Конвертер Енергії
Енергія — від калорій до кіловат-годин
Зрозумійте енергію в повсякденному житті: харчові калорії, кВт·год приладів, BTU в опаленні та електронвольти у фізиці. Впевнено конвертуйте за допомогою чітких прикладів.
Основи енергії
Що таке енергія?
Здатність виконувати роботу або виробляти тепло. Часто вимірюється як механічна робота, тепло або електрична енергія.
Потужність пов'язана з енергією через час: потужність = енергія/час (Вт = Дж/с).
- Основа СІ: джоуль (Дж)
- Електрична: Вт·год та кВт·год
- Харчування: Калорія = кілокалорія (ккал)
Повсякденний контекст
Рахунки за електроенергію виставляються в кВт·год; прилади вказують потужність (Вт), і ви множите її на час, щоб отримати кВт·год.
На етикетках продуктів використовуються Калорії (ккал). Опалення/охолодження часто використовує BTU.
- Зарядка телефону: ~10 Вт·год
- Душ (10 хв, нагрівач 7 кВт): ~1.17 кВт·год
- Прийом їжі: ~600–800 ккал
Наука та мікроенергія
Фізика елементарних частинок використовує еВ для енергій фотонів та частинок.
На атомних масштабах енергії Гартрі та Рідберга з'являються в квантовій механіці.
- 1 еВ = 1.602×10⁻¹⁹ Дж
- Видимий фотон: ~2–3 еВ
- Енергія Планка є надзвичайно великою (теоретична)
- Конвертуйте через джоулі (Дж) для ясності та точності
- кВт·год зручний для побутової енергії; ккал для харчування
- BTU поширений в ОВК; еВ у фізиці
Допомога для запам'ятовування
Швидкий усний рахунок
кВт·год ↔ МДж
1 кВт·год = 3.6 МДж точно. Помножте на 3.6 або розділіть на 3.6.
ккал ↔ кДж
1 ккал ≈ 4.2 кДж. Округліть до 4 для швидких оцінок.
BTU ↔ кДж
1 BTU ≈ 1.055 кДж. Приблизно 1 BTU ≈ 1 кДж для оцінок.
Вт·год ↔ Дж
1 Вт·год = 3,600 Дж. Подумайте: 1 ват протягом 1 години = 3,600 секунд.
Харчові калорії
1 Кал (харчова) = 1 ккал = 4.184 кДж. Велика літера 'К' означає кілокалорію!
кВт × години → кВт·год
Потужність × Час = Енергія. Обігрівач 2 кВт × 3 години = 6 кВт·год спожито.
Візуальні орієнтири енергії
| Scenario | Energy | Visual Reference |
|---|---|---|
| Світлодіодна лампа (10 Вт, 10 годин) | 100 Вт·год (0.1 кВт·год) | Коштує ~$0.01 за типовими тарифами |
| Повна зарядка смартфона | 10-15 Вт·год | Достатньо, щоб зарядити ~60-90 разів від 1 кВт·год |
| Скибка хліба | 80 ккал (335 кДж) | Могла б живити лампочку 100 Вт протягом ~1 години |
| Гарячий душ (10 хв) | 1-2 кВт·год | Стільки ж енергії, скільки ваш холодильник за день |
| Повноцінний прийом їжі | 600 ккал (2.5 МДж) | Достатньо енергії, щоб підняти автомобіль на 1 метр над землею |
| Акумулятор електромобіля (60 кВт·год) | 216 МДж | Те ж саме, що 30,000 харчових Калорій або 20 днів харчування |
| Літр бензину | 34 МДж (9.4 кВт·год) | Але двигуни втрачають 70% у вигляді тепла! |
| Блискавка | 1-5 ГДж | Звучить грандіозно, але живить будинок лише кілька годин |
Поширені помилки
- Плутанина між кВт і кВт·годFix: кВт - це потужність (швидкість), кВт·год - це енергія (кількість). Обігрівач потужністю 2 кВт, що працює 3 години, споживає 6 кВт·год.
- Калорія vs калоріяFix: На етикетках продуктів харчування використовується 'Калорія' (велика літера К) = кілокалорія = 1,000 калорій (маленька літера к). 1 Кал = 1 ккал = 4.184 кДж.
- Ігнорування ефективностіFix: Бензин має 9.4 кВт·год/літр, але двигуни мають ефективність лише 25-30%. Реальна корисна енергія становить ~2.5 кВт·год/літр!
- мА·год батареї без напругиFix: 10,000 мА·год нічого не значать без напруги! При 3.7В: 10,000 мА·год × 3.7В ÷ 1000 = 37 Вт·год.
- Плутанина енергії та потужності в рахункахFix: Рахунки за електроенергію стягуються за кВт·год (енергія), а не за кВт (потужність). Ваш тариф становить $/кВт·год, а не $/кВт.
- Забування про час в енергетичних розрахункахFix: Потужність × Час = Енергія. Робота обігрівача 1,500 Вт протягом 2 годин = 3 кВт·год, а не 1.5 кВт·год!
Де кожна одиниця доречна
Дім та побутова техніка
Електрична енергія оплачується в кВт·год; оцінюйте споживання за формулою потужність × час.
- Світлодіодна лампа 10 Вт × 5 год ≈ 0.05 кВт·год
- Духовка 2 кВт × 1 год = 2 кВт·год
- Місячний рахунок підсумовує всі пристрої
Їжа та харчування
Калорії на етикетках - це кілокалорії (ккал) і часто вказуються разом з кДж.
- 1 ккал = 4.184 кДж
- Добове споживання ~2,000–2,500 ккал
- ккал і Кал (харчова) - це одне й те саме
Опалення та паливо
BTU, терми та паливні еквіваленти (BOE/TOE) з'являються в системах ОВК та на енергетичних ринках.
- 1 терм = 100,000 BTU
- Природний газ та нафта використовують стандартизовані еквіваленти
- Конвертації кВт·год ↔ BTU є поширеними
Як працюють конвертації
- Вт·год × 3600 → Дж; кВт·год × 3.6 → МДж
- ккал × 4.184 → кДж; кал × 4.184 → Дж
- еВ × 1.602×10⁻¹⁹ → Дж; Дж ÷ 1.602×10⁻¹⁹ → еВ
Поширені конвертації
| З | В | Коефіцієнт | Приклад |
|---|---|---|---|
| кВт·год | МДж | × 3.6 | 2 кВт·год = 7.2 МДж |
| ккал | кДж | × 4.184 | 500 ккал = 2,092 кДж |
| BTU | Дж | × 1,055.06 | 10,000 BTU ≈ 10.55 МДж |
| Вт·год | Дж | × 3,600 | 250 Вт·год = 900,000 Дж |
| еВ | Дж | × 1.602×10⁻¹⁹ | 2 еВ ≈ 3.204×10⁻¹⁹ Дж |
Швидкі приклади
Швидкий довідник
Швидкий розрахунок вартості приладів
Енергія (кВт·год) × ціна за кВт·год
- Приклад: 2 кВт·год × $0.20 = $0.40
- 1,000 Вт × 3 год = 3 кВт·год
Шпаргалка по акумуляторах
мА·год × В ÷ 1000 ≈ Вт·год
- 10,000 мА·год × 3.7 В ≈ 37 Вт·год
- Вт·год ÷ Вт пристрою ≈ час роботи (години)
Швидкий розрахунок CO₂
Оцінка викидів від використання електроенергії
- CO₂ = кВт·год × інтенсивність мережі
- Приклад: 5 кВт·год × 400 гCO₂/кВт·год = 2,000 г (2 кг)
- Низьковуглецева мережа (100 г/кВт·год) скорочує це на 75%
Помилки Потужність vs Енергія
Поширені плутанини
- кВт - це потужність (швидкість); кВт·год - це енергія (кількість)
- Обігрівач 2 кВт протягом 3 год використовує 6 кВт·год
- Рахунки використовують кВт·год; таблички приладів показують Вт/кВт
Вступ до відновлюваних джерел енергії
Основи сонячної та вітрової енергії
Відновлювані джерела генерують потужність (кВт), яка з часом інтегрується в енергію (кВт·год).
Вироблення змінюється залежно від погоди; важливі довгострокові середні показники.
- Коефіцієнт потужності: % максимального вироблення з часом
- Сонячні панелі на даху: ~900–1,400 кВт·год/кВт·рік (залежить від місця)
- Вітрові ферми: коефіцієнт потужності часто 25–45%
Зберігання та зміщення
Акумулятори зберігають надлишок і зміщують енергію на час, коли вона потрібна.
- Ємність кВт·год проти потужності кВт має значення
- Ефективність циклу < 100% (втрати)
- Тарифи за часом використання заохочують зміщення
Шпаргалка по щільності енергії
| Джерело | За масою | За об'ємом | Примітки |
|---|---|---|---|
| Бензин | ~46 МДж/кг (~12.8 кВт·год/кг) | ~34 МДж/л (~9.4 кВт·год/л) | Приблизно; залежить від суміші |
| Дизель | ~45 МДж/кг | ~36 МДж/л | Трохи вища об'ємна щільність, ніж у бензину |
| Авіаційне паливо | ~43 МДж/кг | ~34 МДж/л | Діапазон гасу |
| Етанол | ~30 МДж/кг | ~24 МДж/л | Нижче, ніж у бензину |
| Водень (700 бар) | ~120 МДж/кг | ~5–6 МДж/л | Висока за масою, низька за об'ємом |
| Природний газ (STP) | ~55 МДж/кг | ~0.036 МДж/л | Стиснений/СПГ має набагато вищу об'ємну щільність |
| Літій-іонний акумулятор | ~0.6–0.9 МДж/кг (160–250 Вт·год/кг) | ~1.4–2.5 МДж/л | Залежить від хімічного складу |
| Свинцево-кислотний акумулятор | ~0.11–0.18 МДж/кг | ~0.3–0.5 МДж/л | Низька щільність, недорогий |
| Деревина (суха) | ~16 МДж/кг | Змінюється | Залежить від породи та вологості |
Порівняння енергії в різних масштабах
| Застосування | Джоулі (Дж) | кВт·год | ккал | BTU |
|---|---|---|---|---|
| Один фотон (видимий) | ~3×10⁻¹⁹ | ~10⁻²² | ~7×10⁻²⁰ | ~3×10⁻²² |
| Один електронвольт | 1.6×10⁻¹⁹ | 4.5×10⁻²³ | 3.8×10⁻²⁰ | 1.5×10⁻²² |
| Мураха піднімає зерно | ~10⁻⁶ | ~10⁻⁹ | ~2×10⁻⁷ | ~10⁻⁹ |
| Батарейка AA | 9,360 | 0.0026 | 2.2 | 8.9 |
| Зарядка смартфона | 50,000 | 0.014 | 12 | 47 |
| Скибка хліба | 335,000 | 0.093 | 80 | 318 |
| Повноцінний прийом їжі | 2,500,000 | 0.69 | 600 | 2,370 |
| Гарячий душ (10 хв) | 5.4 МДж | 1.5 | 1,290 | 5,120 |
| Добове споживання їжі | 10 МДж | 2.8 | 2,400 | 9,480 |
| Літр бензину | 34 МДж | 9.4 | 8,120 | 32,200 |
| Акумулятор Tesla (60 кВт·год) | 216 МДж | 60 | 51,600 | 205,000 |
| Блискавка | 1-5 ГДж | 300-1,400 | 240тис-1.2М | 950тис-4.7М |
| Тонна тротилу | 4.184 ГДж | 1,162 | 1,000,000 | 3.97М |
| Бомба в Хіросімі | 63 ТДж | 17.5М | 15 мільярдів | 60 мільярдів |
Повсякденні орієнтири
| Річ | Типова енергія | Примітки |
|---|---|---|
| Повна зарядка телефону | ~10–15 Вт·год | ~36–54 кДж |
| Акумулятор ноутбука | ~50–100 Вт·год | ~0.18–0.36 МДж |
| 1 скибка хліба | ~70–100 ккал | ~290–420 кДж |
| Гарячий душ (10 хв) | ~1–2 кВт·год | Потужність × час |
| Обігрівач (1 год) | 1–2 кВт·год | Залежно від налаштування потужності |
| Бензин (1 л) | ~34 МДж | Нижча теплотворна здатність (приблизно) |
Дивовижні факти про енергію
Акумулятор електромобіля проти будинку
Акумулятор Tesla на 60 кВт·год зберігає стільки ж енергії, скільки типовий будинок використовує за 2-3 дні — уявіть, що ви возите з собою електроенергію на 3 дні у своїй машині!
Загадковий терм
Терм - це 100,000 BTU (29.3 кВт·год). Рахунки за природний газ використовують терми, бо легше сказати '50 термів', ніж '5 мільйонів BTU'!
Хитрість з великою літерою Калорії
На етикетках продуктів використовується 'Калорія' (велика літера К), що насправді є кілокалорією! Тож печиво на 200 Кал насправді містить 200,000 калорій (маленька літера к).
Брудний секрет бензину
1 літр бензину має 9.4 кВт·год енергії, але двигуни втрачають 70% у вигляді тепла! Лише ~2.5 кВт·год фактично рухають ваш автомобіль. Електромобілі втрачають лише ~10-15%.
Орієнтир в 1 кВт·год
1 кВт·год може: живити лампочку 100 Вт протягом 10 годин, зарядити 100 смартфонів, підсмажити 140 скибок хліба або підтримувати роботу вашого холодильника протягом 24 годин!
Магія рекуперативного гальмування
Електромобілі відновлюють 15-25% енергії під час гальмування, перетворюючи двигун на генератор. Це безкоштовна енергія з витраченої кінетичної енергії!
E=mc² вражає уяву
Ваше тіло має достатньо енергії маси (E=mc²), щоб живити всі міста Землі протягом тижня! Але перетворення маси в енергію вимагає ядерних реакцій.
Ракетне паливо проти їжі
Фунт за фунтом, ракетне паливо має в 10 разів більше енергії, ніж шоколад. Але ви не можете їсти ракетне паливо — хімічна енергія ≠ метаболічна енергія!
Рекорди та крайнощі
| Рекорд | Енергія | Примітки |
|---|---|---|
| Добове споживання домогосподарства | ~10–30 кВт·год | Залежить від клімату та приладів |
| Блискавка | ~1–10 ГДж | Дуже мінлива |
| 1 мегатонна тротилу | 4.184 ПДж | Тротиловий еквівалент |
Відкриття енергії: від стародавнього вогню до сучасної фізики
Стародавня енергія: вогонь, їжа та м'язова сила
Протягом тисячоліть люди розуміли енергію лише через її ефекти: тепло від вогню, сила від їжі, та потужність води і вітру. Енергія була практичною реальністю без теоретичного розуміння.
- **Опанування вогню** (~400,000 р. до н.е.) - Люди використовують хімічну енергію для тепла та світла
- **Водяні колеса** (~300 р. до н.е.) - Греки та римляни перетворюють кінетичну енергію на механічну роботу
- **Вітряки** (~600 р. н.е.) - Перси вловлюють енергію вітру для помелу зерна
- **Розуміння харчування** (античність) - Їжа як 'паливо' для людської діяльності, хоча механізм невідомий
Ці практичні застосування випереджали будь-яку наукову теорію на тисячі років. Енергію знали з досвіду, а не з рівнянь.
Механічна епоха: пара, робота та ефективність (1600-1850)
Промислова революція вимагала кращого розуміння того, як тепло перетворюється на роботу. Інженери вимірювали ефективність двигунів, що призвело до народження термодинаміки.
- **Удосконалення парового двигуна Джеймсом Ваттом** (1769) - Кількісно оцінив вихід роботи, ввів кінську силу
- **Теорія теплового двигуна Саді Карно** (1824) - Довів теоретичні межі перетворення тепла на роботу
- **Юліус фон Маєр** (1842) - Запропонував механічний еквівалент тепла: тепло і робота є взаємозамінними
- **Експерименти Джеймса Джоуля** (1843-1850) - Точно виміряв: 1 калорія = 4.184 джоуля механічної роботи
Експерименти Джоуля довели збереження енергії: механічна робота, тепло та електрика є різними формами одного й того ж.
Об'єднана енергія: збереження та форми (1850-1900)
19-е століття синтезувало розрізнені спостереження в єдину концепцію: енергія зберігається, перетворюючись між формами, але ніколи не створюється і не знищується.
- **Герман фон Гельмгольц** (1847) - Формалізував закон збереження енергії
- **Рудольф Клаузіус** (1850-ті) - Ввів ентропію, показуючи, що якість енергії погіршується
- **Джеймс Клерк Максвелл** (1865) - Об'єднав електрику та магнетизм, показавши, що світло переносить енергію
- **Людвіг Больцман** (1877) - Пов'язав енергію з атомним рухом через статистичну механіку
До 1900 року енергію розуміли як центральну валюту фізики—вона перетворюється, але зберігається у всіх природних процесах.
Квантова та атомна ера: E=mc² та субатомні масштаби (1900-1945)
20-е століття розкрило енергію на екстремумах: еквівалентність маси-енергії Ейнштейна та квантова механіка на атомних масштабах.
- **Макс Планк** (1900) - Квантував енергію у випромінюванні: E = hν (стала Планка)
- **E=mc² Ейнштейна** (1905) - Маса та енергія еквівалентні; крихітна маса = величезна енергія
- **Нільс Бор** (1913) - Атомні енергетичні рівні пояснюють спектральні лінії; еВ стає природною одиницею
- **Енріко Фермі** (1942) - Перша контрольована ядерна ланцюгова реакція вивільняє енергію масштабу МеВ
- **Манхеттенський проект** (1945) - Випробування Трініті демонструє еквівалент ~22 кілотонн тротилу (~90 ТДж)
Ядерна енергія підтвердила E=mc²: поділ перетворює 0.1% маси на енергію—у мільйони разів щільніше, ніж хімічне паливо.
Сучасний енергетичний ландшафт (1950-сьогодення)
Повоєнне суспільство стандартизувало одиниці енергії для комунальних послуг, харчування та фізики, водночас стикаючись з проблемами викопного палива, відновлюваних джерел енергії та ефективності.
- **Стандартизація кіловат-години** - Глобальні електроенергетичні компанії приймають кВт·год для виставлення рахунків
- **Маркування калорій** (1960-90-ті) - Стандартизація харчової енергії; FDA вводить обов'язкові етикетки харчової цінності (1990)
- **Фотоелектрична революція** (1970-2020-ті) - Ефективність сонячних панелей зростає з <10% до >20%
- **Літій-іонні акумулятори** (1991-сьогодення) - Енергетична щільність зростає з ~100 до 250+ Вт·год/кг
- **Розумні мережі та зберігання** (2010-ті) - Управління енергією в реальному часі та акумулятори мережевого масштабу
Кліматична ера: декарбонізація енергетичних систем
21-е століття визнає екологічну вартість енергії. Акцент зміщується з простого виробництва енергії на ефективне виробництво чистої енергії.
- **Інтенсивність вуглецю** - Викопне паливо викидає 400-1000 г CO₂/кВт·год; відновлювані джерела викидають <50 г CO₂/кВт·год за життєвий цикл
- **Прогалини у зберіганні енергії** - Акумулятори зберігають ~0.5 МДж/кг проти 46 МДж/кг у бензину; тривога щодо запасу ходу залишається
- **Інтеграція в мережу** - Змінні відновлювані джерела вимагають зберігання та реагування на попит
- **Імперативи ефективності** - Світлодіоди (100 лм/Вт) проти ламп розжарювання (15 лм/Вт); теплові насоси (COP > 3) проти резистивного нагріву
Перехід до нульових викидів вимагає електрифікації всього та чистого виробництва цієї електроенергії—повна перебудова енергетичної системи.
Ключові віхи в науці про енергію
Шкала енергії: від квантових шепотів до космічних вибухів
Енергія охоплює незбагненний діапазон: від окремих фотонів до наднових. Розуміння цих масштабів допомагає контекстуалізувати щоденне використання енергії.
Квантовий та молекулярний (10⁻¹⁹ до 10⁻¹⁵ Дж)
Typical units: еВ до меВ
- **Теплова енергія на молекулу** (кімнатна температура) - ~0.04 еВ (~6×10⁻²¹ Дж)
- **Видимий фотон** - 1.8-3.1 еВ (червоне до фіолетового світла)
- **Розрив хімічного зв'язку** - 1-10 еВ (ковалентні зв'язки)
- **Рентгенівський фотон** - 1-100 кеВ
Мікроскопічний та людський масштаб (1 мДж до 1 МДж)
Typical units: мДж, Дж, кДж
- **Політ комара** - ~0.1 мДж
- **Повний заряд батарейки АА** - ~10 кДж (2.7 Вт·год)
- **Шоколадний батончик** - ~1 МДж (240 ккал)
- **Людина в стані спокою (1 година)** - ~300 кДж (метаболізм 75 ккал)
- **Акумулятор смартфона** - ~50 кДж (14 Вт·год)
- **Ручна граната** - ~400 кДж
Побут та транспорт (1 МДж до 1 ГДж)
Typical units: МДж, кВт·год
- **Гарячий душ (10 хв)** - 4-7 МДж (1-2 кВт·год)
- **Добове споживання їжі** - ~10 МДж (2,400 ккал)
- **Літр бензину** - 34 МДж (9.4 кВт·год)
- **Акумулятор Tesla Model 3** - ~216 МДж (60 кВт·год)
- **Добове споживання домогосподарства** - 36-108 МДж (10-30 кВт·год)
- **Галон бензину** - ~132 МДж (36.6 кВт·год)
Промисловий та муніципальний (1 ГДж до 1 ТДж)
Typical units: ГДж, МВт·год
- **Блискавка** - 1-10 ГДж (сильно варіюється)
- **Невелика автомобільна аварія (60 миль/год)** - ~1 ГДж (кінетична енергія)
- **Тонна тротилу** - 4.184 ГДж
- **Авіаційне паливо (1 тонна)** - ~43 ГДж
- **Щоденне споживання електроенергії міським кварталом** - ~100-500 ГДж
Великомасштабні події (1 ТДж до 1 ПДж)
Typical units: ТДж, ГВт·год
- **Кілотонна тротилу** - 4.184 ТДж (Хіросіма: ~63 ТДж)
- **Добова вироблення малої електростанції** - ~10 ТДж (станція 100 МВт)
- **Річна вироблення великої вітрової ферми** - ~1-5 ПДж
- **Запуск космічного шатла** - ~18 ТДж (енергія палива)
Цивілізація та геофізика (1 ПДж до 1 ЕДж)
Typical units: ПДж, ТВт·год
- **Мегатонна ядерна зброя** - 4.184 ПДж (Цар-бомба: ~210 ПДж)
- **Великий землетрус (магнітуда 7)** - ~32 ПДж
- **Ураган (загальна енергія)** - ~600 ПДж/день (переважно як приховане тепло)
- **Річна вироблення греблі Гувера** - ~15 ПДж (4 ТВт·год)
- **Річне споживання енергії малою країною** - ~100-1,000 ПДж
Планетарний та зоряний (1 ЕДж до 10⁴⁴ Дж)
Typical units: ЕДж, ЗДж, і далі
- **Річне споживання енергії США** - ~100 ЕДж (~28,000 ТВт·год)
- **Глобальне річне споживання енергії** - ~600 ЕДж (2020)
- **Виверження Кракатау (1883)** - ~840 ПДж
- **Удар астероїда Чиксулуб** - ~4×10²³ Дж (100 мільйонів мегатонн)
- **Щоденна вироблення Сонця** - ~3.3×10³¹ Дж
- **Наднова (Тип Ia)** - ~10⁴⁴ Дж (фое)
Кожна дія—від фотона, що потрапляє в око, до вибуху зірки—це перетворення енергії. Ми живемо у вузькому діапазоні: від мегаджоулів до гігаджоулів.
Енергія в дії: реальні застосування в різних сферах
Харчування та метаболізм
На етикетках продуктів харчування вказана енергія в Калоріях (ккал). Ваше тіло перетворює її на АТФ для клітинної роботи з ефективністю ~25%.
- **Базальний метаболізм** - ~1,500-2,000 ккал/день (6-8 МДж) для підтримки життя
- **Марафонський біг** - Спалює ~2,600 ккал (~11 МДж) за 3-4 години
- **Шоколадний батончик** - ~250 ккал могли б живити ноутбук 60 Вт протягом ~4.5 годин (якби ефективність була 100%)
- **Математика дієти** - 1 фунт жиру = ~3,500 ккал дефіциту; дефіцит 500 ккал/день = 1 фунт/тиждень
Управління енергією вдома
Рахунки за електроенергію виставляються за кВт·год. Розуміння споживання приладів допомагає зменшити витрати та вуглецевий слід.
- **Світлодіоди проти ламп розжарювання** - 10 Вт світлодіод = 60 Вт лампа розжарювання; економить 50 Вт × 5 год/день = 0.25 кВт·год/день = $9/міс
- **Фантомні навантаження** - Пристрої в режимі очікування витрачають ~5-10% енергії домогосподарства (~1 кВт·год/день)
- **Теплові насоси** - Переміщують 3-4 кВт·год тепла, використовуючи 1 кВт·год електроенергії (COP > 3); резистивні нагрівачі 1:1
- **Зарядка електромобіля** - Акумулятор 60 кВт·год за $0.15/кВт·год = $9 за повну зарядку (проти $40 еквівалента бензину)
Транспорт та транспортні засоби
Транспортні засоби перетворюють енергію палива на кінетичну енергію зі значними втратами. Електромобілі в 3 рази ефективніші за двигуни внутрішнього згоряння.
- **Бензиновий автомобіль** - 30% ефективності; 1 галон (132 МДж) → 40 МДж корисної роботи, 92 МДж тепла
- **Електромобіль** - 85% ефективності; 20 кВт·год (72 МДж) → 61 МДж на колеса, 11 МДж втрат
- **Рекуперативне гальмування** - Відновлює 10-25% кінетичної енергії назад в акумулятор
- **Аеродинаміка** - Подвоєння швидкості вчетверо збільшує потужність, необхідну для подолання опору (P ∝ v³)
Промисловість та виробництво
Важка промисловість становить ~30% світового споживання енергії. Ефективність процесів та утилізація відпрацьованого тепла є критичними.
- **Виробництво сталі** - ~20 ГДж на тонну (5,500 кВт·год); електродугові печі використовують брухт і менше енергії
- **Виплавка алюмінію** - ~45-55 ГДж на тонну; ось чому переробка економить 95% енергії
- **Дата-центри** - ~200 ТВт·год/рік у всьому світі (2020); PUE (Ефективність використання енергії) вимірює ефективність
- **Виробництво цементу** - ~3-4 ГДж на тонну; становить 8% світових викидів CO₂
Системи відновлюваної енергії
Сонячна, вітрова та гідроенергетика перетворюють навколишню енергію на електрику. Коефіцієнт потужності та мінливість визначають розгортання.
- **Сонячна панель** - ~20% ефективності; 1 м² отримує ~1 кВт пікового сонця → 200 Вт × 5 сонячних годин/день = 1 кВт·год/день
- **Коефіцієнт потужності вітрової турбіни** - 25-45%; турбіна 2 МВт × 35% КВ = 6,100 МВт·год/рік
- **Гідроелектроенергія** - 85-90% ефективності; 1 м³/с, що падає на 100 м ≈ 1 МВт
- **Ефективність циклу зберігання в акумуляторі** - 85-95% ефективності; втрати у вигляді тепла під час зарядки/розрядки
Наукові та фізичні застосування
Від прискорювачів частинок до лазерного синтезу, фізичні дослідження працюють на енергетичних екстремумах.
- **Великий адронний колайдер** - 362 МДж зберігається в пучку; зіткнення протонів при 13 ТеВ
- **Лазерний синтез** - NIF доставляє ~2 МДж за наносекунди; досягнуто точки беззбитковості в 2022 році (~3 МДж на виході)
- **Медичні ізотопи** - Циклотрони прискорюють протони до 10-20 МеВ для ПЕТ-сканування
- **Космічні промені** - Частинка з найвищою енергією, виявлена: ~3×10²⁰ еВ (~50 Дж в одному протоні!)
Каталог одиниць
Метрична (SI)
| Одиниця | Символ | Джоулі | Примітки |
|---|---|---|---|
| джоуль | J | 1 | Базова одиниця енергії в СІ. |
| кілоджоуль | kJ | 1,000 | 1,000 Дж; зручно для харчування. |
| мегаджоуль | MJ | 1,000,000 | 1,000,000 Дж; масштаб приладів/промисловості. |
| гігаджоуль | GJ | 1.000e+9 | 1,000 МДж; велика промисловість/інженерія. |
| мікроджоуль | µJ | 0.000001 | Мікроджоуль; датчики та лазерні імпульси. |
| міліджоуль | mJ | 0.001 | Міліджоуль; малі імпульси. |
| наноджоуль | nJ | 0.000000001 | Наноджоуль; мікроенергетичні події. |
| тераджоуль | TJ | 1.000e+12 | 1,000 ГДж; дуже великі викиди. |
Імперська / США
| Одиниця | Символ | Джоулі | Примітки |
|---|---|---|---|
| британська теплова одиниця | BTU | 1,055.06 | Британська теплова одиниця; ОВК та опалення. |
| BTU (IT) | BTU(IT) | 1,055.06 | IT визначення BTU (≈ те ж саме, що BTU). |
| BTU (термохімічний) | BTU(th) | 1,054.35 | Термохімічне визначення BTU. |
| футо-фунт-сила | ft·lbf | 1.35582 | Фут‑фунт-сила; механічна робота. |
| дюйм-фунт-сила | in·lbf | 0.112985 | Дюйм‑фунт-сила; крутний момент та робота. |
| мільйон BTU | MBTU | 1.055e+9 | Мільйон BTU; енергетичні ринки. |
| квад | quad | 1.055e+18 | 10¹⁵ BTU; національні енергетичні масштаби. |
| терм | thm | 105,506,000 | Оплата за природний газ; 100,000 BTU. |
Калорії
| Одиниця | Символ | Джоулі | Примітки |
|---|---|---|---|
| калорія | cal | 4.184 | Мала калорія; 4.184 Дж. |
| Калорія (харчова) | Cal | 4,184 | ‘Калорія’ на етикетці продукту (ккал). |
| кілокалорія | kcal | 4,184 | Кілокалорія; харчова Калорія. |
| калорія (15°C) | cal₁₅ | 4.1855 | Калорія при 15°C. |
| калорія (20°C) | cal₂₀ | 4.182 | Калорія при 20°C. |
| калорія (IT) | cal(IT) | 4.1868 | IT калорія (≈4.1868 Дж). |
| калорія (термохімічна) | cal(th) | 4.184 | Термохімічна калорія (4.184 Дж). |
Електрична
| Одиниця | Символ | Джоулі | Примітки |
|---|---|---|---|
| кіловат-година | kWh | 3,600,000 | Кіловат‑година; комунальні рахунки та електромобілі. |
| ват-година | Wh | 3,600 | Ват‑година; енергія приладів. |
| електронвольт | eV | 1.602e-19 | Електронвольт; енергії частинок/фотонів. |
| гігаелектронвольт | GeV | 1.602e-10 | Гігаелектронвольт; фізика високих енергій. |
| гігават-година | GWh | 3.600e+12 | Гігават‑година; мережі та станції. |
| кілоелектронвольт | keV | 1.602e-16 | Кілоелектронвольт; рентгенівські промені. |
| мегаелектронвольт | MeV | 1.602e-13 | Мегаелектронвольт; ядерна фізика. |
| мегават-година | MWh | 3.600e+9 | Мегават‑година; більші об'єкти. |
Атомна / Ядерна
| Одиниця | Символ | Джоулі | Примітки |
|---|---|---|---|
| атомна одиниця маси | u | 1.492e-10 | Енергетичний еквівалент 1 а.о.м. (через E=mc²). |
| енергія Гартрі | Eₕ | 4.360e-18 | Енергія Гартрі (квантова хімія). |
| кілотонна ТНТ | ktTNT | 4.184e+12 | Кілотонна тротилу; велика енергія вибуху. |
| мегатонна ТНТ | MtTNT | 4.184e+15 | Мегатонна тротилу; дуже велика енергія вибуху. |
| стала Рідберга | Ry | 2.180e-18 | Енергія Рідберга; спектроскопія. |
| тонна ТНТ | tTNT | 4.184e+9 | Тонна тротилу; вибуховий еквівалент. |
Наукова
| Одиниця | Символ | Джоулі | Примітки |
|---|---|---|---|
| барель нафтового еквівалента | BOE | 6.120e+9 | Барель нафтового еквіваленту ~6.12 ГДж (приблизно). |
| кубічний фут природного газу | cf NG | 1,055,060 | Кубічний фут природного газу ~1.055 МДж (приблизно). |
| дин-сантиметр | dyn·cm | 0.0000001 | Дин‑см; 1 дин·см = 10⁻⁷ Дж. |
| ерг | erg | 0.0000001 | Енергія СГС; 1 ерг = 10⁻⁷ Дж. |
| кінська сила-година | hp·h | 2,684,520 | Кінська сила‑година; механіка/двигуни. |
| кінська сила-година (метрична) | hp·h(M) | 2,647,800 | Метрична кінська сила‑година. |
| прихована теплота пари | LH | 2,257,000 | Прихована теплота пароутворення води ≈ 2.257 МДж/кг. |
| енергія Планка | Eₚ | 1.956e+9 | Енергія Планка (Eₚ) ≈ 1.96×10⁹ Дж (теоретичний масштаб). |
| тонна вугільного еквівалента | TCE | 2.931e+10 | Тонна вугільного еквіваленту ~29.31 ГДж (приблизно). |
| тонна нафтового еквівалента | TOE | 4.187e+10 | Тонна нафтового еквіваленту ~41.868 ГДж (приблизно). |
Часті запитання
Яка різниця між кВт і кВт·год?
кВт - це потужність (швидкість). кВт·год - це енергія (кВт × години). Рахунки використовують кВт·год.
Чи є Калорії тим самим, що й ккал?
Так. Харчова ‘Калорія’ дорівнює 1 кілокалорії (ккал) = 4.184 кДж.
Як оцінити вартість приладу?
Енергія (кВт·год) × тариф (за кВт·год). Приклад: 2 кВт·год × $0.20 = $0.40.
Чому так багато визначень калорії?
Історичні вимірювання при різних температурах призвели до варіантів (IT, термохімічна). Для харчування використовуйте ккал.
Коли слід використовувати еВ замість Дж?
еВ є природним для атомних/частинкових масштабів. Конвертуйте в Дж для макроскопічних контекстів.
Що таке коефіцієнт потужності?
Фактичне вироблення енергії з часом, поділене на вироблення, якби станція працювала на повну потужність 100% часу.
Повний Довідник Інструментів
Усі 71 інструменти, доступні на UNITS