Uwezo wa kufanya kazi au kutoa joto. Mara nyingi hupimwa kama kazi ya kimakanika, joto, au nishati ya umeme.

Nguvu inahusiana na nishati kwa wakati: nguvu = nishati/wakati (W = J/s).

• Msingi wa SI: joule (J)
• Umeme: Wh na kWh
• Lishe: Kalori = kilokalori (kcal)

Bili za umeme hutoza kwa kWh; vifaa huorodhesha nguvu (W) na unazidisha kwa wakati kupata kWh.

Lebo za chakula hutumia Kalori (kcal). Kupasha joto/kupooza mara nyingi hutumia BTU.

• Kuchaji simu: ~10 Wh
• Kuoga (dakika 10, hita ya 7 kW): ~1.17 kWh
• Mlo: ~600–800 kcal

Fizikia ya chembe hutumia eV kwa nishati za fotoni na chembe.

Katika mizani ya atomiki, nishati za Hartree na Rydberg huonekana katika mekaniki ya quantum.

• 1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J
• Fotoni inayoonekana: ~2–3 eV
• Nishati ya Planck ni kubwa mno (nadharia)

Nishati ya umeme hulipishwa kwa kWh; kadiria matumizi kwa nguvu × wakati.

• Taa ya LED 10 W × saa 5 ≈ 0.05 kWh
• Oveni 2 kW × saa 1 = 2 kWh
• Bili ya mwezi huhesabu vifaa vyote

Kalori kwenye lebo ni kilokalori (kcal) na mara nyingi huambatana na kJ.

• 1 kcal = 4.184 kJ
• Ulaji wa kila siku ~2,000–2,500 kcal
• kcal na Cal (chakula) ni sawa

BTU, therms, na viwango sawa vya mafuta (BOE/TOE) huonekana katika HVAC na masoko ya nishati.

• 1 therm = 100,000 BTU
• Gesi asilia na mafuta hutumia viwango sawa vilivyowekwa
• Ubadilishaji wa kWh ↔ BTU ni wa kawaida

Nishati (kWh) × bei kwa kWh

• Example: 2 kWh × $0.20 = $0.40
• 1,000 W × saa 3 = 3 kWh

mAh × V ÷ 1000 ≈ Wh

• 10,000 mAh × 3.7 V ≈ 37 Wh
• Wh ÷ device W ≈ muda wa kukimbia (saa)

Kadiria uzalishaji kutoka kwa matumizi ya umeme

• CO₂ = kWh × ukali wa gridi
• Example: 5 kWh × 400 gCO₂/kWh = 2,000 g (2 kg)
• Gridi ya kaboni ya chini (100 g/kWh) inapunguza hii kwa 75%

Machafuko ya kawaida

• kW ni nguvu (kiwango); kWh ni nishati (kiasi)
• Hita ya 2 kW kwa saa 3 hutumia 6 kWh
• Bili hutumia kWh; sahani za vifaa zinaonyesha W/kW

Vyanzo mbadala huzalisha nguvu (kW) ambayo huunganishwa kwa wakati kuwa nishati (kWh).

Matokeo hutofautiana na hali ya hewa; wastani wa muda mrefu ni muhimu.

• Capacity factor: % ya matokeo ya juu kwa wakati
• Rooftop solar: ~900–1,400 kWh/kW·mwaka (inategemea eneo)
• Wind farms: sababu ya uwezo mara nyingi 25–45%

Betri huhifadhi ziada na huhamisha nishati hadi inapohitajika.

• kWh capacity vs kW power matters
• Round‑trip efficiency < 100% (hasara)
• Ushuru wa muda wa matumizi unahimiza kuhama

Betri ya Tesla ya 60 kWh huhifadhi nishati sawa na ambayo nyumba ya kawaida hutumia kwa siku 2-3 — fikiria kubeba umeme wa siku 3 kwenye gari lako!

Therm moja ni BTU 100,000 (29.3 kWh). Bili za gesi asilia hutumia therms kwa sababu ni rahisi kusema 'therms 50' kuliko 'BTU milioni 5'!

Lebo za chakula hutumia 'Kalori' (herufi kubwa C) ambayo kwa kweli ni kilokalori! Kwa hivyo biskuti ya Kalori 200 kwa kweli ni kalori 200,000 (herufi ndogo c).

Lita 1 ya petroli ina nishati ya 9.4 kWh, lakini injini hupoteza 70% kama joto! Ni ~2.5 kWh tu ndiyo inayosukuma gari lako. Magari ya umeme hupoteza ~10-15% tu.

kWh 1 inaweza: kuwasha taa ya 100W kwa saa 10, kuchaji simu janja 100, kuoka vipande 140 vya mkate, au kuendesha jokofu lako kwa saa 24!

Magari ya umeme hurejesha 15-25% ya nishati wakati wa breki kwa kugeuza motor kuwa jenereta. Hiyo ni nishati ya bure kutoka kwa nishati ya mwendo iliyopotea!

Mwili wako una nishati-misa (E=mc²) ya kutosha kuwasha miji yote duniani kwa wiki moja! Lakini kubadilisha misa kuwa nishati kunahitaji miitikio ya nyuklia.

Poundi kwa poundi, mafuta ya roketi yana nishati mara 10 ya chokoleti. Lakini huwezi kula mafuta ya roketi — nishati ya kemikali ≠ nishati ya kimetaboliki!

Kwa milenia, wanadamu walielewa nishati kupitia athari zake tu: joto kutoka kwa moto, nguvu kutoka kwa chakula, na nguvu ya maji na upepo. Nishati ilikuwa ukweli wa vitendo bila uelewa wa kinadharia.

• **Udhibiti wa moto** (~400,000 KK) - Wanadamu hutumia nishati ya kemikali kwa joto na mwanga
• **Magurudumu ya maji** (~300 KK) - Wagiriki na Warumi hubadilisha nishati ya mwendo kuwa kazi ya kimakanika
• **Vinu vya upepo** (~600 BK) - Waajemi hukamata nishati ya upepo kwa kusaga nafaka
• **Uelewa wa lishe** (zamani) - Chakula kama 'mafuta' kwa shughuli za binadamu, ingawa utaratibu haukujulikana

Matumizi haya ya vitendo yalitangulia nadharia yoyote ya kisayansi kwa maelfu ya miaka. Nishati ilijulikana kupitia uzoefu, si kwa milinganyo.

Mapinduzi ya Viwanda yalihitaji uelewa bora wa jinsi joto hubadilishwa kuwa kazi. Wahandisi walipima ufanisi wa injini, na kusababisha kuzaliwa kwa themodanimiksi.

• **Maboresho ya injini ya mvuke ya James Watt** (1769) - Alipima matokeo ya kazi, akaanzisha nguvu za farasi
• **Nadharia ya injini ya joto ya Sadi Carnot** (1824) - Alithibitisha mipaka ya kinadharia ya kubadilisha joto kuwa kazi
• **Julius von Mayer** (1842) - Alipendekeza usawa wa kimakanika wa joto: joto na kazi zinaweza kubadilishana
• **Majaribio ya James Joule** (1843-1850) - Alipima kwa usahihi: kalori 1 = joule 4.184 za kazi ya kimakanika

Majaribio ya Joule yalithibitisha uhifadhi wa nishati: kazi ya kimakanika, joto, na umeme ni aina tofauti za kitu kimoja.

Karne ya 19 iliunganisha uchunguzi mbalimbali kuwa dhana moja: nishati huhifadhiwa, hubadilika kati ya aina lakini kamwe haiumbwi wala kuharibiwa.

• **Hermann von Helmholtz** (1847) - Alirasimisha sheria ya uhifadhi wa nishati
• **Rudolf Clausius** (miaka ya 1850) - Alianzisha entropi, akionyesha kuwa nishati hupungua kwa ubora
• **James Clerk Maxwell** (1865) - Aliunganisha umeme na sumaku, akionyesha kuwa mwanga hubeba nishati
• **Ludwig Boltzmann** (1877) - Alihusisha nishati na mwendo wa atomi kupitia mekaniki ya takwimu

Kufikia 1900, nishati ilieleweka kama sarafu kuu ya fizikia—inayobadilika lakini inayohifadhiwa katika michakato yote ya asili.

Karne ya 20 ilifunua nishati katika viwango vya juu: usawa wa misa-nishati wa Einstein na mekaniki ya quantum katika mizani ya atomiki.

• **Max Planck** (1900) - Alifanya nishati katika mionzi kuwa kiasi: E = hν (pembe ya Planck)
• **Einstein's E=mc²** (1905) - Misa na nishati ni sawa; misa ndogo = nishati kubwa
• **Niels Bohr** (1913) - Viwango vya nishati ya atomiki huelezea mistari ya spektra; eV inakuwa kitengo cha asili
• **Enrico Fermi** (1942) - Mmenyuko wa kwanza wa mnyororo wa nyuklia uliodhibitiwa hutoa nishati ya kiwango cha MeV
• **Manhattan Project** (1945) - Jaribio la Trinity linaonyesha sawa na ~kilotani 22 za TNT (~90 TJ)

Nishati ya nyuklia ilithibitisha E=mc²: mgawanyiko hubadilisha 0.1% ya misa kuwa nishati—mara mamilioni zaidi kuliko mafuta ya kemikali.

Jamii ya baada ya vita ilisanifisha vitengo vya nishati kwa huduma, chakula, na fizikia huku ikikabiliana na mafuta ya visukuku, vyanzo vya nishati mbadala, na ufanisi.

• **Usanifishaji wa saa ya kilowati** - Kampuni za umeme za kimataifa zinakubali kWh kwa malipo
• **Uwekaji lebo za Kalori** (miaka ya 1960-90) - Nishati ya chakula ilisanifishwa; FDA iliamuru ukweli wa lishe (1990)
• **Mapinduzi ya Photovoltaic** (miaka ya 1970-2020) - Ufanisi wa paneli za jua unapanda kutoka <10% hadi >20%
• **Betri za Lithium-ion** (1991-sasa) - Uzito wa nishati unapanda kutoka ~100 hadi 250+ Wh/kg
• **Gridi janja & hifadhi** (miaka ya 2010) - Usimamizi wa nishati wa wakati halisi na betri za kiwango cha gridi

Karne ya 21 inatambua gharama ya kimazingira ya nishati. Lengo linahamia kutoka kuzalisha nishati tu hadi kuzalisha nishati safi kwa ufanisi.

• **Ukali wa kaboni** - Mafuta ya visukuku hutoa 400-1000 g CO₂/kWh; vyanzo mbadala hutoa <50 g CO₂/kWh kwa mzunguko wa maisha
• **Mapengo ya uhifadhi wa nishati** - Betri huhifadhi ~0.5 MJ/kg dhidi ya 46 MJ/kg ya petroli; wasiwasi wa masafa unaendelea
• **Ujumuishaji wa gridi** - Vyanzo mbadala vinavyobadilika vinahitaji uhifadhi na mwitikio wa mahitaji
• **Mahitaji ya ufanisi** - LED (100 lm/W) dhidi ya taa za incandescent (15 lm/W); pampu za joto (COP > 3) dhidi ya upashaji joto wa kupinga

Mpito kuelekea uzalishaji wa sifuri unahitaji umeme kwa kila kitu na kuzalisha umeme huo kwa usafi—marekebisho kamili ya mfumo wa nishati.

Lebo za chakula huorodhesha nishati katika Kalori (kcal). Mwili wako huibadilisha kuwa ATP kwa kazi ya seli na ufanisi wa ~25%.

• **Basal metabolic rate** - ~1,500-2,000 kcal/siku (6-8 MJ) ili kuendelea kuishi
• **Marathon run** - Huchoma ~2,600 kcal (~11 MJ) kwa saa 3-4
• **Chocolate bar** - ~250 kcal inaweza kuwasha kompyuta ndogo ya 60W kwa ~saa 4.5 (ikiwa ina ufanisi 100%)
• **Dieting math** - pauni 1 ya mafuta = ~3,500 kcal upungufu; 500 kcal/siku upungufu = pauni 1/wiki

Bili za umeme hutoza kwa kWh. Kuelewa matumizi ya vifaa husaidia kupunguza gharama na alama ya kaboni.

• **LED vs incandescent** - taa ya LED ya 10W = taa ya incandescent ya 60W; huokoa 50W × saa 5/siku = 0.25 kWh/siku = $9/mwezi
• **Phantom loads** - Vifaa vilivyo katika hali ya kusubiri hupoteza ~5-10% ya nishati ya kaya (~1 kWh/siku)
• **Heat pumps** - Husogeza 3-4 kWh ya joto kwa kutumia 1 kWh ya umeme (COP > 3); hita za kupinga ni 1:1
• **Electric car charging** - betri ya 60 kWh kwa $0.15/kWh = $9 kwa chaji kamili (dhidi ya $40 sawa na petroli)

Magari hubadilisha nishati ya mafuta kuwa nishati ya mwendo na hasara kubwa. Magari ya umeme yana ufanisi mara 3 zaidi kuliko injini za mwako wa ndani.

• **Gasoline car** - ufanisi 30%; galoni 1 (132 MJ) → 40 MJ kazi muhimu, 92 MJ joto
• **Electric car** - ufanisi 85%; 20 kWh (72 MJ) → 61 MJ kwenye magurudumu, 11 MJ hasara
• **Regenerative braking** - Hurejesha 10-25% ya nishati ya mwendo kurudi kwenye betri
• **Aerodynamics** - Kuongeza kasi mara mbili huongeza nguvu ya buruta mara nne (P ∝ v³)

Viwanda vizito vinachangia ~30% ya matumizi ya nishati duniani. Ufanisi wa mchakato na urejeshaji wa joto taka ni muhimu.

• **Steel production** - ~20 GJ kwa tani (5,500 kWh); tanuru za arc za umeme hutumia chakavu na nishati kidogo
• **Aluminum smelting** - ~45-55 GJ kwa tani; ndiyo sababu kuchakata tena huokoa 95% ya nishati
• **Data centers** - ~200 TWh/mwaka duniani kote (2020); PUE (Ufanisi wa Matumizi ya Nguvu) hupima ufanisi
• **Cement production** - ~3-4 GJ kwa tani; huchangia 8% ya uzalishaji wa CO₂ duniani

Jua, upepo, na maji hubadilisha nishati ya mazingira kuwa umeme. Sababu ya uwezo na kukatika huunda usambazaji.

• **Solar panel** - ufanisi ~20%; 1 m² hupokea ~1 kW jua la juu → 200W × saa 5 za jua/siku = 1 kWh/siku
• **Wind turbine capacity factor** - 25-45%; turbine ya 2 MW × 35% CF = 6,100 MWh/mwaka
• **Hydroelectric** - ufanisi 85-90%; 1 m³/s ikianguka 100m ≈ 1 MW
• **Battery storage round-trip** - 85-95% ufanisi; hasara kama joto wakati wa kuchaji/kutoa chaji

Kutoka kwa viongeza kasi vya chembe hadi muunganisho wa laser, utafiti wa fizikia hufanya kazi katika viwango vya juu vya nishati.

• **Large Hadron Collider** - 362 MJ zilizohifadhiwa kwenye boriti; migongano ya protoni kwa 13 TeV
• **Laser fusion** - NIF hutoa ~2 MJ kwa nanosekunde; ilifikia hatua ya kuvunja-hata mnamo 2022 (~3 MJ nje)
• **Medical isotopes** - Sayklotroni huongeza kasi ya protoni hadi 10-20 MeV kwa picha za PET
• **Cosmic rays** - Chembe ya nishati ya juu zaidi iliyogunduliwa: ~3×10²⁰ eV (~50 J katika protoni moja!)

kW ni nguvu (kiwango). kWh ni nishati (kW × saa). Bili hutumia kWh.

Ndiyo. ‘Kalori’ ya chakula ni sawa na kilokalori 1 (kcal) = 4.184 kJ.

Nishati (kWh) × ushuru (kwa kWh). Mfano: 2 kWh × $0.20 = $0.40.

Vipimo vya kihistoria katika halijoto tofauti vilisababisha tofauti (IT, themokemikali). Kwa lishe, tumia kcal.

eV ni asili kwa mizani ya atomiki/chembe. Badilisha hadi J kwa miktadha ya jumla.

Matokeo halisi ya nishati kwa wakati yaliyogawanywa na matokeo ikiwa mtambo ungeendeshwa kwa nguvu kamili 100% ya wakati.