akun mAh ilman jännitettäFix: 10 000 mAh ei tarkoita mitään ilman jännitettä! 3,7 V:lla: 10 000 mAh × 3,7 V ÷ 1000 = 37 Wh.
- Energia- ja teholaskujen sekoittaminenFix: Sähkölaskut veloittavat kWh:n (energia) mukaan, ei kW:n (teho). Hintasi on €/kWh, ei €/kW.
- Ajan unohtaminen energialaskelmissaFix: Teho × Aika = Energia. 1 500 W:n lämmittimen käyttö 2 tunnin ajan = 3 kWh, ei 1,5 kWh!
Mihin kukin yksikkö sopii
Koti ja laitteet
Sähköenergia laskutetaan kWh:ina; arvioi kulutus kertomalla teho ajalla.
- LED-lamppu 10 W × 5 h ≈ 0,05 kWh
- Uuni 2 kW × 1 h = 2 kWh
- Kuukausittainen lasku summaa kaikki laitteet
Ruoka ja ravitsemus
Etikettien kalorit ovat kilokaloreita (kcal) ja ne yhdistetään usein kJ:hin.
- 1 kcal = 4,184 kJ
- Päivittäinen saanti ~2 000–2 500 kcal
- kcal ja Cal (ruoka) ovat sama asia
Lämmitys ja polttoaineet
BTU, thermit ja polttoainevastaavat (BOE/TOE) esiintyvät LVI-alalla ja energiamarkkinoilla.
- 1 therm = 100 000 BTU
- Maakaasu ja öljy käyttävät standardoituja vastaavuuksia
- kWh ↔ BTU -muunnokset ovat yleisiä
Miten muunnokset toimivat
- 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
Yleiset muunnokset
| Mistä | Mihin | Kerroin | Esimerkki |
|---|---|---|---|
| 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 |
Pikaesimerkit
Pikaviite
Laitteen kustannusten pikalasku
Energia (kWh) × hinta per kWh
- Esimerkki: 2 kWh × 0,20 € = 0,40 €
- 1 000 W × 3 h = 3 kWh
Akun lunttilappu
mAh × V ÷ 1000 ≈ Wh
- 10 000 mAh × 3,7 V ≈ 37 Wh
- Wh ÷ laitteen W ≈ käyttöaika (tuntia)
CO₂ pikalasku
Arvioi sähkönkäytön päästöt
- CO₂ = kWh × verkon intensiteetti
- Esimerkki: 5 kWh × 400 gCO₂/kWh = 2 000 g (2 kg)
- Vähähiilinen verkko (100 g/kWh) vähentää tätä 75 %
Teho vs. energia -virheet
Yleiset sekaannukset
- kW on teho (nopeus); kWh on energia (määrä)
- 2 kW:n lämmitin 3 tunnin ajan käyttää 6 kWh
- Laskut käyttävät kWh; laitteiden tyyppikilvet näyttävät W/kW
Uusiutuvien energialähteiden perusteet
Aurinko- ja tuulivoiman perusteet
Uusiutuvat energialähteet tuottavat tehoa (kW), joka integroituu ajan myötä energiaksi (kWh).
Tuotanto vaihtelee sään mukaan; pitkän aikavälin keskiarvot ovat tärkeitä.
- Kapasiteettikerroin: % maksimituotannosta ajan mittaan
- Kattosähkö: ~900–1 400 kWh/kW·vuosi (paikasta riippuvainen)
- Tuulipuistot: kapasiteettikerroin usein 25–45 %
Varastointi ja siirto
Akut varastoivat ylijäämää ja siirtävät energiaa tarvittavaan aikaan.
- kWh-kapasiteetti vs. kW-teho on tärkeää
- Edestakainen hyötysuhde < 100 % (häviöitä)
- Aikasidonnaiset tariffit kannustavat siirtoon
Energiatiheyden lunttilappu
| Lähde | Massan mukaan | Tilavuuden mukaan | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| Bensiini | ~46 MJ/kg (~12,8 kWh/kg) | ~34 MJ/L (~9,4 kWh/L) | Noin; seoksesta riippuvainen |
| Diesel | ~45 MJ/kg | ~36 MJ/L | Hieman korkeampi tilavuustiheys kuin bensiinillä |
| Lentopetroli | ~43 MJ/kg | ~34 MJ/L | Kerosiinialue |
| Etanoli | ~30 MJ/kg | ~24 MJ/L | Matalampi kuin bensiini |
| Vety (700 bar) | ~120 MJ/kg | ~5–6 MJ/L | Korkea massan mukaan, matala tilavuuden mukaan |
| Maakaasu (STP) | ~55 MJ/kg | ~0,036 MJ/L | Puristettu/LNG paljon korkeampi tilavuustiheys |
| Li-ioniakku | ~0,6–0,9 MJ/kg (160–250 Wh/kg) | ~1,4–2,5 MJ/L | Kemiasta riippuvainen |
| Lyijyakku | ~0,11–0,18 MJ/kg | ~0,3–0,5 MJ/L | Matala tiheys, edullinen |
| Puu (kuiva) | ~16 MJ/kg | Vaihtelee | Lajista ja kosteudesta riippuvainen |
Energian vertailu eri mittakaavoissa
| Sovellus | Joulet (J) | kWh | kcal | BTU |
|---|---|---|---|---|
| Yksittäinen fotoni (näkyvä) | ~3×10⁻¹⁹ | ~10⁻²² | ~7×10⁻²⁰ | ~3×10⁻²² |
| Yksi elektronivoltti | 1,6×10⁻¹⁹ | 4,5×10⁻²³ | 3,8×10⁻²⁰ | 1,5×10⁻²² |
| Muurahainen nostaa jyvän | ~10⁻⁶ | ~10⁻⁹ | ~2×10⁻⁷ | ~10⁻⁹ |
| AA-paristo | 9 360 | 0,0026 | 2,2 | 8,9 |
| Älypuhelimen lataus | 50 000 | 0,014 | 12 | 47 |
| Leipäviipale | 335 000 | 0,093 | 80 | 318 |
| Täysi ateria | 2 500 000 | 0,69 | 600 | 2 370 |
| Kuuma suihku (10 min) | 5,4 MJ | 1,5 | 1 290 | 5 120 |
| Päivittäinen ravinnonsaanti | 10 MJ | 2,8 | 2 400 | 9 480 |
| Litra bensiiniä | 34 MJ | 9,4 | 8 120 | 32 200 |
| Teslan akku (60 kWh) | 216 MJ | 60 | 51 600 | 205 000 |
| Salama | 1-5 GJ | 300-1 400 | 240k-1,2M | 950k-4,7M |
| Tonni TNT:tä | 4,184 GJ | 1 162 | 1 000 000 | 3,97M |
| Hiroshiman pommi | 63 TJ | 17,5M | 15 miljardia | 60 miljardia |
Arjen vertailuarvot
| Asia | Tyypillinen energia | Huomautuksia |
|---|---|---|
| Puhelimen täysi lataus | ~10–15 Wh | ~36–54 kJ |
| Kannettavan tietokoneen akku | ~50–100 Wh | ~0,18–0,36 MJ |
| 1 leipäviipale | ~70–100 kcal | ~290–420 kJ |
| Kuuma suihku (10 min) | ~1–2 kWh | Teho × aika |
| Lämmitin (1 h) | 1–2 kWh | Tehon asetuksen mukaan |
| Bensiini (1 L) | ~34 MJ | Alempi lämpöarvo (noin) |
Hämmästyttäviä energiafaktoja
Sähköauton akku vs. koti
60 kWh:n Tesla-akku varastoi saman energiamäärän, jonka tyypillinen koti käyttää 2-3 päivässä – kuvittele kuljettavasi autossasi 3 päivän sähköt!
Salaperäinen Therm
Therm on 100 000 BTU (29,3 kWh). Maakaasulaskut käyttävät thermejä, koska on helpompi sanoa '50 thermiä' kuin '5 miljoonaa BTU:ta'!
Kalorien ison kirjaimen temppu
Elintarvikemerkinnät käyttävät 'Kaloria' (iso K), joka on itse asiassa kilokalori! Joten se 200 Calorin keksi on todellisuudessa 200 000 kaloria (pieni k).
Bensiinin likainen salaisuus
1 litrassa bensiiniä on 9,4 kWh energiaa, mutta moottorit hukkaavat 70 % lämpönä! Vain ~2,5 kWh todella liikuttaa autoasi. Sähköautot hukkaavat vain ~10-15 %.
1 kWh:n vertailuarvo
1 kWh voi: antaa virtaa 100 W:n lampulle 10 tuntia, ladata 100 älypuhelinta, paahtaa 140 leipäviipaletta tai pitää jääkaapin käynnissä 24 tuntia!
Regeneratiivisen jarrutuksen taika
Sähköautot palauttavat 15-25 % energiasta jarrutuksen aikana muuttamalla moottorin generaattoriksi. Se on ilmaista energiaa hukatusta liike-energiasta!
E=mc² on tajunnanräjäyttävä
Kehossasi on tarpeeksi massa-energiaa (E=mc²) antamaan virtaa kaikille Maan kaupungeille viikon ajan! Mutta massan muuttaminen energiaksi vaatii ydinreaktioita.
Rakettipolttoaine vs. ruoka
Painon mukaan raketipolttoaineella on 10 kertaa enemmän energiaa kuin suklaalla. Mutta et voi syödä raketipolttoainetta – kemiallinen energia ≠ aineenvaihdunnallinen energia!
Ennätykset ja äärimmäisyydet
| Ennätys | Energia | Huomautuksia |
|---|---|---|
| Kotitalouden päivittäinen käyttö | ~10–30 kWh | Vaihtelee ilmaston ja laitteiden mukaan |
| Salama | ~1–10 GJ | Hyvin vaihteleva |
| 1 megatonni TNT:tä | 4,184 PJ | Räjähdysvastaava |
Energian löytäminen: muinaisesta tulesta moderniin fysiikkaan
Muinainen energia: tuli, ruoka ja lihasvoima
Vuosituhansien ajan ihmiset ymmärsivät energiaa vain sen vaikutusten kautta: lämpöä tulesta, voimaa ruoasta sekä veden ja tuulen voimaa. Energia oli käytännön todellisuutta ilman teoreettista ymmärrystä.
- **Tulen hallinta** (~400 000 eaa.) - Ihmiset valjastavat kemiallisen energian lämmöksi ja valoksi
- **Vesirattaat** (~300 eaa.) - Kreikkalaiset ja roomalaiset muuttavat liike-energian mekaaniseksi työksi
- **Tuulimyllyt** (~600 jaa.) - Persialaiset hyödyntävät tuulienergiaa viljan jauhamiseen
- **Ravitsemuksen ymmärtäminen** (antiikki) - Ruoka 'polttoaineena' ihmisen toiminnalle, vaikka mekanismi oli tuntematon
Nämä käytännön sovellukset edelsivät mitä tahansa tieteellistä teoriaa tuhansilla vuosilla. Energia tunnettiin kokemuksen, ei yhtälöiden kautta.
Mekaaninen aikakausi: höyry, työ ja tehokkuus (1600-1850)
Teollinen vallankumous vaati parempaa ymmärrystä siitä, miten lämpö muuttuu työksi. Insinöörit mittasivat moottoreiden tehokkuutta, mikä johti termodynamiikan syntyyn.
- **James Wattin höyrykoneen parannukset** (1769) - Kvantifioi työn tuotoksen, esitteli hevosvoiman
- **Sadi Carnot'n lämpömoottoriteoria** (1824) - Todisti teoreettiset rajat lämmön muuttamiselle työksi
- **Julius von Mayer** (1842) - Ehdotti lämmön mekaanista vastaavuutta: lämpö ja työ ovat vaihdettavissa
- **James Joulen kokeet** (1843-1850) - Mittasi tarkasti: 1 kalori = 4,184 joulea mekaanista työtä
Joulen kokeet todistivat energian säilymisen: mekaaninen työ, lämpö ja sähkö ovat saman asian eri muotoja.
Yhtenäistetty energia: säilyminen ja muodot (1850-1900)
1800-luku yhdisti erilaiset havainnot yhdeksi käsitteeksi: energia säilyy, muuttuen eri muotojen välillä, mutta sitä ei koskaan luoda tai tuhota.
- **Hermann von Helmholtz** (1847) - Muotoili energian säilymislain
- **Rudolf Clausius** (1850-luku) - Esitteli entropian, osoittaen, että energian laatu heikkenee
- **James Clerk Maxwell** (1865) - Yhdisti sähkön ja magnetismin, osoittaen, että valo kuljettaa energiaa
- **Ludwig Boltzmann** (1877) - Yhdisti energian atomien liikkeeseen tilastollisen mekaniikan avulla
Vuoteen 1900 mennessä energia ymmärrettiin fysiikan keskeisenä valuuttana – se muuntuu, mutta säilyy kaikissa luonnon prosesseissa.
Kvantti- ja atomiaikakausi: E=mc² ja subatomiset mittakaavat (1900-1945)
1900-luku paljasti energian äärimmäisyyksissä: Einsteinin massa-energia-ekvivalenssin ja kvanttimekaniikan atomimittakaavassa.
- **Max Planck** (1900) - Kvantisoi energian säteilyssä: E = hν (Planckin vakio)
- **Einsteinin E=mc²** (1905) - Massa ja energia ovat ekvivalentteja; pieni massa = valtava energia
- **Niels Bohr** (1913) - Atomien energiatasot selittävät spektriviivat; eV:stä tulee luonnollinen yksikkö
- **Enrico Fermi** (1942) - Ensimmäinen hallittu ydinreaktio vapauttaa MeV-mittakaavan energiaa
- **Manhattan-projekti** (1945) - Trinity-testi osoittaa ~22 kilotonnin TNT-vastaavuuden (~90 TJ)
Ydinenergia vahvisti E=mc²:n: fissio muuttaa 0,1 % massasta energiaksi – miljoonia kertoja tiheämpää kuin kemialliset polttoaineet.
Moderni energiamaisema (1950-nykyhetki)
Sodanjälkeinen yhteiskunta standardoi energiayksiköt sähkölaitoksille, elintarvikkeille ja fysiikalle, samalla kun se kamppaili fossiilisten polttoaineiden, uusiutuvien energialähteiden ja tehokkuuden kanssa.
- **Kilowattitunnin standardointi** - Maailmanlaajuiset sähköyhtiöt ottavat käyttöön kWh:n laskutuksessa
- **Kalorimerkinnät** (1960-90-luvut) - Elintarvikkeiden energia standardoidaan; FDA määrää ravintotiedot pakollisiksi (1990)
- **Aurinkosähkön vallankumous** (1970-2020-luvut) - Aurinkopaneelien tehokkuus nousee <10 %:sta >20 %:iin
- **Litiumioniakut** (1991-nykyhetki) - Energiatiheys nousee ~100:sta 250+ Wh/kg:aan
- **Älykkäät verkot ja varastointi** (2010-luku) - Reaaliaikainen energianhallinta ja verkon mittakaavan akut
Ilmastoaikakausi: energiasysteemien hiilestä irtautuminen
2000-luku tunnustaa energian ympäristökustannukset. Painopiste siirtyy pelkästä energian tuotannosta puhtaan energian tehokkaaseen tuotantoon.
- **Hiili-intensiteetti** - Fossiiliset polttoaineet päästävät 400-1000 g CO₂/kWh; uusiutuvat päästävät <50 g CO₂/kWh elinkaaren aikana
- **Energian varastoinnin aukot** - Akut varastoivat ~0,5 MJ/kg vs. bensiinin 46 MJ/kg; toimintamatka-ahdistus jatkuu
- **Verkkointegraatio** - Vaihtelevat uusiutuvat energialähteet vaativat varastointia ja kysyntäjoustoa
- **Tehokkuuden vaatimukset** - LEDit (100 lm/W) vs. hehkulamput (15 lm/W); lämpöpumput (COP > 3) vs. vastuslämmitys
Siirtyminen netto-nollaan vaatii kaiken sähköistämistä ja sähkön puhtaan tuotannon – täydellisen energiasysteemin uudistuksen.
Keskeiset virstanpylväät energiatieteessä
Energian mittakaava: kvanttikuiskeista kosmisisiin räjähdyksiin
Energia ulottuu käsittämättömän laajalle alueelle: yksittäisistä fotoneista supernoviin. Näiden mittakaavojen ymmärtäminen auttaa kontekstualisoimaan arjen energiankäyttöä.
Kvantti- ja molekyylitaso (10⁻¹⁹ – 10⁻¹⁵ J)
Typical units: eV – meV
- **Lämpöenergia per molekyyli** (huoneenlämpötila) - ~0,04 eV (~6×10⁻²¹ J)
- **Näkyvä fotoni** - 1,8-3,1 eV (punaisesta violettiin valoon)
- **Kemiallisen sidoksen katkeaminen** - 1-10 eV (kovalenttiset sidokset)
- **Röntgenfotoni** - 1-100 keV
Mikroskooppinen ja inhimillinen mittakaava (1 mJ – 1 MJ)
Typical units: mJ, J, kJ
- **Lentävä hyttynen** - ~0,1 mJ
- **AA-pariston täysi lataus** - ~10 kJ (2,7 Wh)
- **Suklaapatukka** - ~1 MJ (240 kcal)
- **Ihminen levossa (1 tunti)** - ~300 kJ (75 kcal aineenvaihduntanopeus)
- **Älypuhelimen akku** - ~50 kJ (14 Wh)
- **Käsikranaatti** - ~400 kJ
Kotitalous ja ajoneuvot (1 MJ – 1 GJ)
Typical units: MJ, kWh
- **Kuuma suihku (10 min)** - 4-7 MJ (1-2 kWh)
- **Päivittäinen ravinnonsaanti** - ~10 MJ (2 400 kcal)
- **Litra bensiiniä** - 34 MJ (9,4 kWh)
- **Tesla Model 3 -akku** - ~216 GJ (60 kWh)
- **Kotitalouden päivittäinen käyttö** - 36-108 MJ (10-30 kWh)
- **Gallona bensiiniä** - ~132 MJ (36,6 kWh)
Teollisuus ja kunnallinen (1 GJ – 1 TJ)
Typical units: GJ, MWh
- **Salama** - 1-10 GJ (vaihtelee suuresti)
- **Pienen auton kolari (100 km/h)** - ~1 GJ (liike-energia)
- **Tonni TNT:tä** - 4,184 GJ
- **Lentokonepolttoaine (1 tonni)** - ~43 GJ
- **Kaupunginosan päivittäinen sähkönkulutus** - ~100-500 GJ
Laajamittaiset tapahtumat (1 TJ – 1 PJ)
Typical units: TJ, GWh
- **Kilotonni TNT:tä** - 4,184 TJ (Hiroshima: ~63 TJ)
- **Pienen voimalan päivittäinen tuotanto** - ~10 TJ (100 MW:n laitos)
- **Suuren tuulipuiston vuosituotanto** - ~1-5 PJ
- **Avaruussukkulan laukaisu** - ~18 TJ (polttoaineen energia)
Sivilisaatio ja geofysiikka (1 PJ – 1 EJ)
Typical units: PJ, TWh
- **Megatonnin ydinase** - 4 184 PJ (Tsar-bomba: ~210 PJ)
- **Suuri maanjäristys (magnitudi 7)** - ~32 PJ
- **Hirmumyrsky (kokonaisenergia)** - ~600 PJ/päivä (suurin osa latenttina lämpönä)
- **Hooverin padon vuosituotanto** - ~15 PJ (4 TWh)
- **Pienen maan vuosittainen energiankulutus** - ~100-1 000 PJ
Planeetat ja tähdet (1 EJ – 10⁴⁴ J)
Typical units: EJ, ZJ ja sen yli
- **USA:n vuosittainen energiankulutus** - ~100 EJ (~28 000 TWh)
- **Maailmanlaajuinen vuosittainen energiankulutus** - ~600 EJ (2020)
- **Krakataun purkaus (1883)** - ~840 PJ
- **Chicxulubin asteroiditörmäys** - ~4×10²³ J (100 miljoonaa megatonnia)
- **Auringon päivittäinen tuotanto** - ~3,3×10³¹ J
- **Supernova (tyyppi Ia)** - ~10⁴⁴ J (foe)
Jokainen toiminto – fotonin osumisesta silmääsi tähden räjähdykseen – on energian muunnos. Elämme kapealla kaistalla: megajouleista gigajouleihin.
Energia toiminnassa: Reaalimaailman sovelluksia eri aloilla
Ravitsemus ja aineenvaihdunta
Elintarvikemerkinnät listaavat energian kaloreina (kcal). Kehosi muuntaa tämän ATP:ksi solutyöhön ~25 %:n tehokkuudella.
- **Perusaineenvaihdunta** - ~1 500-2 000 kcal/päivä (6-8 MJ) elossa pysymiseen
- **Maratonjuoksu** - Polttaa ~2 600 kcal (~11 MJ) 3-4 tunnissa
- **Suklaapatukka** - ~250 kcal voisi antaa virtaa 60 W:n kannettavalle tietokoneelle ~4,5 tuntia (jos 100 % tehokas)
- **Laihdutusmatematiikka** - 1 pauna rasvaa = ~3 500 kcal:n vaje; 500 kcal/päivä vaje = 1 pauna/viikko
Kodin energianhallinta
Sähkölaskut veloitetaan kWh:n mukaan. Laitteiden kulutuksen ymmärtäminen auttaa vähentämään kustannuksia ja hiilijalanjälkeä.
- **LED vs. hehkulamppu** - 10 W LED = 60 W hehkulamppu; säästää 50 W × 5 t/päivä = 0,25 kWh/päivä = 9 €/kk
- **Haamukuormat** - Valmiustilassa olevat laitteet tuhlaavat ~5-10 % kotitalouden energiasta (~1 kWh/päivä)
- **Lämpöpumput** - Siirtävät 3-4 kWh lämpöä käyttämällä 1 kWh sähköä (COP > 3); vastuslämmittimet ovat 1:1
- **Sähköauton lataaminen** - 60 kWh akku 0,15 €/kWh = 9 € täydestä latauksesta (vs. 40 € bensiinivastaava)
Liikenne ja ajoneuvot
Ajoneuvot muuntavat polttoaineen energian liike-energiaksi merkittävillä häviöillä. Sähköautot ovat 3 kertaa tehokkaampia kuin polttomoottorit.
- **Bensiiniauto** - 30 % tehokas; 1 gallona (132 MJ) → 40 MJ hyötytyötä, 92 MJ lämpöä
- **Sähköauto** - 85 % tehokas; 20 kWh (72 MJ) → 61 MJ renkaisiin, 11 MJ häviöitä
- **Regeneratiivinen jarrutus** - Palauttaa 10-25 % liike-energiasta takaisin akkuun
- **Aerodynamiikka** - Nopeuden kaksinkertaistaminen nelinkertaistaa tarvittavan ilmanvastustehon (P ∝ v³)
Teollisuus ja valmistus
Raskas teollisuus vastaa ~30 %:sta maailman energiankulutuksesta. Prosessien tehokkuus ja hukkalämmön talteenotto ovat ratkaisevia.
- **Teräksen tuotanto** - ~20 GJ per tonni (5 500 kWh); valokaariuunit käyttävät romua ja vähemmän energiaa
- **Alumiinin sulatus** - ~45-55 GJ per tonni; siksi kierrätys säästää 95 % energiaa
- **Datakeskukset** - ~200 TWh/vuosi maailmanlaajuisesti (2020); PUE (Power Usage Effectiveness) mittaa tehokkuutta
- **Sementin tuotanto** - ~3-4 GJ per tonni; vastaa 8 %:sta maailmanlaajuisista CO₂-päästöistä
Uusiutuvat energiajärjestelmät
Aurinko-, tuuli- ja vesivoima muuntavat ympäristön energiaa sähköksi. Kapasiteettikerroin ja jaksottaisuus muovaavat käyttöönottoa.
- **Aurinkopaneeli** - ~20 % hyötysuhde; 1 m² saa ~1 kW huippuaurinkoa → 200W × 5 aurinkotuntia/päivä = 1 kWh/päivä
- **Tuuliturbiinin kapasiteettikerroin** - 25-45 %; 2 MW turbiini × 35 % CF = 6 100 MWh/vuosi
- **Vesivoima** - 85-90 % tehokas; 1 m³/s putoaa 100m ≈ 1 MW
- **Akun varastoinnin edestakainen hyötysuhde** - 85-95 %; häviöt lämpönä latauksen/purkamisen aikana
Tieteelliset ja fysiikan sovellukset
Hiukkaskiihdyttimistä laserfuusioon, fysiikan tutkimus toimii energian äärirajoilla.
- **Large Hadron Collider** - 362 MJ varastoituna säteeseen; protonien törmäykset 13 TeV:ssä
- **Laserfuusio** - NIF toimittaa ~2 MJ nanosekunneissa; saavutti nollapisteen vuonna 2022 (~3 MJ ulos)
- **Lääketieteelliset isotoopit** - Syklotronit kiihdyttävät protoneja 10-20 MeV:iin PET-kuvausta varten
- **Kosmiset säteet** - Korkeaenergisin havaittu hiukkanen: ~3×10²⁰ eV (~50 J yhdessä protonissa!)
Yksikköluettelo
Metrinen (SI)
| Yksikkö | Symboli | Joulet | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| joule | J | 1 | SI-energian perusyksikkö. |
| kilojoule | kJ | 1,000 | 1 000 J; kätevä ravitsemuksessa. |
| megajoule | MJ | 1,000,000 | 1 000 000 J; laite-/teollisuusmittakaava. |
| gigajoule | GJ | 1.000e+9 | 1 000 MJ; suuri teollisuus/tekniikka. |
| mikrojoule | µJ | 0.000001 | Mikrojoule; anturit ja laserpulssit. |
| millijoule | mJ | 0.001 | Millijoule; pienet pulssit. |
| nanojoule | nJ | 0.000000001 | Nanojoule; mikroenergiatapahtumat. |
| terajoule | TJ | 1.000e+12 | 1 000 GJ; erittäin suuret vapautumiset. |
Imperiaalinen / Yhdysvallat
| Yksikkö | Symboli | Joulet | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| brittiläinen lämpöyksikkö | BTU | 1,055.06 | Brittiläinen lämpöyksikkö; LVI ja lämmitys. |
| BTU (IT) | BTU(IT) | 1,055.06 | IT BTU-määritelmä (≈ sama kuin BTU). |
| BTU (termokemiallinen) | BTU(th) | 1,054.35 | Termokemiallinen BTU-määritelmä. |
| jalka-naula-voima | ft·lbf | 1.35582 | Jalka-naula-voima; mekaaninen työ. |
| tuuma-naula-voima | in·lbf | 0.112985 | Tuuma-naula-voima; vääntömomentti ja työ. |
| miljoona BTU | MBTU | 1.055e+9 | Miljoona BTU; energiamarkkinat. |
| quad | quad | 1.055e+18 | 10¹⁵ BTU; kansalliset energiamittakaavat. |
| therm | thm | 105,506,000 | Maakaasulaskutus; 100 000 BTU. |
Kalorit
| Yksikkö | Symboli | Joulet | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| kalori | cal | 4.184 | Pieni kalori; 4,184 J. |
| Kalori (ruoka) | Cal | 4,184 | Elintarvikemerkinnän ‘Kalori’ (kcal). |
| kilokalori | kcal | 4,184 | Kilokalori; ruokakalori. |
| kalori (15°C) | cal₁₅ | 4.1855 | Kalori 15°C:ssa. |
| kalori (20°C) | cal₂₀ | 4.182 | Kalori 20°C:ssa. |
| kalori (IT) | cal(IT) | 4.1868 | IT-kalori (≈4,1868 J). |
| kalori (termokemiallinen) | cal(th) | 4.184 | Termokemiallinen kalori (4,184 J). |
Sähköinen
| Yksikkö | Symboli | Joulet | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| kilowattitunti | kWh | 3,600,000 | Kilowattitunti; sähkölaskut ja sähköautot. |
| wattitunti | Wh | 3,600 | Wattitunti; laitteiden energia. |
| elektronivoltti | eV | 1.602e-19 | Elektronivoltti; hiukkasten/fotonien energiat. |
| gigaelektronivoltti | GeV | 1.602e-10 | Gigaelectronvoltti; korkeaenergiafysiikka. |
| gigawattitunti | GWh | 3.600e+12 | Gigawattitunti; verkot ja voimalat. |
| kiloelektronivoltti | keV | 1.602e-16 | Kiloelektronivoltti; röntgensäteet. |
| megaelektronivoltti | MeV | 1.602e-13 | Megaelektronivoltti; ydinfysiikka. |
| megawattitunti | MWh | 3.600e+9 | Megawattitunti; suuremmat laitokset. |
Atomi- / Ydin-
| Yksikkö | Symboli | Joulet | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| atomin massayksikkö | u | 1.492e-10 | 1 u:n energiavastaava (E=mc²:n kautta). |
| Hartree-energia | Eₕ | 4.360e-18 | Hartree-energia (kvanttikemia). |
| kilotonni TNT:tä | ktTNT | 4.184e+12 | Kilotonni TNT:tä; suuren räjähdyksen energia. |
| megatonni TNT:tä | MtTNT | 4.184e+15 | Megatonni TNT:tä; erittäin suuren räjähdyksen energia. |
| Rydbergin vakio | Ry | 2.180e-18 | Rydberg-energia; spektroskopia. |
| tonni TNT:tä | tTNT | 4.184e+9 | Tonni TNT:tä; räjähdysvastaava. |
Tieteellinen
| Yksikkö | Symboli | Joulet | Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| barrelia öljyekvivalenttina | BOE | 6.120e+9 | Tynnyri öljyvastaavaa ~6,12 GJ (noin). |
| kuutiojalka maakaasua | cf NG | 1,055,060 | Kuutiojalka maakaasua ~1,055 MJ (noin). |
| dyne-senttimetri | dyn·cm | 0.0000001 | Dyne-cm; 1 dyn·cm = 10⁻⁷ J. |
| ergi | erg | 0.0000001 | CGS-energia; 1 erg = 10⁻⁷ J. |
| hevosvoima-tunti | hp·h | 2,684,520 | Hevosvoimatunti; mekaaninen/moottorit. |
| hevosvoima-tunti (metrinen) | hp·h(M) | 2,647,800 | Metrinen hevosvoimatunti. |
| höyryn piilevä lämpö | LH | 2,257,000 | Veden höyrystymisen piilevä lämpö ≈ 2,257 MJ/kg. |
| Planckin energia | Eₚ | 1.956e+9 | Planckin energia (Eₚ) ≈ 1,96×10⁹ J (teoreettinen mittakaava). |
| tonni kivihiiliekvivalenttina | TCE | 2.931e+10 | Tonni kivihiilivastaavaa ~29,31 GJ (noin). |
| tonni öljyekvivalenttina | TOE | 4.187e+10 | Tonni öljyvastaavaa ~41,868 GJ (noin). |
Usein kysytyt kysymykset
Mitä eroa on kW:n ja kWh:n välillä?
kW on teho (nopeus). kWh on energia (kW × tunnit). Laskut käyttävät kWh:ta.
Ovatko Kalorit sama asia kuin kcal?
Kyllä. Ruoan ‘Kalori’ on yhtä kuin 1 kilokalori (kcal) = 4,184 kJ.
Miten arvioin laitteen kustannukset?
Energia (kWh) × hinta (per kWh). Esimerkki: 2 kWh × 0,20 € = 0,40 €.
Miksi kaloreille on niin monta määritelmää?
Historialliset mittaukset eri lämpötiloissa johtivat eri versioihin (IT, termokemiallinen). Ravitsemuksessa käytä kcal:ia.
Milloin minun tulisi käyttää eV:tä J:n sijaan?
eV on luonnollinen atomi-/hiukkasmittakaavoille. Muunna J:ksi makroskooppisissa yhteyksissä.
Mikä on kapasiteettikerroin?
Todellinen energiantuotanto ajan mittaan jaettuna tuotannolla, jos laitos olisi toiminut täydellä teholla 100 % ajasta.
Täydellinen Työkaluhakemisto
Kaikki 71 työkalua saatavilla UNITSissa