Способность совершать работу или производить тепло. Часто измеряется как механическая работа, тепло или электрическая энергия.

Мощность связана с энергией через время: мощность = энергия/время (Вт = Дж/с).

• Основа СИ: джоуль (Дж)
• Электрическая: Вт·ч и кВт·ч
• Питание: Калория = килокалория (ккал)

Счета за электричество выставляются в кВт·ч; на приборах указана мощность (Вт), которую вы умножаете на время, чтобы получить кВт·ч.

На этикетках продуктов используются Калории (ккал). Для отопления/охлаждения часто используются BTU.

• Зарядка телефона: ~10 Вт·ч
• Душ (10 мин, нагреватель 7 кВт): ~1.17 кВт·ч
• Прием пищи: ~600–800 ккал

В физике элементарных частиц для энергий фотонов и частиц используется эВ.

На атомных масштабах в квантовой механике появляются энергии Хартри и Ридберга.

• 1 эВ = 1.602×10⁻¹⁹ Дж
• Видимый фотон: ~2–3 эВ
• Энергия Планка чрезвычайно велика (теоретическая)

Электроэнергия оплачивается в кВт·ч; оцените потребление по формуле мощность × время.

• Светодиодная лампа 10 Вт × 5 ч ≈ 0.05 кВт·ч
• Духовка 2 кВт × 1 ч = 2 кВт·ч
• Месячный счет суммирует все приборы

Калории на этикетках — это килокалории (ккал) и часто указываются вместе с кДж.

• 1 ккал = 4.184 кДж
• Суточное потребление ~2,000–2,500 ккал
• ккал и Кал (пищевая) — это одно и то же

BTU, термы и топливные эквиваленты (BOE/TOE) встречаются в системах ОВК и на энергетических рынках.

• 1 терм = 100,000 BTU
• Природный газ и нефть используют стандартизированные эквиваленты
• Конвертации кВт·ч ↔ BTU являются обычным явлением

Энергия (кВт·ч) × цена за кВт·ч

• Пример: 2 кВт·ч × $0.20 = $0.40
• 1,000 Вт × 3 ч = 3 кВт·ч

мА·ч × В ÷ 1000 ≈ Вт·ч

• 10,000 мА·ч × 3.7 В ≈ 37 Вт·ч
• Вт·ч ÷ Вт устройства ≈ время работы (часы)

Оцените выбросы от использования электроэнергии

• CO₂ = кВт·ч × интенсивность сети
• Пример: 5 кВт·ч × 400 гCO₂/кВт·ч = 2,000 г (2 кг)
• Низкоуглеродная сеть (100 г/кВт·ч) сокращает это на 75%

Распространенные заблуждения

• кВт — это мощность (скорость); кВт·ч — это энергия (количество)
• Обогреватель 2 кВт за 3 ч потребляет 6 кВт·ч
• Счета используют кВт·ч; на шильдиках приборов указаны Вт/кВт

Возобновляемые источники генерируют мощность (кВт), которая со временем интегрируется в энергию (кВт·ч).

Выработка зависит от погоды; важны долгосрочные средние значения.

• Коэффициент использования мощности: % от максимальной выработки за период
• Крышная солнечная установка: ~900–1,400 кВт·ч/кВт·год (зависит от местоположения)
• Ветряные электростанции: коэффициент использования мощности часто 25–45%

Аккумуляторы хранят излишки и сдвигают энергию на время, когда она необходима.

• Важны и емкость в кВт·ч, и мощность в кВт
• КПД цикла < 100% (потери)
• Тарифы, зависящие от времени суток, стимулируют сдвиг нагрузки

Аккумулятор Tesla на 60 кВт·ч хранит столько же энергии, сколько обычный дом использует за 2-3 дня — представьте, что вы возите в машине запас электричества на 3 дня!

Один терм — это 100,000 BTU (29.3 кВт·ч). В счетах за природный газ используются термы, потому что проще сказать '50 термов', чем '5 миллионов BTU'!

На этикетках продуктов используется 'Калория' (с большой буквы), что на самом деле является килокалорией! Так что печенье на 200 Калорий — это на самом деле 200,000 калорий (с маленькой буквы).

В 1 литре бензина 9.4 кВт·ч энергии, но двигатели тратят 70% в виде тепла! На движение вашего автомобиля уходит всего ~2.5 кВт·ч. Электромобили тратят впустую всего ~10-15%.

1 кВт·ч может: питать 100-ваттную лампочку 10 часов, зарядить 100 смартфонов, поджарить 140 ломтиков хлеба или поддерживать работу вашего холодильника 24 часа!

Электромобили восстанавливают 15-25% энергии при торможении, превращая двигатель в генератор. Это бесплатная энергия из потраченной кинетической энергии!

В вашем теле достаточно массовой энергии (E=mc²), чтобы обеспечить энергией все города Земли на неделю! Но для преобразования массы в энергию требуются ядерные реакции.

При одинаковом весе ракетное топливо в 10 раз калорийнее шоколада. Но вы не можете есть ракетное топливо — химическая энергия ≠ метаболическая энергия!

На протяжении тысячелетий люди понимали энергию только через ее проявления: тепло от огня, силу от пищи, мощь воды и ветра. Энергия была практической реальностью без теоретического осмысления.

• **Освоение огня** (~400,000 до н.э.) - Люди используют химическую энергию для тепла и света
• **Водяные колеса** (~300 до н.э.) - Греки и римляне преобразуют кинетическую энергию в механическую работу
• **Ветряные мельницы** (~600 н.э.) - Персы улавливают энергию ветра для помола зерна
• **Понимание питания** (античность) - Пища как 'топливо' для человеческой деятельности, хотя механизм был неизвестен

Эти практические применения на тысячи лет опередили любую научную теорию. Энергия познавалась через опыт, а не через уравнения.

Промышленная революция потребовала лучшего понимания того, как тепло преобразуется в работу. Инженеры измеряли КПД двигателей, что привело к рождению термодинамики.

• **Усовершенствования паровой машины Джеймса Уатта** (1769) - Квантифицировал выход работы, ввел понятие лошадиной силы
• **Теория теплового двигателя Сади Карно** (1824) - Доказал теоретические пределы преобразования тепла в работу
• **Юлиус фон Майер** (1842) - Предложил механический эквивалент тепла: тепло и работа взаимозаменяемы
• **Эксперименты Джеймса Джоуля** (1843-1850) - Точно измерил: 1 калория = 4.184 джоуля механической работы

Эксперименты Джоуля доказали сохранение энергии: механическая работа, тепло и электричество — это разные формы одного и того же.

XIX век обобщил разрозненные наблюдения в единую концепцию: энергия сохраняется, преобразуясь между формами, но никогда не создается и не уничтожается.

• **Герман фон Гельмгольц** (1847) - Сформулировал закон сохранения энергии
• **Рудольф Клаузиус** (1850-е) - Ввел понятие энтропии, показав, что качество энергии снижается
• **Джеймс Клерк Максвелл** (1865) - Объединил электричество и магнетизм, показав, что свет переносит энергию
• **Людвиг Больцман** (1877) - Связал энергию с атомным движением через статистическую механику

К 1900 году энергия понималась как центральная валюта физики — преобразующаяся, но сохраняющаяся во всех природных процессах.

XX век раскрыл энергию в экстремальных масштабах: эквивалентность массы и энергии Эйнштейна и квантовая механика на атомном уровне.

• **Макс Планк** (1900) - Квантовал энергию в излучении: E = hν (постоянная Планка)
• **E=mc² Эйнштейна** (1905) - Масса и энергия эквивалентны; крошечная масса = огромная энергия
• **Нильс Бор** (1913) - Атомные энергетические уровни объясняют спектральные линии; эВ становится естественной единицей
• **Энрико Ферми** (1942) - Первая управляемая ядерная цепная реакция высвобождает энергию на уровне МэВ
• **Манхэттенский проект** (1945) - Испытание 'Тринити' продемонстрировало эквивалент ~22 килотонн тротила (~90 ТДж)

Ядерная энергия подтвердила E=mc²: деление ядра преобразует 0.1% массы в энергию — в миллионы раз плотнее химического топлива.

Послевоенное общество стандартизировало единицы энергии для коммунальных услуг, продуктов питания и физики, одновременно сталкиваясь с проблемами ископаемого топлива, возобновляемых источников энергии и эффективности.

• **Стандартизация киловатт-часа** - Мировые электроэнергетические компании приняли кВт·ч для выставления счетов
• **Маркировка калорий** (1960-90-е) - Энергетическая ценность продуктов была стандартизирована; FDA ввела обязательную маркировку пищевой ценности (1990)
• **Фотоэлектрическая революция** (1970-2020-е) - КПД солнечных панелей вырос с <10% до >20%
• **Литий-ионные аккумуляторы** (1991-настоящее время) - Плотность энергии выросла с ~100 до 250+ Вт·ч/кг
• **Умные сети и хранение** (2010-е) - Управление энергией в реальном времени и аккумуляторы сетевого масштаба

XXI век признает экологическую цену энергии. Акцент смещается с простого производства энергии на эффективное производство чистой энергии.

• **Углеродоемкость** - Ископаемое топливо выбрасывает 400-1000 г CO₂/кВт·ч; возобновляемые источники — <50 г CO₂/кВт·ч за жизненный цикл
• **Пробелы в хранении энергии** - Аккумуляторы хранят ~0.5 МДж/кг против 46 МДж/кг у бензина; проблема запаса хода остается
• **Интеграция в сеть** - Переменные возобновляемые источники требуют хранения и управления спросом
• **Императивы эффективности** - Светодиоды (100 лм/Вт) против ламп накаливания (15 лм/Вт); тепловые насосы (КПД > 3) против резистивного нагрева

Переход к нулевым выбросам требует электрификации всего и чистого производства этой электроэнергии — полной перестройки энергетической системы.

Пищевые этикетки указывают энергию в Калориях (ккал). Ваше тело преобразует ее в АТФ для клеточной работы с эффективностью ~25%.

• **Базальный уровень метаболизма** - ~1,500-2,000 ккал/день (6-8 МДж) для поддержания жизни
• **Марафонский бег** - сжигает ~2,600 ккал (~11 МДж) за 3-4 часа
• **Шоколадный батончик** - ~250 ккал могут питать ноутбук мощностью 60 Вт около ~4.5 часов (при 100% эффективности)
• **Математика диеты** - 1 фунт жира = ~3,500 ккал дефицита; дефицит 500 ккал/день = 1 фунт/неделю

Счета за электричество выставляются за кВт·ч. Понимание потребления приборов помогает снизить затраты и углеродный след.

• **Светодиоды против ламп накаливания** - светодиод 10 Вт = лампа накаливания 60 Вт; экономия 50 Вт × 5 ч/день = 0.25 кВт·ч/день = 9$/мес.
• **Фантомные нагрузки** - устройства в режиме ожидания тратят ~5-10% бытовой энергии (~1 кВт·ч/день)
• **Тепловые насосы** - перемещают 3-4 кВт·ч тепла, используя 1 кВт·ч электроэнергии (КПД > 3); резистивные обогреватели работают 1:1
• **Зарядка электромобиля** - аккумулятор 60 кВт·ч по $0.15/кВт·ч = $9 за полную зарядку (против $40 за эквивалент бензина)

Автомобили преобразуют энергию топлива в кинетическую энергию со значительными потерями. Электромобили в 3 раза эффективнее двигателей внутреннего сгорания.

• **Бензиновый автомобиль** - КПД 30%; 1 галлон (132 МДж) → 40 МДж полезной работы, 92 МДж тепла
• **Электромобиль** - КПД 85%; 20 кВт·ч (72 МДж) → 61 МДж на колеса, 11 МДж потерь
• **Рекуперативное торможение** - восстанавливает 10-25% кинетической энергии обратно в аккумулятор
• **Аэродинамика** - удвоение скорости увеличивает необходимую мощность для преодоления сопротивления в четыре раза (P ∝ v³)

На тяжелую промышленность приходится ~30% мирового потребления энергии. Эффективность процессов и рекуперация отработанного тепла имеют решающее значение.

• **Производство стали** - ~20 ГДж на тонну (5,500 кВт·ч); электродуговые печи используют лом и меньше энергии
• **Выплавка алюминия** - ~45-55 ГДж на тонну; поэтому переработка экономит 95% энергии
• **Центры обработки данных** - ~200 ТВт·ч/год в мире (2020); PUE (эффективность использования энергии) измеряет эффективность
• **Производство цемента** - ~3-4 ГДж на тонну; составляет 8% мировых выбросов CO₂

Солнечная, ветровая и гидроэнергетика преобразуют энергию окружающей среды в электричество. Коэффициент использования установленной мощности и прерывистость определяют развертывание.

• **Солнечная панель** - КПД ~20%; 1 м² получает ~1 кВт пикового солнечного света → 200 Вт × 5 солнечных часов/день = 1 кВт·ч/день
• **Коэффициент использования установленной мощности ветряной турбины** - 25-45%; турбина 2 МВт × 35% КИУМ = 6,100 МВт·ч/год
• **Гидроэлектроэнергия** - КПД 85-90%; 1 м³/с, падающий с высоты 100 м ≈ 1 МВт
• **КПД цикла хранения в аккумуляторе** - КПД 85-95%; потери в виде тепла при зарядке/разрядке

От ускорителей частиц до лазерного синтеза, физические исследования работают на экстремальных энергетических уровнях.

• **Большой адронный коллайдер** - 362 МДж хранится в пучке; столкновения протонов при 13 ТэВ
• **Лазерный синтез** - NIF доставляет ~2 МДж за наносекунды; достигнут порог рентабельности в 2022 году (~3 МДж на выходе)
• **Медицинские изотопы** - Циклотроны ускоряют протоны до 10-20 МэВ для ПЭТ-сканирования
• **Космические лучи** - Обнаружена частица с самой высокой энергией: ~3×10²⁰ эВ (~50 Дж в одном протоне!)

кВт — это мощность (скорость). кВт·ч — это энергия (кВт × часы). В счетах используется кВт·ч.

Да. Пищевая ‘Калория’ равна 1 килокалории (ккал) = 4.184 кДж.

Энергия (кВт·ч) × тариф (за кВт·ч). Пример: 2 кВт·ч × $0.20 = $0.40.

Исторические измерения при разных температурах привели к появлению вариантов (IT, термохимическая). Для питания используйте ккал.

эВ естественен для атомных/субатомных масштабов. Для макроскопических контекстов преобразуйте в Дж.

Фактическая выработка энергии за определенный период, деленная на выработку, которую станция имела бы, работая на полную мощность 100% времени.