Convertitore Energia
Energia — dalle calorie ai kilowattora
Comprendi l'energia nella vita di tutti i giorni: calorie alimentari, kWh degli elettrodomestici, BTU nel riscaldamento ed elettronvolt in fisica. Converti con sicurezza con esempi chiari.
Fondamenti dell'Energia
Cos'è l'energia?
Capacità di compiere un lavoro o produrre calore. Spesso misurata come lavoro meccanico, calore o energia elettrica.
La potenza si collega all'energia tramite il tempo: potenza = energia/tempo (W = J/s).
- Base SI: joule (J)
- Elettrica: Wh e kWh
- Nutrizione: Caloria = chilocaloria (kcal)
Contesto quotidiano
Le bollette elettriche vengono addebitate in kWh; gli elettrodomestici indicano la potenza (W) e si moltiplica per il tempo per ottenere i kWh.
Le etichette alimentari usano le Calorie (kcal). Il riscaldamento/raffreddamento usa spesso i BTU.
- Carica del telefono: ~10 Wh
- Doccia (10 min, scaldabagno da 7 kW): ~1,17 kWh
- Pasto: ~600–800 kcal
Scienza e micro‑energia
La fisica delle particelle usa l'eV per le energie di fotoni e particelle.
Su scale atomiche, le energie di Hartree e Rydberg appaiono nella meccanica quantistica.
- 1 eV = 1,602×10⁻¹⁹ J
- Fotone visibile: ~2–3 eV
- L'energia di Planck è estremamente grande (teorica)
- Converti tramite joule (J) per chiarezza e precisione
- Il kWh è comodo per l'energia domestica; la kcal per la nutrizione
- Il BTU è comune nel settore HVAC; l'eV in fisica
Aiuti per la memoria
Calcolo mentale rapido
kWh ↔ MJ
1 kWh = 3,6 MJ esatti. Moltiplica per 3,6 o dividi per 3,6.
kcal ↔ kJ
1 kcal ≈ 4,2 kJ. Arrotonda a 4 per stime rapide.
BTU ↔ kJ
1 BTU ≈ 1,055 kJ. Circa 1 BTU ≈ 1 kJ per stime.
Wh ↔ J
1 Wh = 3.600 J. Pensa: 1 watt per 1 ora = 3.600 secondi.
Calorie alimentari
1 Cal (alimento) = 1 kcal = 4,184 kJ. La 'C' maiuscola significa chilocaloria!
kW × ore → kWh
Potenza × Tempo = Energia. Stufa da 2 kW × 3 ore = 6 kWh consumati.
Riferimenti visivi sull'energia
| Scenario | Energy | Visual Reference |
|---|---|---|
| Lampadina LED (10 W, 10 ore) | 100 Wh (0,1 kWh) | Costa ~$0,01 alle tariffe tipiche |
| Carica completa dello smartphone | 10-15 Wh | Sufficiente per caricare ~60-90 volte da 1 kWh |
| Fetta di pane | 80 kcal (335 kJ) | Potrebbe alimentare una lampadina da 100W per ~1 ora |
| Doccia calda (10 min) | 1-2 kWh | La stessa energia del funzionamento del tuo frigorifero per un giorno |
| Pasto completo | 600 kcal (2,5 MJ) | Energia sufficiente per sollevare un'auto di 1 metro da terra |
| Batteria di un'auto elettrica (60 kWh) | 216 MJ | Come 30.000 Calorie alimentari o 20 giorni di cibo |
| Litro di benzina | 34 MJ (9,4 kWh) | Ma i motori sprecano il 70% come calore! |
| Fulmine | 1-5 GJ | Sembra enorme ma alimenta una casa solo per poche ore |
Errori comuni
- Confondere kW e kWhFix: Il kW è potenza (tasso), il kWh è energia (quantità). Una stufa da 2 kW che funziona per 3 ore consuma 6 kWh.
- Caloria vs. caloriaFix: Le etichette alimentari usano 'Caloria' (con la C maiuscola) = chilocaloria = 1.000 calorie (con la c minuscola). 1 Cal = 1 kcal = 4,184 kJ.
- Ignorare l'efficienzaFix: La benzina ha 9,4 kWh/litro, ma i motori sono efficienti solo al 25-30%. L'energia utile reale è di ~2,5 kWh/litro!
- mAh della batteria senza voltaggioFix: 10.000 mAh non significano nulla senza il voltaggio! A 3,7V: 10.000 mAh × 3,7V ÷ 1000 = 37 Wh.
- Confondere le bollette di energia e potenzaFix: Le bollette elettriche addebitano per kWh (energia), non per kW (potenza). La tua tariffa è €/kWh, non €/kW.
- Dimenticare il tempo nei calcoli energeticiFix: Potenza × Tempo = Energia. Far funzionare una stufa da 1.500W per 2 ore = 3 kWh, non 1,5 kWh!
Dove si inserisce ogni unità
Casa ed elettrodomestici
L'energia elettrica viene fatturata in kWh; stima il consumo con potenza × tempo.
- Lampadina LED 10 W × 5 h ≈ 0,05 kWh
- Forno 2 kW × 1 h = 2 kWh
- La bolletta mensile somma tutti i dispositivi
Cibo e nutrizione
Le calorie sulle etichette sono chilocalorie (kcal) e sono spesso abbinate ai kJ.
- 1 kcal = 4,184 kJ
- Assunzione giornaliera ~2.000–2.500 kcal
- kcal e Cal (alimento) sono la stessa cosa
Riscaldamento e combustibili
BTU, therm e equivalenti di combustibile (BOE/TOE) compaiono nel settore HVAC e nei mercati energetici.
- 1 therm = 100.000 BTU
- Gas naturale e petrolio usano equivalenti standardizzati
- Le conversioni kWh ↔ BTU sono comuni
Come funzionano le conversioni
- 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
Conversioni comuni
| Da | A | Fattore | Esempio |
|---|---|---|---|
| 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 |
Esempi rapidi
Riferimento rapido
Calcolo rapido del costo degli elettrodomestici
Energia (kWh) × prezzo per kWh
- Esempio: 2 kWh × 0,20 € = 0,40 €
- 1.000 W × 3 h = 3 kWh
Scheda rapida per le batterie
mAh × V ÷ 1000 ≈ Wh
- 10.000 mAh × 3,7 V ≈ 37 Wh
- Wh ÷ W del dispositivo ≈ autonomia (ore)
Calcolo rapido della CO₂
Stima le emissioni dall'uso dell'elettricità
- CO₂ = kWh × intensità della rete
- Esempio: 5 kWh × 400 gCO₂/kWh = 2.000 g (2 kg)
- Una rete a basso tenore di carbonio (100 g/kWh) riduce questo del 75%
Errori su potenza vs. energia
Confusioni comuni
- Il kW è potenza (tasso); il kWh è energia (quantità)
- Una stufa da 2 kW per 3 ore consuma 6 kWh
- Le bollette usano i kWh; le targhette degli elettrodomestici mostrano W/kW
Introduzione alle energie rinnovabili
Basi di solare ed eolico
Le energie rinnovabili generano potenza (kW) che si integra nel tempo in energia (kWh).
La produzione varia con il tempo; le medie a lungo termine sono importanti.
- Fattore di capacità: % della produzione massima nel tempo
- Solare su tetto: ~900–1.400 kWh/kW·anno (dipendente dalla località)
- Parchi eolici: il fattore di capacità è spesso del 25–45%
Stoccaggio e spostamento
Le batterie immagazzinano l'eccesso e spostano l'energia a quando è necessaria.
- La capacità in kWh vs. la potenza in kW è importante
- L'efficienza di andata e ritorno è < 100% (perdite)
- Le tariffe a fasce orarie incoraggiano lo spostamento
Scheda rapida sulla densità energetica
| Fonte | Per massa | Per volume | Note |
|---|---|---|---|
| Benzina | ~46 MJ/kg (~12,8 kWh/kg) | ~34 MJ/L (~9,4 kWh/L) | Circa; dipende dalla miscela |
| Diesel | ~45 MJ/kg | ~36 MJ/L | Densità volumetrica leggermente superiore alla benzina |
| Carburante per jet | ~43 MJ/kg | ~34 MJ/L | Gamma del cherosene |
| Etanolo | ~30 MJ/kg | ~24 MJ/L | Inferiore alla benzina |
| Idrogeno (700 bar) | ~120 MJ/kg | ~5–6 MJ/L | Alto per massa, basso per volume |
| Gas naturale (STP) | ~55 MJ/kg | ~0,036 MJ/L | Compresso/GNL ha una densità volumetrica molto più alta |
| Batteria agli ioni di litio | ~0,6–0,9 MJ/kg (160–250 Wh/kg) | ~1,4–2,5 MJ/L | Dipende dalla chimica |
| Batteria al piombo‑acido | ~0,11–0,18 MJ/kg | ~0,3–0,5 MJ/L | Bassa densità, economica |
| Legno (secco) | ~16 MJ/kg | Varia | Dipende dalla specie e dall'umidità |
Confronto energetico su diverse scale
| Applicazione | Joule (J) | kWh | kcal | BTU |
|---|---|---|---|---|
| Singolo fotone (visibile) | ~3×10⁻¹⁹ | ~10⁻²² | ~7×10⁻²⁰ | ~3×10⁻²² |
| Un elettronvolt | 1,6×10⁻¹⁹ | 4,5×10⁻²³ | 3,8×10⁻²⁰ | 1,5×10⁻²² |
| Formica che solleva un granello | ~10⁻⁶ | ~10⁻⁹ | ~2×10⁻⁷ | ~10⁻⁹ |
| Pila AA | 9.360 | 0,0026 | 2,2 | 8,9 |
| Carica di uno smartphone | 50.000 | 0,014 | 12 | 47 |
| Fetta di pane | 335.000 | 0,093 | 80 | 318 |
| Pasto completo | 2.500.000 | 0,69 | 600 | 2.370 |
| Doccia calda (10 min) | 5,4 MJ | 1,5 | 1.290 | 5.120 |
| Assunzione giornaliera di cibo | 10 MJ | 2,8 | 2.400 | 9.480 |
| Litro di benzina | 34 MJ | 9,4 | 8.120 | 32.200 |
| Batteria di una Tesla (60 kWh) | 216 MJ | 60 | 51.600 | 205.000 |
| Fulmine | 1-5 GJ | 300-1.400 | 240k-1,2M | 950k-4,7M |
| Tonnellata di TNT | 4,184 GJ | 1.162 | 1.000.000 | 3,97M |
| Bomba di Hiroshima | 63 TJ | 17,5M | 15 miliardi | 60 miliardi |
Riferimenti quotidiani
| Cosa | Energia tipica | Note |
|---|---|---|
| Carica completa del telefono | ~10–15 Wh | ~36–54 kJ |
| Batteria del laptop | ~50–100 Wh | ~0,18–0,36 MJ |
| 1 fetta di pane | ~70–100 kcal | ~290–420 kJ |
| Doccia calda (10 min) | ~1–2 kWh | Potenza × tempo |
| Stufa (1 h) | 1–2 kWh | In base all'impostazione della potenza |
| Benzina (1 L) | ~34 MJ | Potere calorifico inferiore (circa) |
Fatti sorprendenti sull'energia
Batteria di un'auto elettrica vs. Casa
Una batteria di una Tesla da 60 kWh immagazzina la stessa energia che una casa tipica usa in 2-3 giorni — immagina di portare con te in auto 3 giorni di elettricità!
Il misterioso Therm
Un therm sono 100.000 BTU (29,3 kWh). Le bollette del gas naturale usano i therm perché è più facile dire '50 therm' che '5 milioni di BTU'!
Il trucco della lettera maiuscola delle calorie
Le etichette alimentari usano 'Caloria' (con la C maiuscola), che in realtà è una chilocaloria! Quindi quel biscotto da 200 Calorie sono in realtà 200.000 calorie (con la c minuscola).
Il segreto sporco della benzina
1 litro di benzina ha 9,4 kWh di energia, ma i motori ne sprecano il 70% come calore! Solo ~2,5 kWh muovono davvero la tua auto. I veicoli elettrici sprecano solo ~10-15%.
Il benchmark di 1 kWh
1 kWh può: alimentare una lampadina da 100W per 10 ore, caricare 100 smartphone, tostare 140 fette di pane, o far funzionare il tuo frigorifero per 24 ore!
La magia della frenata rigenerativa
I veicoli elettrici recuperano il 15-25% dell'energia durante la frenata trasformando il motore in un generatore. È energia gratuita dall'energia cinetica sprecata!
E=mc² è sbalorditivo
Il tuo corpo ha abbastanza massa-energia (E=mc²) da alimentare tutte le città della Terra per una settimana! Ma convertire la massa in energia richiede reazioni nucleari.
Carburante per razzi vs. Cibo
A parità di peso, il carburante per razzi ha 10 volte l'energia del cioccolato. Ma non puoi mangiare il carburante per razzi — l'energia chimica ≠ l'energia metabolica!
Record ed estremi
| Record | Energia | Note |
|---|---|---|
| Uso domestico giornaliero | ~10–30 kWh | Varia in base al clima e agli elettrodomestici |
| Fulmine | ~1–10 GJ | Altamente variabile |
| 1 megatonnellata di TNT | 4,184 PJ | Equivalente esplosivo |
La scoperta dell'energia: dal fuoco antico alla fisica moderna
Energia antica: fuoco, cibo e forza muscolare
Per millenni, gli esseri umani hanno compreso l'energia solo attraverso i suoi effetti: il calore del fuoco, la forza dal cibo e la potenza dell'acqua e del vento. L'energia era una realtà pratica senza una comprensione teorica.
- **Padronanza del fuoco** (~400.000 a.C.) - Gli esseri umani sfruttano l'energia chimica per calore e luce
- **Ruote idrauliche** (~300 a.C.) - Greci e Romani convertono l'energia cinetica in lavoro meccanico
- **Mulini a vento** (~600 d.C.) - I Persiani catturano l'energia eolica per macinare il grano
- **Comprensione della nutrizione** (antichità) - Il cibo come 'carburante' per l'attività umana, sebbene il meccanismo fosse sconosciuto
Queste applicazioni pratiche hanno preceduto qualsiasi teoria scientifica di migliaia di anni. L'energia era conosciuta attraverso l'esperienza, non le equazioni.
L'era meccanica: vapore, lavoro ed efficienza (1600-1850)
La Rivoluzione Industriale ha richiesto una migliore comprensione di come il calore si converte in lavoro. Gli ingegneri hanno misurato l'efficienza dei motori, portando alla nascita della termodinamica.
- **Miglioramenti del motore a vapore di James Watt** (1769) - Ha quantificato la produzione di lavoro, ha introdotto il cavallo vapore
- **Teoria del motore termico di Sadi Carnot** (1824) - Ha dimostrato i limiti teorici sulla conversione del calore in lavoro
- **Julius von Mayer** (1842) - Ha proposto l'equivalente meccanico del calore: calore e lavoro sono intercambiabili
- **Esperimenti di James Joule** (1843-1850) - Ha misurato con precisione: 1 caloria = 4,184 joule di lavoro meccanico
Gli esperimenti di Joule hanno dimostrato la conservazione dell'energia: lavoro meccanico, calore ed elettricità sono forme diverse della stessa cosa.
Energia unificata: conservazione e forme (1850-1900)
Il XIX secolo ha sintetizzato osservazioni disparate in un unico concetto: l'energia si conserva, trasformandosi tra forme ma senza mai essere creata o distrutta.
- **Hermann von Helmholtz** (1847) - Ha formalizzato la legge di conservazione dell'energia
- **Rudolf Clausius** (anni 1850) - Ha introdotto l'entropia, mostrando che l'energia si degrada in qualità
- **James Clerk Maxwell** (1865) - Ha unificato elettricità e magnetismo, mostrando che la luce trasporta energia
- **Ludwig Boltzmann** (1877) - Ha collegato l'energia al moto atomico tramite la meccanica statistica
Entro il 1900, l'energia era intesa come la valuta centrale della fisica, che si trasforma ma si conserva in tutti i processi naturali.
Era quantistica e atomica: E=mc² e scale subatomiche (1900-1945)
Il XX secolo ha rivelato l'energia agli estremi: l'equivalenza massa-energia di Einstein e la meccanica quantistica su scale atomiche.
- **Max Planck** (1900) - Ha quantizzato l'energia nella radiazione: E = hν (costante di Planck)
- **E=mc² di Einstein** (1905) - Massa ed energia sono equivalenti; una piccola massa equivale a un'enorme energia
- **Niels Bohr** (1913) - I livelli energetici atomici spiegano le linee spettrali; l'eV diventa l'unità naturale
- **Enrico Fermi** (1942) - La prima reazione a catena nucleare controllata rilascia energia su scala MeV
- **Progetto Manhattan** (1945) - Il test Trinity dimostra un equivalente di ~22 chilotoni di TNT (~90 TJ)
L'energia nucleare ha convalidato E=mc²: la fissione converte lo 0,1% della massa in energia, milioni di volte più densa dei combustibili chimici.
Paesaggio energetico moderno (1950-presente)
La società del dopoguerra ha standardizzato le unità di energia per servizi pubblici, cibo e fisica, mentre si confrontava con combustibili fossili, energie rinnovabili ed efficienza.
- **Standardizzazione del kilowattora** - Le aziende elettriche globali adottano il kWh per la fatturazione
- **Etichettatura delle calorie** (anni '60-'90) - L'energia alimentare viene standardizzata; la FDA impone le informazioni nutrizionali (1990)
- **Rivoluzione fotovoltaica** (anni '70-2020) - L'efficienza dei pannelli solari sale da <10% a >20%
- **Batterie agli ioni di litio** (1991-presente) - La densità energetica aumenta da ~100 a 250+ Wh/kg
- **Reti intelligenti e stoccaggio** (anni 2010) - Gestione dell'energia in tempo reale e batterie su scala di rete
L'era del clima: decarbonizzazione dei sistemi energetici
Il XXI secolo riconosce il costo ambientale dell'energia. L'attenzione si sposta dalla semplice generazione di energia alla generazione efficiente di energia pulita.
- **Intensità di carbonio** - I combustibili fossili emettono 400-1000 g di CO₂/kWh; le energie rinnovabili emettono <50 g di CO₂/kWh nel ciclo di vita
- **Carenze nello stoccaggio dell'energia** - Le batterie immagazzinano ~0,5 MJ/kg rispetto ai 46 MJ/kg della benzina; l'ansia da autonomia persiste
- **Integrazione nella rete** - Le energie rinnovabili variabili richiedono stoccaggio e risposta alla domanda
- **Imperativi di efficienza** - LED (100 lm/W) vs. incandescenti (15 lm/W); pompe di calore (COP > 3) vs. riscaldamento resistivo
La transizione verso le emissioni nette zero richiede l'elettrificazione di tutto e la generazione pulita di tale elettricità, una revisione completa del sistema energetico.
Tappe fondamentali nella scienza dell'energia
La scala dell'energia: dai sussurri quantistici alle esplosioni cosmiche
L'energia copre una gamma incomprensibile: da singoli fotoni a supernove. Comprendere queste scale aiuta a contestualizzare l'uso quotidiano dell'energia.
Quantistica e molecolare (da 10⁻¹⁹ a 10⁻¹⁵ J)
Typical units: da eV a meV
- **Energia termica per molecola** (temperatura ambiente) - ~0,04 eV (~6×10⁻²¹ J)
- **Fotone visibile** - 1,8-3,1 eV (dalla luce rossa alla viola)
- **Rottura di un legame chimico** - 1-10 eV (legami covalenti)
- **Fotone di raggi X** - 1-100 keV
Scala microscopica e umana (da 1 mJ a 1 MJ)
Typical units: mJ, J, kJ
- **Zanzara in volo** - ~0,1 mJ
- **Carica completa di una pila AA** - ~10 kJ (2,7 Wh)
- **Barretta di cioccolato** - ~1 MJ (240 kcal)
- **Umano a riposo (1 ora)** - ~300 kJ (tasso metabolico di 75 kcal)
- **Batteria dello smartphone** - ~50 kJ (14 Wh)
- **Granata a mano** - ~400 kJ
Domestica e veicolare (da 1 MJ a 1 GJ)
Typical units: MJ, kWh
- **Doccia calda (10 min)** - 4-7 MJ (1-2 kWh)
- **Assunzione giornaliera di cibo** - ~10 MJ (2.400 kcal)
- **Litro di benzina** - 34 MJ (9,4 kWh)
- **Batteria di una Tesla Model 3** - ~216 GJ (60 kWh)
- **Uso domestico giornaliero** - 36-108 MJ (10-30 kWh)
- **Gallone di benzina** - ~132 MJ (36,6 kWh)
Industriale e municipale (da 1 GJ a 1 TJ)
Typical units: GJ, MWh
- **Fulmine** - 1-10 GJ (varia ampiamente)
- **Incidente di un'auto piccola (100 km/h)** - ~1 GJ (energia cinetica)
- **Tonnellata di TNT** - 4,184 GJ
- **Carburante per jet (1 tonnellata)** - ~43 GJ
- **Elettricità giornaliera di un isolato urbano** - ~100-500 GJ
Eventi su larga scala (da 1 TJ a 1 PJ)
Typical units: TJ, GWh
- **Chilotone di TNT** - 4,184 TJ (Hiroshima: ~63 TJ)
- **Produzione giornaliera di una piccola centrale elettrica** - ~10 TJ (centrale da 100 MW)
- **Produzione annuale di un grande parco eolico** - ~1-5 PJ
- **Lancio dello Space Shuttle** - ~18 TJ (energia del carburante)
Civiltà e geofisica (da 1 PJ a 1 EJ)
Typical units: PJ, TWh
- **Arma nucleare da megatonnellata** - 4.184 PJ (Bomba Zar: ~210 PJ)
- **Terremoto maggiore (magnitudo 7)** - ~32 PJ
- **Uragano (energia totale)** - ~600 PJ/giorno (la maggior parte come calore latente)
- **Produzione annuale della diga di Hoover** - ~15 PJ (4 TWh)
- **Consumo energetico annuale di un piccolo paese** - ~100-1.000 PJ
Planetaria e stellare (da 1 EJ a 10⁴⁴ J)
Typical units: EJ, ZJ e oltre
- **Consumo energetico annuale degli USA** - ~100 EJ (~28.000 TWh)
- **Uso energetico annuale globale** - ~600 EJ (2020)
- **Eruzione del Krakatoa (1883)** - ~840 PJ
- **Impatto dell'asteroide di Chicxulub** - ~4×10²³ J (100 milioni di megatonnellate)
- **Produzione giornaliera del Sole** - ~3,3×10³¹ J
- **Supernova (Tipo Ia)** - ~10⁴⁴ J (foe)
Ogni azione, da un fotone che colpisce il tuo occhio all'esplosione di una stella, è una trasformazione di energia. Viviamo in una fascia ristretta: da megajoule a gigajoule.
Energia in azione: applicazioni reali in vari settori
Nutrizione e metabolismo
Le etichette alimentari indicano l'energia in Calorie (kcal). Il tuo corpo la converte in ATP per il lavoro cellulare con un'efficienza del ~25%.
- **Metabolismo basale** - ~1.500-2.000 kcal/giorno (6-8 MJ) per rimanere in vita
- **Corsa di maratona** - Brucia ~2.600 kcal (~11 MJ) in 3-4 ore
- **Barretta di cioccolato** - ~250 kcal potrebbero alimentare un laptop da 60W per ~4,5 ore (se efficiente al 100%)
- **Matematica della dieta** - 1 libbra di grasso = deficit di ~3.500 kcal; un deficit di 500 kcal/giorno = 1 libbra/settimana
Gestione dell'energia domestica
Le bollette elettriche addebitano per kWh. Comprendere il consumo degli elettrodomestici aiuta a ridurre i costi e l'impronta di carbonio.
- **LED vs. incandescente** - LED da 10W = lampadina a incandescenza da 60W; risparmia 50W × 5 ore/giorno = 0,25 kWh/giorno = 9 €/mese
- **Carichi fantasma** - I dispositivi in standby sprecano ~5-10% dell'energia domestica (~1 kWh/giorno)
- **Pompe di calore** - Spostano 3-4 kWh di calore usando 1 kWh di elettricità (COP > 3); i riscaldatori resistivi sono 1:1
- **Ricarica di un'auto elettrica** - Batteria da 60 kWh a 0,20 €/kWh = 12 € per una ricarica completa (contro i 60 € di un equivalente a benzina)
Trasporti e veicoli
I veicoli convertono l'energia del carburante in energia cinetica con perdite significative. I veicoli elettrici sono 3 volte più efficienti dei motori a combustione interna.
- **Auto a benzina** - 30% di efficienza; 1 gallone (132 MJ) → 40 MJ di lavoro utile, 92 MJ di calore
- **Auto elettrica** - 85% di efficienza; 20 kWh (72 MJ) → 61 MJ alle ruote, 11 MJ di perdite
- **Frenata rigenerativa** - Recupera il 10-25% dell'energia cinetica e la rimette nella batteria
- **Aerodinamica** - Raddoppiare la velocità quadruplica la potenza di resistenza necessaria (P ∝ v³)
Industria e produzione
L'industria pesante rappresenta ~30% del consumo energetico globale. L'efficienza dei processi e il recupero del calore di scarto sono fondamentali.
- **Produzione di acciaio** - ~20 GJ per tonnellata (5.500 kWh); i forni ad arco elettrico usano rottami e meno energia
- **Fusione dell'alluminio** - ~45-55 GJ per tonnellata; ecco perché il riciclo risparmia il 95% dell'energia
- **Centri dati** - ~200 TWh/anno a livello globale (2020); il PUE (Power Usage Effectiveness) misura l'efficienza
- **Produzione di cemento** - ~3-4 GJ per tonnellata; rappresenta l'8% delle emissioni globali di CO₂
Sistemi di energia rinnovabile
L'energia solare, eolica e idroelettrica convertono l'energia ambientale in elettricità. Il fattore di capacità e l'intermittenza ne modellano l'impiego.
- **Pannello solare** - efficienza ~20%; 1 m² riceve ~1 kW di picco solare → 200W × 5 ore di sole/giorno = 1 kWh/giorno
- **Fattore di capacità di una turbina eolica** - 25-45%; turbina da 2 MW × 35% FC = 6.100 MWh/anno
- **Idroelettrico** - 85-90% di efficienza; 1 m³/s che cade per 100m ≈ 1 MW
- **Efficienza di andata e ritorno dello stoccaggio a batteria** - 85-95%; perdite come calore durante la carica/scarica
Applicazioni scientifiche e fisiche
Dagli acceleratori di particelle alla fusione laser, la ricerca in fisica opera a livelli energetici estremi.
- **Large Hadron Collider** - 362 MJ immagazzinati nel fascio; collisioni di protoni a 13 TeV
- **Fusione laser** - Il NIF eroga ~2 MJ in nanosecondi; ha raggiunto il pareggio nel 2022 (~3 MJ in uscita)
- **Isotopi medici** - I ciclotroni accelerano i protoni a 10-20 MeV per l'imaging PET
- **Raggi cosmici** - La particella di energia più alta rilevata: ~3×10²⁰ eV (~50 J in un singolo protone!)
Catalogo delle unità
Metrico (SI)
| Unità | Simbolo | Joule | Note |
|---|---|---|---|
| joule | J | 1 | Unità base di energia del SI. |
| kilojoule | kJ | 1,000 | 1.000 J; utile per la nutrizione. |
| megajoule | MJ | 1,000,000 | 1.000.000 J; scala per elettrodomestici/industriale. |
| gigajoule | GJ | 1.000e+9 | 1.000 MJ; grande industria/ingegneria. |
| microjoule | µJ | 0.000001 | Microjoule; sensori e impulsi laser. |
| millijoule | mJ | 0.001 | Millijoule; piccoli impulsi. |
| nanojoule | nJ | 0.000000001 | Nanojoule; eventi di micro‑energia. |
| terajoule | TJ | 1.000e+12 | 1.000 GJ; rilasci molto grandi. |
Imperiale / USA
| Unità | Simbolo | Joule | Note |
|---|---|---|---|
| unità termica britannica | BTU | 1,055.06 | Unità termica britannica; HVAC e riscaldamento. |
| BTU (IT) | BTU(IT) | 1,055.06 | Definizione IT di BTU (≈ uguale a BTU). |
| BTU (termochimico) | BTU(th) | 1,054.35 | Definizione termochimica di BTU. |
| piede-libbra forza | ft·lbf | 1.35582 | Piede‑libbra forza; lavoro meccanico. |
| pollice-libbra forza | in·lbf | 0.112985 | Pollice‑libbra forza; coppia e lavoro. |
| milione di BTU | MBTU | 1.055e+9 | Milione di BTU; mercati energetici. |
| quad | quad | 1.055e+18 | 10¹⁵ BTU; scale energetiche nazionali. |
| therm | thm | 105,506,000 | Fatturazione del gas naturale; 100.000 BTU. |
Calorie
| Unità | Simbolo | Joule | Note |
|---|---|---|---|
| caloria | cal | 4.184 | Piccola caloria; 4,184 J. |
| Caloria (alimentare) | Cal | 4,184 | ‘Caloria’ sull'etichetta alimentare (kcal). |
| chilocaloria | kcal | 4,184 | Chilocaloria; Caloria alimentare. |
| caloria (15°C) | cal₁₅ | 4.1855 | Caloria a 15°C. |
| caloria (20°C) | cal₂₀ | 4.182 | Caloria a 20°C. |
| caloria (IT) | cal(IT) | 4.1868 | Caloria IT (≈4,1868 J). |
| caloria (termochimica) | cal(th) | 4.184 | Caloria termochimica (4,184 J). |
Elettrico
| Unità | Simbolo | Joule | Note |
|---|---|---|---|
| kilowattora | kWh | 3,600,000 | Kilowattora; bollette e veicoli elettrici. |
| wattora | Wh | 3,600 | Wattora; energia degli elettrodomestici. |
| elettronvolt | eV | 1.602e-19 | Elettronvolt; energie di particelle/fotoni. |
| gigaelettronvolt | GeV | 1.602e-10 | Gigaelettronvolt; fisica delle alte energie. |
| gigawattora | GWh | 3.600e+12 | Gigawattora; reti e centrali. |
| chiloelettronvolt | keV | 1.602e-16 | Chiloelettronvolt; raggi X. |
| megaelettronvolt | MeV | 1.602e-13 | Megaelettronvolt; fisica nucleare. |
| megawattora | MWh | 3.600e+9 | Megawattora; impianti più grandi. |
Atomico / Nucleare
| Unità | Simbolo | Joule | Note |
|---|---|---|---|
| unità di massa atomica | u | 1.492e-10 | Equivalente energetico di 1 u (tramite E=mc²). |
| energia di Hartree | Eₕ | 4.360e-18 | Energia di Hartree (chimica quantistica). |
| chilotone di TNT | ktTNT | 4.184e+12 | Chilotone di TNT; energia di una grande esplosione. |
| megatone di TNT | MtTNT | 4.184e+15 | Megatone di TNT; energia di un'esplosione molto grande. |
| costante di Rydberg | Ry | 2.180e-18 | Energia di Rydberg; spettroscopia. |
| tonnellata di TNT | tTNT | 4.184e+9 | Tonnellata di TNT; equivalente esplosivo. |
Scientifico
| Unità | Simbolo | Joule | Note |
|---|---|---|---|
| barile di petrolio equivalente | BOE | 6.120e+9 | Barile di petrolio equivalente ~6,12 GJ (circa). |
| piede cubo di gas naturale | cf NG | 1,055,060 | Piede cubo di gas naturale ~1,055 MJ (circa). |
| dyne-centimetro | dyn·cm | 0.0000001 | Dina‑cm; 1 dyn·cm = 10⁻⁷ J. |
| erg | erg | 0.0000001 | Erg; energia CGS; 1 erg = 10⁻⁷ J. |
| cavallo vapore-ora | hp·h | 2,684,520 | Cavallo vapore‑ora; meccanica/motori. |
| cavallo vapore-ora (metrico) | hp·h(M) | 2,647,800 | Cavallo vapore‑ora metrico. |
| calore latente del vapore | LH | 2,257,000 | Calore latente di vaporizzazione dell'acqua ≈ 2,257 MJ/kg. |
| energia di Planck | Eₚ | 1.956e+9 | Energia di Planck (Eₚ) ≈ 1,96×10⁹ J (scala teorica). |
| tonnellata di carbone equivalente | TCE | 2.931e+10 | Tonnellata di carbone equivalente ~29,31 GJ (circa). |
| tonnellata di petrolio equivalente | TOE | 4.187e+10 | Tonnellata di petrolio equivalente ~41,868 GJ (circa). |
Domande frequenti
Qual è la differenza tra kW e kWh?
Il kW è potenza (tasso). Il kWh è energia (kW × ore). Le bollette usano i kWh.
Le Calorie sono la stessa cosa delle kcal?
Sì. Una ‘Caloria’ alimentare equivale a 1 chilocaloria (kcal) = 4,184 kJ.
Come stimo il costo di un elettrodomestico?
Energia (kWh) × tariffa (per kWh). Esempio: 2 kWh × 0,20 € = 0,40 €.
Perché ci sono così tante definizioni di caloria?
Le misurazioni storiche a diverse temperature hanno portato a varianti (IT, termochimica). Per la nutrizione, usa le kcal.
Quando dovrei usare l'eV invece del J?
L'eV è naturale per le scale atomiche/particellari. Converti in J per contesti macroscopici.
Cos'è il fattore di capacità?
La produzione effettiva di energia nel tempo divisa per la produzione se l'impianto avesse funzionato a piena potenza il 100% del tempo.
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