ממיר אנרגיה
אנרגיה — מקלוריות לקילווואט-שעה
הבנת האנרגיה בחיי היום-יום: קלוריות במזון, קוט"ש במכשירים, BTU בחימום, ואלקטרון-וולט בפיזיקה. המירו בביטחון עם דוגמאות ברורות.
יסודות האנרגיה
מהי אנרגיה?
היכולת לבצע עבודה או לייצר חום. נמדדת לעיתים קרובות כעבודה מכנית, חום, או אנרגיה חשמלית.
הספק מתייחס לאנרגיה ביחס לזמן: הספק = אנרגיה/זמן (W = J/s).
- בסיס SI: ג'ול (J)
- חשמלית: Wh ו-kWh
- תזונה: קלוריה = קילוקלוריה (kcal)
הקשר יומיומי
חשבונות חשמל מחויבים בקוט"ש; מכשירים מציינים הספק (W) ואתם מכפילים בזמן כדי לקבל קוט"ש.
תוויות מזון משתמשות בקלוריות (kcal). חימום/קירור משתמשים לעיתים קרובות ב-BTU.
- טעינת טלפון: ~10 Wh
- מקלחת (10 דקות, מחמם 7 קילוואט): ~1.17 kWh
- ארוחה: ~600–800 kcal
מדע ומיקרו-אנרגיה
פיזיקת חלקיקים משתמשת ב-eV עבור אנרגיות של פוטונים וחלקיקים.
בסקלות אטומיות, אנרגיות הרטרי ורידברג מופיעות במכניקת הקוונטים.
- 1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J
- פוטון נראה: ~2–3 eV
- אנרגיית פלאנק היא גדולה ביותר (תיאורטית)
- המירו דרך ג'ולים (J) לבהירות ודיוק
- קוט"ש נוח לאנרגיה ביתית; kcal לתזונה
- BTU נפוץ ב-HVAC; eV בפיזיקה
עזרים לזיכרון
חישוב מהיר בראש
קוט"ש ↔ MJ
1 קוט"ש = 3.6 MJ בדיוק. הכפילו ב-3.6 או חלקו ב-3.6.
kcal ↔ kJ
1 kcal ≈ 4.2 kJ. עגלו ל-4 להערכות מהירות.
BTU ↔ kJ
1 BTU ≈ 1.055 kJ. בערך 1 BTU ≈ 1 kJ להערכות.
Wh ↔ J
1 Wh = 3,600 J. חשבו: 1 ואט לשעה אחת = 3,600 שניות.
קלוריות במזון
1 קלוריה (מזון) = 1 kcal = 4.184 kJ. 'ק' גדולה פירושה קילוקלוריה!
קילוואט × שעות → קוט"ש
הספק × זמן = אנרגיה. מחמם 2 קילוואט × 3 שעות = 6 קוט"ש שנצרכו.
הפניות חזותיות לאנרגיה
| Scenario | Energy | Visual Reference |
|---|---|---|
| נורת לד (10 W, 10 שעות) | 100 Wh (0.1 kWh) | עולה ~$0.01 בתעריפים רגילים |
| טעינה מלאה של סמארטפון | 10-15 Wh | מספיק כדי להטעין ~60-90 פעמים מ-1 קוט"ש |
| פרוסת לחם | 80 kcal (335 kJ) | יכולה להפעיל נורת 100W למשך ~שעה |
| מקלחת חמה (10 דקות) | 1-2 kWh | אותה אנרגיה כמו הפעלת המקרר שלכם ליום אחד |
| ארוחה מלאה | 600 kcal (2.5 MJ) | מספיק אנרגיה כדי להרים מכונית מטר אחד מהקרקע |
| סוללת רכב חשמלי (60 kWh) | 216 MJ | שווה ל-30,000 קלוריות מזון או 20 ימי אכילה |
| ליטר בנזין | 34 MJ (9.4 kWh) | אבל מנועים מבזבזים 70% כחום! |
| ברק | 1-5 GJ | נשמע עצום אבל מפעיל בית רק לכמה שעות |
טעויות נפוצות
- בלבול בין קילוואט לקוט"שFix: קילוואט הוא הספק (קצב), קוט"ש הוא אנרגיה (כמות). מחמם 2 קילוואט שפועל 3 שעות צורך 6 קוט"ש.
- קלוריה לעומת קלוריהFix: תוויות מזון משתמשות ב'קלוריה' (עם ק' גדולה) = קילוקלוריה = 1,000 קלוריות (עם ק' קטנה). 1 קלוריה גדולה = 1 kcal = 4.184 kJ.
- התעלמות מיעילותFix: בנזין מכיל 9.4 קוט"ש/ליטר, אך מנועים יעילים רק ב-25-30%. האנרגיה השימושית האמיתית היא ~2.5 קוט"ש/ליטר!
- מיליאמפר-שעה של סוללה ללא מתחFix: 10,000 מיליאמפר-שעה לא אומרים כלום בלי מתח! ב-3.7V: 10,000 מיליאמפר-שעה × 3.7V ÷ 1000 = 37 Wh.
- ערבוב חשבונות אנרגיה והספקFix: חשבונות חשמל מחייבים לפי קוט"ש (אנרגיה), לא לפי קילוואט (הספק). התעריף שלכם הוא ₪/קוט"ש, לא ₪/קילוואט.
- שכחת הזמן בחישובי אנרגיהFix: הספק × זמן = אנרגיה. הפעלת מחמם 1,500W למשך שעתיים = 3 קוט"ש, לא 1.5 קוט"ש!
היכן כל יחידה מתאימה
בית ומכשירים
אנרגיה חשמלית מחויבת בקוט"ש; העריכו צריכה על ידי הספק × זמן.
- נורת לד 10 W × 5 שעות ≈ 0.05 kWh
- תנור 2 kW × שעה אחת = 2 kWh
- החשבון החודשי מסכם את כל המכשירים
מזון ותזונה
קלוריות על תוויות הן קילוקלוריות (kcal) ולעיתים קרובות משויכות ל-kJ.
- 1 kcal = 4.184 kJ
- צריכה יומית ~2,000–2,500 kcal
- kcal ו-Cal (מזון) הם אותו הדבר
חימום ודלקים
BTU, תרמים, ומקבילי דלק (BOE/TOE) מופיעים ב-HVAC ובשווקי האנרגיה.
- 1 תרם = 100,000 BTU
- גז טבעי ונפט משתמשים במקבילים סטנדרטיים
- המרות קוט"ש ↔ BTU נפוצות
איך המרות עובדות
- 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
המרות נפוצות
| מ- | ל- | גורם | דוגמה |
|---|---|---|---|
| קוט"ש | 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 |
דוגמאות מהירות
הפניה מהירה
חישוב מהיר של עלות מכשיר
אנרגיה (קוט"ש) × מחיר לקוט"ש
- דוגמה: 2 קוט"ש × 0.50 ₪ = 1.00 ₪
- 1,000 W × 3 שעות = 3 kWh
דף נוסחאות לסוללות
מיליאמפר-שעה × וולט ÷ 1000 ≈ Wh
- 10,000 מיליאמפר-שעה × 3.7 וולט ≈ 37 Wh
- Wh ÷ W של המכשיר ≈ זמן פעולה (שעות)
חישוב מהיר של CO₂
העריכו פליטות משימוש בחשמל
- CO₂ = קוט"ש × עצימות הרשת
- דוגמה: 5 קוט"ש × 400 גרם CO₂/קוט"ש = 2,000 גרם (2 ק"ג)
- רשת דלת פחמן (100 גרם/קוט"ש) מפחיתה זאת ב-75%
טעויות הספק מול אנרגיה
בלבולים נפוצים
- קילוואט הוא הספק (קצב); קוט"ש הוא אנרגיה (כמות)
- מחמם 2 קילוואט למשך 3 שעות צורך 6 קוט"ש
- חשבונות משתמשים בקוט"ש; לוחיות מכשירים מציגות W/kW
מבוא לאנרגיות מתחדשות
יסודות סולאריים ורוח
אנרגיות מתחדשות מייצרות הספק (kW) שמתכלל לאורך זמן לאנרגיה (kWh).
התפוקה משתנה עם מזג האוויר; ממוצעים ארוכי טווח חשובים.
- מקדם קיבולת: % מהתפוקה המרבית לאורך זמן
- סולארי על גגות: ~900–1,400 kWh/kW·שנה (תלוי מיקום)
- חוות רוח: מקדם קיבולת לעיתים קרובות 25–45%
אחסון והסטה
סוללות אוגרות עודפים ומסיטות אנרגיה לזמן שבו היא נדרשת.
- קיבולת ב-kWh לעומת הספק ב-kW חשובה
- יעילות הלוך ושוב < 100% (הפסדים)
- תעריפי זמן שימוש מעודדים הסטה
דף נוסחאות לצפיפות אנרגיה
| מקור | לפי מסה | לפי נפח | הערות |
|---|---|---|---|
| בנזין | ~46 MJ/kg (~12.8 kWh/kg) | ~34 MJ/L (~9.4 kWh/L) | בקירוב; תלוי בתערובת |
| דיזל | ~45 MJ/kg | ~36 MJ/L | צפיפות נפחית מעט גבוהה יותר מבנזין |
| דלק סילוני | ~43 MJ/kg | ~34 MJ/L | טווח קרוסין |
| אתנול | ~30 MJ/kg | ~24 MJ/L | נמוך מבנזין |
| מימן (700 בר) | ~120 MJ/kg | ~5–6 MJ/L | גבוה לפי מסה, נמוך לפי נפח |
| גז טבעי (STP) | ~55 MJ/kg | ~0.036 MJ/L | דחוס/נוזלי צפיפות נפחית גבוהה בהרבה |
| סוללת ליתיום-יון | ~0.6–0.9 MJ/kg (160–250 Wh/kg) | ~1.4–2.5 MJ/L | תלוי בכימיה |
| סוללת עופרת-חומצה | ~0.11–0.18 MJ/kg | ~0.3–0.5 MJ/L | צפיפות נמוכה, זול |
| עץ (יבש) | ~16 MJ/kg | משתנה | תלוי במין ובלחות |
השוואת אנרגיה בסקלות שונות
| יישום | ג'ולים (J) | קוט"ש | kcal | BTU |
|---|---|---|---|---|
| פוטון יחיד (נראה) | ~3×10⁻¹⁹ | ~10⁻²² | ~7×10⁻²⁰ | ~3×10⁻²² |
| אלקטרון-וולט אחד | 1.6×10⁻¹⁹ | 4.5×10⁻²³ | 3.8×10⁻²⁰ | 1.5×10⁻²² |
| נמלה מרימה גרגר | ~10⁻⁶ | ~10⁻⁹ | ~2×10⁻⁷ | ~10⁻⁹ |
| סוללת AA | 9,360 | 0.0026 | 2.2 | 8.9 |
| טעינת סמארטפון | 50,000 | 0.014 | 12 | 47 |
| פרוסת לחם | 335,000 | 0.093 | 80 | 318 |
| ארוחה מלאה | 2,500,000 | 0.69 | 600 | 2,370 |
| מקלחת חמה (10 דקות) | 5.4 MJ | 1.5 | 1,290 | 5,120 |
| צריכת מזון יומית | 10 MJ | 2.8 | 2,400 | 9,480 |
| ליטר בנזין | 34 MJ | 9.4 | 8,120 | 32,200 |
| סוללת טסלה (60 kWh) | 216 MJ | 60 | 51,600 | 205,000 |
| ברק | 1-5 GJ | 300-1,400 | 240k-1.2M | 950k-4.7M |
| טון TNT | 4.184 GJ | 1,162 | 1,000,000 | 3.97M |
| פצצת הירושימה | 63 TJ | 17.5M | 15 מיליארד | 60 מיליארד |
אמות מידה יומיומיות
| דבר | אנרגיה טיפוסית | הערות |
|---|---|---|
| טעינה מלאה של טלפון | ~10–15 Wh | ~36–54 kJ |
| סוללת מחשב נייד | ~50–100 Wh | ~0.18–0.36 MJ |
| פרוסת לחם אחת | ~70–100 kcal | ~290–420 kJ |
| מקלחת חמה (10 דקות) | ~1–2 kWh | הספק × זמן |
| תנור חימום (שעה אחת) | 1–2 kWh | לפי הגדרת ההספק |
| בנזין (ליטר אחד) | ~34 MJ | ערך קלורי נמוך (בערך) |
עובדות מדהימות על אנרגיה
סוללת רכב חשמלי מול בית
סוללת טסלה של 60 קוט"ש אוגרת אותה כמות אנרגיה שבית טיפוסי צורך ב-2-3 ימים — דמיינו שאתם נושאים 3 ימים של חשמל במכונית שלכם!
התרם המסתורי
תרם אחד הוא 100,000 BTU (29.3 קוט"ש). חשבונות גז טבעי משתמשים בתרמים כי קל יותר לומר '50 תרמים' מאשר '5 מיליון BTU'!
טריק האות הגדולה בקלוריות
תוויות מזון משתמשות ב'קלוריה' (עם ק' גדולה) שהיא למעשה קילוקלוריה! אז העוגייה הזאת של 200 קלוריות היא בעצם 200,000 קלוריות (עם ק' קטנה).
הסוד המלוכלך של הבנזין
בליטר אחד של בנזין יש 9.4 קוט"ש של אנרגיה, אבל מנועים מבזבזים 70% כחום! רק ~2.5 קוט"ש באמת מזיזים את המכונית שלכם. רכבים חשמליים מבזבזים רק ~10-15%.
אמת המידה של 1 קוט"ש
1 קוט"ש יכול: להפעיל נורת 100W למשך 10 שעות, להטעין 100 סמארטפונים, לקלות 140 פרוסות לחם, או להפעיל את המקרר שלכם למשך 24 שעות!
הקסם של בלימה רגנרטיבית
רכבים חשמליים משיבים 15-25% מהאנרגיה בזמן בלימה על ידי הפיכת המנוע לגנרטור. זו אנרגיה חינמית מאנרגיה קינטית מבוזבזת!
E=mc² הוא מדהים
בגופכם יש מספיק מסה-אנרגיה (E=mc²) כדי להפעיל את כל ערי העולם למשך שבוע! אבל המרת מסה לאנרגיה דורשת תגובות גרעיניות.
דלק טילים מול מזון
קילו לקילו, לדלק טילים יש פי 10 יותר אנרגיה משוקולד. אבל אי אפשר לאכול דלק טילים — אנרגיה כימית ≠ אנרגיה מטבולית!
שיאים וקיצוניות
| שיא | אנרגיה | הערות |
|---|---|---|
| שימוש ביתי יומי | ~10–30 kWh | משתנה לפי אקלים ומכשירים |
| ברק | ~1–10 GJ | משתנה מאוד |
| מגה-טון אחד של TNT | 4.184 PJ | שווה ערך נפץ |
גילוי האנרגיה: מאש קדומה לפיזיקה מודרנית
אנרגיה קדומה: אש, מזון וכוח שרירים
במשך אלפי שנים, בני האדם הבינו אנרגיה רק דרך השפעותיה: חום מאש, כוח ממזון, וכוח המים והרוח. אנרגיה הייתה מציאות מעשית ללא הבנה תיאורטית.
- **שליטה באש** (~400,000 לפנה"ס) - בני האדם רותמים אנרגיה כימית לחום ולאור
- **גלגלי מים** (~300 לפנה"ס) - יוונים ורומאים ממירים אנרגיה קינטית לעבודה מכנית
- **טחנות רוח** (~600 לספירה) - פרסים לוכדים אנרגיית רוח לטחינת תבואה
- **הבנת התזונה** (העת העתיקה) - מזון כ'דלק' לפעילות אנושית, אף שהמנגנון לא היה ידוע
יישומים מעשיים אלו קדמו לכל תיאוריה מדעית באלפי שנים. אנרגיה הייתה ידועה מניסיון, לא ממשוואות.
העידן המכני: קיטור, עבודה ויעילות (1600-1850)
המהפכה התעשייתית דרשה הבנה טובה יותר של האופן שבו חום הופך לעבודה. מהנדסים מדדו את יעילות המנועים, מה שהוביל להולדת התרמודינמיקה.
- **שיפורי מנוע הקיטור של ג'יימס וואט** (1769) - כימת את תפוקת העבודה, הציג את כוח הסוס
- **תיאוריית מנוע החום של סאדי קרנו** (1824) - הוכיחה גבולות תיאורטיים להמרת חום לעבודה
- **יוליוס פון מאייר** (1842) - הציע שווה ערך מכני לחום: חום ועבודה ניתנים להמרה הדדית
- **ניסוייו של ג'יימס ג'ול** (1843-1850) - מדד במדויק: 1 קלוריה = 4.184 ג'ול של עבודה מכנית
ניסוייו של ג'ול הוכיחו את שימור האנרגיה: עבודה מכנית, חום וחשמל הם צורות שונות של אותו הדבר.
אנרגיה מאוחדת: שימור וצורות (1850-1900)
המאה ה-19 סינתזה תצפיות שונות למושג אחד: אנרגיה נשמרת, משנה צורה אך לעולם אינה נוצרת או נהרסת.
- **הרמן פון הלמהולץ** (1847) - ניסח רשמית את חוק שימור האנרגיה
- **רודולף קלאוזיוס** (שנות ה-1850) - הציג את האנטרופיה, המראה כי איכות האנרגיה יורדת
- **ג'יימס קלרק מקסוול** (1865) - איחד חשמל ומגנטיות, והראה שאור נושא אנרגיה
- **לודוויג בולצמן** (1877) - קישר בין אנרגיה לתנועה אטומית באמצעות מכניקה סטטיסטית
עד 1900, אנרגיה הובנה כמטבע המרכזי של הפיזיקה – משתנה אך נשמרת בכל התהליכים הטבעיים.
העידן הקוונטי והאטומי: E=mc² וסקאלות תת-אטומיות (1900-1945)
המאה ה-20 חשפה אנרגיה בקיצוניות: שוויון מסה-אנרגיה של איינשטיין ומכניקת הקוונטים בסקלות אטומיות.
- **מקס פלאנק** (1900) - כימת את האנרגיה בקרינה: E = hν (קבוע פלאנק)
- **E=mc² של איינשטיין** (1905) - מסה ואנרגיה שקולות; מסה זעירה = אנרגיה עצומה
- **נילס בוהר** (1913) - רמות אנרגיה אטומיות מסבירות קווים ספקטרליים; eV הופך ליחידה טבעית
- **אנריקו פרמי** (1942) - תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת ראשונה משחררת אנרגיה בסדר גודל של MeV
- **פרויקט מנהטן** (1945) - ניסוי טריניטי מדגים שווה ערך של ~22 קילוטון TNT (~90 TJ)
אנרגיה גרעינית אימתה את E=mc²: ביקוע ממיר 0.1% מהמסה לאנרגיה – צפוף פי מיליונים מדלקים כימיים.
נוף האנרגיה המודרני (1950-הווה)
החברה שלאחר המלחמה תיקננה יחידות אנרגיה לשירותים ציבוריים, מזון ופיזיקה, תוך התמודדות עם דלקים מאובנים, אנרגיות מתחדשות ויעילות.
- **תקינת קילווואט-שעה** - חברות חשמל גלובליות מאמצות קוט"ש לחיוב
- **סימון קלוריות** (שנות ה-60 עד ה-90) - אנרגיית מזון מתוקננת; ה-FDA מחייב עובדות תזונתיות (1990)
- **מהפכה פוטו-וולטאית** (שנות ה-70 עד 2020) - יעילות פאנלים סולאריים מטפסת מ-<10% ל->20%
- **סוללות ליתיום-יון** (1991-הווה) - צפיפות האנרגיה עולה מ-~100 ל-250+ Wh/kg
- **רשתות חכמות ואחסון** (שנות ה-2010) - ניהול אנרגיה בזמן אמת וסוללות בקנה מידה רשתי
עידן האקלים: דה-קרבוניזציה של מערכות אנרגיה
המאה ה-21 מכירה בעלות הסביבתית של האנרגיה. המיקוד עובר מייצור אנרגיה בלבד לייצור יעיל של אנרגיה נקייה.
- **עצימות פחמן** - דלקים מאובנים פולטים 400-1000 גרם CO₂/קוט"ש; אנרגיות מתחדשות פולטות <50 גרם CO₂/קוט"ש במחזור החיים
- **פערי אחסון אנרגיה** - סוללות אוגרות ~0.5 MJ/kg לעומת 46 MJ/kg של בנזין; חרדת טווח נסיעה נמשכת
- **שילוב ברשת** - אנרגיות מתחדשות משתנות דורשות אחסון ותגובת ביקוש
- **ציווי יעילות** - נורות לד (100 lm/W) לעומת נורות ליבון (15 lm/W); משאבות חום (COP > 3) לעומת חימום התנגדותי
המעבר לאפס פליטות נטו דורש חשמול של הכל וייצור נקי של אותו חשמל – שיפוץ מלא של מערכת האנרגיה.
אבני דרך מרכזיות במדע האנרגיה
סולם האנרגיה: מלחישות קוונטיות ועד להתפוצצויות קוסמיות
אנרגיה משתרעת על פני טווח בלתי נתפס: מפוטונים בודדים ועד לסופרנובות. הבנת הסקלות הללו עוזרת למקם את צריכת האנרגיה היומיומית בהקשר.
קוונטית ומולקולרית (10⁻¹⁹ עד 10⁻¹⁵ J)
Typical units: eV עד meV
- **אנרגיה תרמית למולקולה** (טמפרטורת החדר) - ~0.04 eV (~6×10⁻²¹ J)
- **פוטון נראה** - 1.8-3.1 eV (אור אדום עד סגול)
- **שבירת קשר כימי** - 1-10 eV (קשרים קוולנטיים)
- **פוטון רנטגן** - 1-100 keV
סקאלה מיקרוסקופית ואנושית (1 mJ עד 1 MJ)
Typical units: mJ, J, kJ
- **יתוש מעופף** - ~0.1 mJ
- **טעינה מלאה של סוללת AA** - ~10 kJ (2.7 Wh)
- **חטיף שוקולד** - ~1 MJ (240 kcal)
- **אדם במנוחה (שעה)** - ~300 kJ (קצב חילוף חומרים של 75 kcal)
- **סוללת סמארטפון** - ~50 kJ (14 Wh)
- **רימון יד** - ~400 kJ
ביתית ורכב (1 MJ עד 1 GJ)
Typical units: MJ, kWh
- **מקלחת חמה (10 דקות)** - 4-7 MJ (1-2 kWh)
- **צריכת מזון יומית** - ~10 MJ (2,400 kcal)
- **ליטר בנזין** - 34 MJ (9.4 kWh)
- **סוללת טסלה מודל 3** - ~216 GJ (60 kWh)
- **צריכה ביתית יומית** - 36-108 MJ (10-30 kWh)
- **גלון בנזין** - ~132 MJ (36.6 kWh)
תעשייתית ועירונית (1 GJ עד 1 TJ)
Typical units: GJ, MWh
- **ברק** - 1-10 GJ (משתנה מאוד)
- **תאונת רכב קטנה (100 קמ"ש)** - ~1 GJ (אנרגיה קינטית)
- **טון TNT** - 4.184 GJ
- **דלק סילוני (טון אחד)** - ~43 GJ
- **חשמל יומי של בלוק עירוני** - ~100-500 GJ
אירועים בקנה מידה גדול (1 TJ עד 1 PJ)
Typical units: TJ, GWh
- **קילוטון TNT** - 4.184 TJ (הירושימה: ~63 TJ)
- **תפוקה יומית של תחנת כוח קטנה** - ~10 TJ (תחנת כוח 100 MW)
- **תפוקה שנתית של חוות רוח גדולה** - ~1-5 PJ
- **שיגור מעבורת חלל** - ~18 TJ (אנרגיית דלק)
ציוויליזציה וגיאופיזיקה (1 PJ עד 1 EJ)
Typical units: PJ, TWh
- **נשק גרעיני של מגה-טון** - 4,184 PJ (פצצת הצאר: ~210 PJ)
- **רעידת אדמה גדולה (דרגה 7)** - ~32 PJ
- **הוריקן (אנרגיה כוללת)** - ~600 PJ/יום (רובה כחום כמוס)
- **תפוקה שנתית של סכר הובר** - ~15 PJ (4 TWh)
- **צריכת אנרגיה שנתית של מדינה קטנה** - ~100-1,000 PJ
פלנטרית וכוכבית (1 EJ עד 10⁴⁴ J)
Typical units: EJ, ZJ, ומעבר
- **צריכת אנרגיה שנתית של ארה"ב** - ~100 EJ (~28,000 TWh)
- **צריכת אנרגיה שנתית עולמית** - ~600 EJ (2020)
- **התפרצות קרקטואה (1883)** - ~840 PJ
- **פגיעת אסטרואיד צ'יקשולוב** - ~4×10²³ J (100 מיליון מגה-טון)
- **תפוקה יומית של השמש** - ~3.3×10³¹ J
- **סופרנובה (סוג Ia)** - ~10⁴⁴ J (foe)
כל פעולה – מפגיעת פוטון בעינכם ועד התפוצצות כוכב – היא טרנספורמציה של אנרגיה. אנו חיים בטווח צר: ממגה-ג'ולים לג'יגה-ג'ולים.
אנרגיה בפעולה: יישומים בעולם האמיתי בתחומים שונים
תזונה ומטבוליזם
תוויות מזון מציינות אנרגיה בקלוריות (kcal). גופכם ממיר זאת ל-ATP לעבודה תאית ביעילות של ~25%.
- **קצב חילוף חומרים בסיסי** - ~1,500-2,000 kcal/יום (6-8 MJ) כדי להישאר בחיים
- **ריצת מרתון** - שורפת ~2,600 kcal (~11 MJ) במשך 3-4 שעות
- **חטיף שוקולד** - ~250 kcal יכולים להפעיל מחשב נייד של 60W למשך ~4.5 שעות (אם היה יעיל ב-100%)
- **מתמטיקה של דיאטה** - 1 פאונד שומן = ~3,500 kcal גירעון; גירעון של 500 kcal/יום = 1 פאונד/שבוע
ניהול אנרגיה ביתית
חשבונות חשמל מחויבים לפי קוט"ש. הבנת צריכת המכשירים עוזרת להפחית עלויות וטביעת רגל פחמנית.
- **לד מול ליבון** - נורת לד 10W = אור ליבון 60W; חוסך 50W × 5 שעות/יום = 0.25 קוט"ש/יום = 9 דולר/חודש
- **עומסי פנטום** - מכשירים במצב המתנה מבזבזים ~5-10% מהאנרגיה הביתית (~1 קוט"ש/יום)
- **משאבות חום** - מעבירות 3-4 קוט"ש של חום באמצעות 1 קוט"ש של חשמל (COP > 3); מחממי התנגדות הם 1:1
- **טעינת רכב חשמלי** - סוללת 60 קוט"ש ב-$0.15/קוט"ש = $9 לטעינה מלאה (לעומת שווה ערך בנזין של $40)
תחבורה וכלי רכב
כלי רכב ממירים אנרגיית דלק לאנרגיה קינטית עם הפסדים משמעותיים. רכבים חשמליים יעילים פי 3 ממנועי בעירה פנימית.
- **מכונית בנזין** - יעילות של 30%; 1 גלון (132 MJ) → 40 MJ עבודה שימושית, 92 MJ חום
- **רכב חשמלי** - יעילות של 85%; 20 קוט"ש (72 MJ) → 61 MJ לגלגלים, 11 MJ הפסדים
- **בלימה רגנרטיבית** - משיבה 10-25% מהאנרגיה הקינטית חזרה לסוללה
- **אווירודינמיקה** - הכפלת המהירות מרבעת את כוח הגרר הדרוש (P ∝ v³)
תעשייה וייצור
תעשייה כבדה מהווה ~30% מצריכת האנרגיה העולמית. יעילות תהליכים ושחזור חום פסולת הם קריטיים.
- **ייצור פלדה** - ~20 GJ לטון (5,500 קוט"ש); תנורי קשת חשמליים משתמשים בגרוטאות ופחות אנרגיה
- **התכת אלומיניום** - ~45-55 GJ לטון; לכן מיחזור חוסך 95% אנרגיה
- **מרכזי נתונים** - ~200 TWh/שנה ברחבי העולם (2020); PUE (יעילות שימוש בחשמל) מודד יעילות
- **ייצור מלט** - ~3-4 GJ לטון; מהווה 8% מפליטות ה-CO₂ העולמיות
מערכות אנרגיה מתחדשת
שמש, רוח והידרו ממירים אנרגיה סביבתית לחשמל. מקדם קיבולת והפסקתיות מעצבים את הפריסה.
- **פאנל סולארי** - יעילות של ~20%; 1 מ"ר מקבל ~1 קילוואט שמש שיא → 200W × 5 שעות שמש/יום = 1 קוט"ש/יום
- **מקדם קיבולת של טורבינת רוח** - 25-45%; טורבינת 2 MW × 35% CF = 6,100 MWh/שנה
- **הידרואלקטרי** - יעילות של 85-90%; 1 מ"ק/שנייה הנופל 100 מטר ≈ 1 MW
- **יעילות הלוך ושוב של אחסון בסוללה** - 85-95%; הפסדים כחום במהלך טעינה/פריקה
יישומים מדעיים ופיזיקליים
ממאיצי חלקיקים ועד היתוך בלייזר, מחקר פיזיקלי פועל בקיצוניות אנרגטית.
- **מאיץ החלקיקים הגדול** - 362 MJ מאוחסנים באלומה; התנגשויות פרוטונים ב-13 TeV
- **היתוך בלייזר** - NIF מספק ~2 MJ בננו-שניות; הגיע לאיזון בשנת 2022 (~3 MJ פלט)
- **איזוטופים רפואיים** - ציקלוטרונים מאיצים פרוטונים ל-10-20 MeV להדמיית PET
- **קרניים קוסמיות** - החלקיק האנרגטי ביותר שזוהה: ~3×10²⁰ eV (~50 J בפרוטון אחד!)
קטלוג יחידות
מטרי (SI)
| יחידה | סמל | ג'ולים | הערות |
|---|---|---|---|
| ג'אול | J | 1 | יחידת הבסיס של אנרגיה ב-SI. |
| קילוג'אול | kJ | 1,000 | 1,000 J; שימושי לתזונה. |
| מגהג'אול | MJ | 1,000,000 | 1,000,000 J; סקאלת מכשירים/תעשייתית. |
| ג'יגהג'אול | GJ | 1.000e+9 | 1,000 MJ; תעשייה גדולה/הנדסה. |
| מיקרוג'אול | µJ | 0.000001 | מיקרוג'ול; חיישנים ופולסי לייזר. |
| מיליג'אול | mJ | 0.001 | מיליג'ול; פולסים קטנים. |
| ננוג'אול | nJ | 0.000000001 | ננוג'ול; אירועי מיקרו-אנרגיה. |
| טרהג'אול | TJ | 1.000e+12 | 1,000 GJ; שחרורים גדולים מאוד. |
אימפריאלי / ארה"ב
| יחידה | סמל | ג'ולים | הערות |
|---|---|---|---|
| יחידת תרמית בריטית | BTU | 1,055.06 | יחידת חום בריטית; HVAC וחימום. |
| BTU (IT) | BTU(IT) | 1,055.06 | הגדרת BTU IT (≈ זהה ל-BTU). |
| BTU (תרמוכימי) | BTU(th) | 1,054.35 | הגדרת BTU תרמוכימית. |
| פאונד-רגל כוח | ft·lbf | 1.35582 | רגל-פאונד כוח; עבודה מכנית. |
| אינץ'-פאונד כוח | in·lbf | 0.112985 | אינץ'-פאונד כוח; מומנט ועבודה. |
| מיליון BTU | MBTU | 1.055e+9 | מיליון BTU; שוקי אנרגיה. |
| קוואד | quad | 1.055e+18 | 10¹⁵ BTU; סקלות אנרגיה לאומיות. |
| תרם | thm | 105,506,000 | חיוב גז טבעי; 100,000 BTU. |
קלוריות
| יחידה | סמל | ג'ולים | הערות |
|---|---|---|---|
| קלוריה | cal | 4.184 | קלוריה קטנה; 4.184 J. |
| קלוריה (מזון) | Cal | 4,184 | 'קלוריה' על תווית מזון (kcal). |
| קילוקלוריה | kcal | 4,184 | קילוקלוריה; קלוריית מזון. |
| קלוריה (15°C) | cal₁₅ | 4.1855 | קלוריה ב-15°C. |
| קלוריה (20°C) | cal₂₀ | 4.182 | קלוריה ב-20°C. |
| קלוריה (IT) | cal(IT) | 4.1868 | קלוריה IT (≈4.1868 J). |
| קלוריה (תרמוכימית) | cal(th) | 4.184 | קלוריה תרמוכימית (4.184 J). |
חשמלי
| יחידה | סמל | ג'ולים | הערות |
|---|---|---|---|
| קילוואט-שעה | kWh | 3,600,000 | קילווואט-שעה; חשבונות חשמל ורכבים חשמליים. |
| ואט-שעה | Wh | 3,600 | ואט-שעה; אנרגיית מכשירים. |
| אלקטרון-וולט | eV | 1.602e-19 | אלקטרון-וולט; אנרגיות חלקיקים/פוטונים. |
| ג'יגה-אלקטרון-וולט | GeV | 1.602e-10 | ג'יגה-אלקטרון-וולט; פיזיקת אנרגיות גבוהות. |
| ג'יגה-ואט-שעה | GWh | 3.600e+12 | ג'יגה-ואט-שעה; רשתות ותחנות כוח. |
| קילואלקטרון-וולט | keV | 1.602e-16 | קילו-אלקטרון-וולט; קרני רנטגן. |
| מגה-אלקטרון-וולט | MeV | 1.602e-13 | מגה-אלקטרון-וולט; פיזיקה גרעינית. |
| מגה-ואט-שעה | MWh | 3.600e+9 | מגה-ואט-שעה; מתקנים גדולים יותר. |
אטומי / גרעיני
| יחידה | סמל | ג'ולים | הערות |
|---|---|---|---|
| יחידת מסה אטומית | u | 1.492e-10 | שווה ערך אנרגטי של 1 u (באמצעות E=mc²). |
| אנרגיית הארטרי | Eₕ | 4.360e-18 | אנרגיית הרטרי (כימיה קוונטית). |
| קילוטון TNT | ktTNT | 4.184e+12 | קילוטון TNT; אנרגיית פיצוץ גדולה. |
| מגהטון TNT | MtTNT | 4.184e+15 | מגה-טון TNT; אנרגיית פיצוץ גדולה מאוד. |
| קבוע רידברג | Ry | 2.180e-18 | אנרגיית רידברג; ספקטרוסקופיה. |
| טון TNT | tTNT | 4.184e+9 | טון TNT; שווה ערך נפץ. |
מדעי
| יחידה | סמל | ג'ולים | הערות |
|---|---|---|---|
| חבית שוות ערך נפט | BOE | 6.120e+9 | שווה ערך חבית נפט ~6.12 GJ (בקירוב). |
| רגל מעוקב של גז טבעי | cf NG | 1,055,060 | רגל מעוקבת של גז טבעי ~1.055 MJ (בקירוב). |
| דיין-סנטימטר | dyn·cm | 0.0000001 | דיין-ס"מ; 1 דיין·ס"מ = 10⁻⁷ J. |
| ארג | erg | 0.0000001 | ארג; אנרגיה CGS; 1 ארג = 10⁻⁷ J. |
| כוח סוס-שעה | hp·h | 2,684,520 | כוח סוס-שעה; מכני/מנועים. |
| כוח סוס-שעה (מטרי) | hp·h(M) | 2,647,800 | כוח סוס-שעה מטרי. |
| חום כמוס של אדים | LH | 2,257,000 | חום כמוס של אידוי מים ≈ 2.257 MJ/kg. |
| אנרגיית פלאנק | Eₚ | 1.956e+9 | אנרגיית פלאנק (Eₚ) ≈ 1.96×10⁹ J (סקאלה תיאורטית). |
| טון שווה ערך פחם | TCE | 2.931e+10 | שווה ערך טון פחם ~29.31 GJ (בקירוב). |
| טון שווה ערך נפט | TOE | 4.187e+10 | שווה ערך טון נפט ~41.868 GJ (בקירוב). |
שאלות נפוצות
מה ההבדל בין קילוואט לקוט"ש?
קילוואט הוא הספק (קצב). קוט"ש הוא אנרגיה (קילוואט × שעות). חשבונות משתמשים בקוט"ש.
האם קלוריות זהות ל-kcal?
כן. 'קלוריה' במזון שווה ל-1 קילוקלוריה (kcal) = 4.184 kJ.
איך אני מעריך את עלות המכשיר?
אנרגיה (קוט"ש) × תעריף (לקוט"ש). דוגמה: 2 קוט"ש × 0.50 ₪ = 1.00 ₪.
מדוע יש כל כך הרבה הגדרות לקלוריה?
מדידות היסטוריות בטמפרטורות שונות הובילו לגרסאות שונות (IT, תרמוכימית). לתזונה, השתמשו ב-kcal.
מתי עלי להשתמש ב-eV במקום ב-J?
eV טבעי לסקלות אטומיות/חלקיקיות. המירו ל-J להקשרים מאקרוסקופיים.
מהו מקדם קיבולת?
התפוקה האנרגטית בפועל לאורך זמן חלקי התפוקה אם התחנה הייתה פועלת בהספק מלא 100% מהזמן.
מדריך כלים מלא
כל 71 הכלים הזמינים ב-UNITS