Công cụ chuyển đổi Năng lượng

Năng lượng — từ calo đến kilowatt‑giờ

Hiểu về năng lượng trong cuộc sống hàng ngày: calo thực phẩm, kWh thiết bị, BTU trong hệ thống sưởi, và electronvolt trong vật lý. Chuyển đổi tự tin với các ví dụ rõ ràng.

Tại sao các Đơn vị Năng lượng lại đa dạng từ Calo thực phẩm đến Vụ nổ hạt nhân
Công cụ này chuyển đổi giữa hơn 53 đơn vị năng lượng - joule, calo, BTU, kWh, electronvolt, và nhiều hơn nữa. Dù bạn đang tính toán năng lượng thực phẩm, hóa đơn tiện ích, yêu cầu HVAC, tiêu thụ nhiên liệu hay vật lý hạt, bộ chuyển đổi này xử lý mọi thứ từ liên kết phân tử (electronvolt) đến năng lượng siêu tân tinh (10⁴⁴ J), bao gồm cả mối quan hệ quan trọng giữa năng lượng, công suất và thời gian cho các ứng dụng thực tế.

Nền tảng về Năng lượng

Joule (J)
Đơn vị năng lượng trong hệ SI. 1 J = công của lực 1 newton dịch chuyển 1 mét (1 N·m).

Năng lượng là gì?

Khả năng thực hiện công hoặc tạo ra nhiệt. Thường được đo bằng công cơ học, nhiệt, hoặc năng lượng điện.

Công suất liên quan đến năng lượng qua thời gian: công suất = năng lượng/thời gian (W = J/s).

  • Cơ bản SI: joule (J)
  • Điện: Wh và kWh
  • Dinh dưỡng: Calo = kilocalo (kcal)

Bối cảnh hàng ngày

Hóa đơn tiền điện tính bằng kWh; thiết bị liệt kê công suất (W) và bạn nhân với thời gian để có kWh.

Nhãn thực phẩm sử dụng Calo (kcal). Hệ thống sưởi/làm mát thường sử dụng BTU.

  • Sạc điện thoại: ~10 Wh
  • Tắm (10 phút, máy nước nóng 7 kW): ~1.17 kWh
  • Bữa ăn: ~600–800 kcal

Khoa học & năng lượng vi mô

Vật lý hạt sử dụng eV cho năng lượng của photon và hạt.

Ở quy mô nguyên tử, năng lượng Hartree và Rydberg xuất hiện trong cơ học lượng tử.

  • 1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J
  • Photon khả kiến: ~2–3 eV
  • Năng lượng Planck cực kỳ lớn (lý thuyết)
Điểm chính
  • Chuyển đổi qua joule (J) để rõ ràng và chính xác
  • kWh thuận tiện cho năng lượng gia đình; kcal cho dinh dưỡng
  • BTU phổ biến trong HVAC; eV trong vật lý

Hỗ trợ Ghi nhớ

Tính nhẩm Nhanh

kWh ↔ MJ

1 kWh = 3.6 MJ chính xác. Nhân với 3.6 hoặc chia cho 3.6.

kcal ↔ kJ

1 kcal ≈ 4.2 kJ. Làm tròn thành 4 để ước tính nhanh.

BTU ↔ kJ

1 BTU ≈ 1.055 kJ. Ước tính khoảng 1 BTU ≈ 1 kJ.

Wh ↔ J

1 Wh = 3,600 J. Hãy nghĩ: 1 watt trong 1 giờ = 3,600 giây.

Calo Thực phẩm

1 Cal (thực phẩm) = 1 kcal = 4.184 kJ. Chữ 'C' viết hoa có nghĩa là kilocalo!

kW × giờ → kWh

Công suất × Thời gian = Năng lượng. Máy sưởi 2 kW × 3 giờ = tiêu thụ 6 kWh.

Tham chiếu Năng lượng Trực quan

ScenarioEnergyVisual Reference
Bóng đèn LED (10 W, 10 giờ)100 Wh (0.1 kWh)Chi phí ~$0.01 theo mức giá thông thường
Sạc đầy điện thoại thông minh10-15 WhĐủ để sạc ~60-90 lần từ 1 kWh
Lát bánh mì80 kcal (335 kJ)Có thể cấp điện cho bóng đèn 100W trong ~1 giờ
Tắm nước nóng (10 phút)1-2 kWhNăng lượng tương đương tủ lạnh chạy trong một ngày
Bữa ăn đầy đủ600 kcal (2.5 MJ)Đủ năng lượng để nâng một chiếc ô tô lên cao 1 mét
Pin ô tô điện (60 kWh)216 MJTương đương 30.000 Calo thực phẩm hoặc 20 ngày ăn
Lít xăng34 MJ (9.4 kWh)Nhưng động cơ lãng phí 70% dưới dạng nhiệt!
Tia sét1-5 GJNghe có vẻ khổng lồ nhưng chỉ đủ cấp điện cho một ngôi nhà trong vài giờ

Những Sai lầm Phổ biến

  • Nhầm lẫn giữa kW và kWh
    Fix: kW là công suất (tốc độ), kWh là năng lượng (lượng). Một máy sưởi 2 kW chạy trong 3 giờ sẽ tiêu thụ 6 kWh.
  • Calorie vs calorie
    Fix: Nhãn thực phẩm sử dụng 'Calorie' (chữ C viết hoa) = kilocalo = 1.000 calo (chữ c viết thường). 1 Cal = 1 kcal = 4.184 kJ.
  • Bỏ qua Hiệu suất
    Fix: Xăng có 9.4 kWh/lít, nhưng động cơ chỉ có hiệu suất 25-30%. Năng lượng hữu ích thực sự là ~2.5 kWh/lít!
  • Pin mAh không có Điện áp
    Fix: 10.000 mAh không có nghĩa lý gì nếu không có điện áp! Ở 3.7V: 10.000 mAh × 3.7V ÷ 1000 = 37 Wh.
  • Trộn lẫn Hóa đơn Năng lượng và Công suất
    Fix: Hóa đơn tiền điện tính theo kWh (năng lượng), không phải kW (công suất). Mức giá của bạn là $/kWh, không phải $/kW.
  • Quên Thời gian trong Tính toán Năng lượng
    Fix: Công suất × Thời gian = Năng lượng. Chạy máy sưởi 1.500W trong 2 giờ = 3 kWh, không phải 1.5 kWh!

Vị trí của Mỗi Đơn vị

Nhà cửa & thiết bị

Năng lượng điện được tính bằng kWh; ước tính mức tiêu thụ bằng công suất × thời gian.

  • Bóng đèn LED 10 W × 5 giờ ≈ 0.05 kWh
  • Lò nướng 2 kW × 1 giờ = 2 kWh
  • Hóa đơn hàng tháng tổng hợp tất cả các thiết bị

Thực phẩm & dinh dưỡng

Calo trên nhãn là kilocalo (kcal) và thường đi kèm với kJ.

  • 1 kcal = 4.184 kJ
  • Lượng tiêu thụ hàng ngày ~2.000–2.500 kcal
  • kcal và Cal (thực phẩm) là như nhau

Sưởi ấm & nhiên liệu

BTU, therm, và các đơn vị tương đương nhiên liệu (BOE/TOE) xuất hiện trong HVAC và thị trường năng lượng.

  • 1 therm = 100.000 BTU
  • Khí tự nhiên và dầu mỏ sử dụng các đơn vị tương đương tiêu chuẩn hóa
  • Chuyển đổi kWh ↔ BTU rất phổ biến

Cách thức Chuyển đổi

Phương pháp đơn vị cơ sở
Chuyển đổi sang joule (J), sau đó từ J sang đơn vị đích. Các hệ số nhanh: kWh × 3.6 → MJ; kcal × 4184 → J; BTU × 1055.06 → J.
  • 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

Các Chuyển đổi Phổ biến

TừSangHệ sốVí dụ
kWhMJ× 3.62 kWh = 7.2 MJ
kcalkJ× 4.184500 kcal = 2,092 kJ
BTUJ× 1,055.0610,000 BTU ≈ 10.55 MJ
WhJ× 3,600250 Wh = 900,000 J
eVJ× 1.602×10⁻¹⁹2 eV ≈ 3.204×10⁻¹⁹ J

Ví dụ Nhanh

1 kWh → J→= 3,600,000 J
650 kcal → kJ→≈ 2,719.6 kJ
10,000 BTU → kWh→≈ 2.93 kWh
5 eV → J→≈ 8.01×10⁻¹⁹ J

Tham khảo Nhanh

Tính nhanh chi phí thiết bị

Năng lượng (kWh) × giá mỗi kWh

  • Ví dụ: 2 kWh × $0.20 = $0.40
  • 1,000 W × 3 giờ = 3 kWh

Bảng tra cứu pin

mAh × V ÷ 1000 ≈ Wh

  • 10,000 mAh × 3.7 V ≈ 37 Wh
  • Wh ÷ W của thiết bị ≈ thời gian chạy (giờ)

Tính nhanh CO₂

Ước tính lượng khí thải từ việc sử dụng điện

  • CO₂ = kWh × cường độ lưới điện
  • Ví dụ: 5 kWh × 400 gCO₂/kWh = 2.000 g (2 kg)
  • Lưới điện carbon thấp (100 g/kWh) giảm được 75%

Sai lầm về Công suất vs Năng lượng

Những nhầm lẫn phổ biến

  • kW là công suất (tốc độ); kWh là năng lượng (lượng)
  • Máy sưởi 2 kW trong 3 giờ sử dụng 6 kWh
  • Hóa đơn sử dụng kWh; bảng thông số thiết bị ghi W/kW

Sơ lược về Năng lượng Tái tạo

Cơ bản về năng lượng mặt trời & gió

Năng lượng tái tạo tạo ra công suất (kW) tích hợp theo thời gian thành năng lượng (kWh).

Sản lượng thay đổi theo thời tiết; giá trị trung bình dài hạn mới quan trọng.

  • Hệ số công suất: % sản lượng tối đa theo thời gian
  • Năng lượng mặt trời trên mái nhà: ~900–1.400 kWh/kW·năm (phụ thuộc vào vị trí)
  • Trang trại gió: hệ số công suất thường là 25–45%

Lưu trữ & dịch chuyển

Pin lưu trữ năng lượng dư thừa và chuyển năng lượng đến khi cần thiết.

  • Dung lượng kWh và công suất kW đều quan trọng
  • Hiệu suất hai chiều < 100% (có tổn thất)
  • Biểu giá theo thời gian sử dụng khuyến khích dịch chuyển

Bảng tra cứu Mật độ Năng lượng

NguồnTheo khối lượngTheo thể tíchGhi chú
Xăng~46 MJ/kg (~12.8 kWh/kg)~34 MJ/L (~9.4 kWh/L)Xấp xỉ; phụ thuộc vào hỗn hợp
Diesel~45 MJ/kg~36 MJ/LCao hơn xăng một chút về thể tích
Nhiên liệu máy bay~43 MJ/kg~34 MJ/LLoại dầu hỏa
Ethanol~30 MJ/kg~24 MJ/LThấp hơn xăng
Hydro (700 bar)~120 MJ/kg~5–6 MJ/LCao theo khối lượng, thấp theo thể tích
Khí tự nhiên (STP)~55 MJ/kg~0.036 MJ/LDạng nén/LNG có mật độ thể tích cao hơn nhiều
Pin Li‑ion~0.6–0.9 MJ/kg (160–250 Wh/kg)~1.4–2.5 MJ/LPhụ thuộc vào hóa học
Pin axit‑chì~0.11–0.18 MJ/kg~0.3–0.5 MJ/LMật độ thấp, không đắt
Gỗ (khô)~16 MJ/kgThay đổiPhụ thuộc vào loài và độ ẩm

So sánh Năng lượng qua các Quy mô

Ứng dụngJoule (J)kWhkcalBTU
Một photon (khả kiến)~3×10⁻¹⁹~10⁻²²~7×10⁻²⁰~3×10⁻²²
Một electron volt1.6×10⁻¹⁹4.5×10⁻²³3.8×10⁻²⁰1.5×10⁻²²
Con kiến nâng hạt~10⁻⁶~10⁻⁹~2×10⁻⁷~10⁻⁹
Pin AA9,3600.00262.28.9
Sạc điện thoại thông minh50,0000.0141247
Lát bánh mì335,0000.09380318
Bữa ăn đầy đủ2,500,0000.696002,370
Tắm nước nóng (10 phút)5.4 MJ1.51,2905,120
Lượng thực phẩm hàng ngày10 MJ2.82,4009,480
Lít xăng34 MJ9.48,12032,200
Pin Tesla (60 kWh)216 MJ6051,600205,000
Tia sét1-5 GJ300-1,400240k-1.2M950k-4.7M
Tấn TNT4.184 GJ1,1621,000,0003.97M
Bom Hiroshima63 TJ17.5M15 tỷ60 tỷ

Các Mốc Chuẩn Hàng ngày

VậtNăng lượng điển hìnhGhi chú
Sạc đầy điện thoại~10–15 Wh~36–54 kJ
Pin máy tính xách tay~50–100 Wh~0.18–0.36 MJ
1 lát bánh mì~70–100 kcal~290–420 kJ
Tắm nước nóng (10 phút)~1–2 kWhCông suất × thời gian
Máy sưởi không gian (1 giờ)1–2 kWhTheo cài đặt công suất
Xăng (1 L)~34 MJNhiệt trị thấp (xấp xỉ)

Những Sự thật Kỳ thú về Năng lượng

Pin xe điện vs Nhà cửa

Một viên pin Tesla 60 kWh lưu trữ năng lượng tương đương một hộ gia đình điển hình sử dụng trong 2-3 ngày — hãy tưởng tượng bạn mang theo lượng điện cho 3 ngày trong xe của mình!

Đơn vị Therm Bí ẩn

Một therm là 100.000 BTU (29.3 kWh). Hóa đơn khí đốt tự nhiên sử dụng therm vì nói '50 therm' dễ hơn là '5 triệu BTU'!

Mẹo Chữ hoa của Calo

Nhãn thực phẩm sử dụng 'Calorie' (chữ C viết hoa) thực chất là một kilocalo! Vì vậy, chiếc bánh quy 200 Cal đó thực sự là 200.000 calo (chữ c viết thường).

Bí mật Bẩn của Xăng

1 lít xăng có 9.4 kWh năng lượng, nhưng động cơ lãng phí 70% dưới dạng nhiệt! Chỉ có ~2.5 kWh thực sự di chuyển xe của bạn. Xe điện chỉ lãng phí ~10-15%.

Mốc chuẩn 1 kWh

1 kWh có thể: cấp điện cho bóng đèn 100W trong 10 giờ, sạc 100 điện thoại thông minh, nướng 140 lát bánh mì, hoặc giữ cho tủ lạnh của bạn hoạt động trong 24 giờ!

Phép màu Phanh Tái tạo

Xe điện thu hồi 15-25% năng lượng trong quá trình phanh bằng cách biến động cơ thành máy phát điện. Đó là năng lượng miễn phí từ động năng bị lãng phí!

E=mc² Thật đáng Kinh ngạc

Cơ thể bạn có đủ năng lượng khối lượng (E=mc²) để cung cấp năng lượng cho tất cả các thành phố trên Trái đất trong một tuần! Nhưng việc chuyển đổi khối lượng thành năng lượng đòi hỏi phản ứng hạt nhân.

Nhiên liệu Tên lửa vs Thức ăn

Tính theo pound, nhiên liệu tên lửa có năng lượng gấp 10 lần sô cô la. Nhưng bạn không thể ăn nhiên liệu tên lửa — năng lượng hóa học ≠ năng lượng chuyển hóa!

Kỷ lục & Các Thái cực

Kỷ lụcNăng lượngGhi chú
Sử dụng hàng ngày của hộ gia đình~10–30 kWhThay đổi theo khí hậu và thiết bị
Tia sét~1–10 GJBiến đổi rất lớn
1 megaton TNT4.184 PJTương đương thuốc nổ

Khám phá Năng lượng: Từ Lửa Cổ đại đến Vật lý Hiện đại

Năng lượng Cổ đại: Lửa, Thức ăn và Sức cơ bắp

Trong hàng thiên niên kỷ, con người chỉ hiểu năng lượng qua các hiệu ứng của nó: hơi ấm từ lửa, sức mạnh từ thức ăn, và sức mạnh của nước và gió. Năng lượng là một thực tế thực tiễn không có sự hiểu biết lý thuyết.

  • **Làm chủ ngọn lửa** (~400.000 TCN) - Con người khai thác năng lượng hóa học để sưởi ấm và chiếu sáng
  • **Bánh xe nước** (~300 TCN) - Người Hy Lạp và La Mã chuyển đổi động năng thành công cơ học
  • **Cối xay gió** (~600 SCN) - Người Ba Tư thu năng lượng gió để xay ngũ cốc
  • **Hiểu biết về dinh dưỡng** (thời cổ đại) - Thức ăn là 'nhiên liệu' cho hoạt động của con người, mặc dù cơ chế chưa được biết

Những ứng dụng thực tế này đã đi trước bất kỳ lý thuyết khoa học nào hàng ngàn năm. Năng lượng được biết đến qua kinh nghiệm, không phải qua phương trình.

Thời đại Cơ học: Hơi nước, Công và Hiệu suất (1600-1850)

Cách mạng Công nghiệp đòi hỏi sự hiểu biết tốt hơn về cách nhiệt chuyển đổi thành công. Các kỹ sư đã đo lường hiệu suất động cơ, dẫn đến sự ra đời của nhiệt động lực học.

  • **Cải tiến động cơ hơi nước của James Watt** (1769) - Định lượng công suất đầu ra, giới thiệu mã lực
  • **Lý thuyết động cơ nhiệt của Sadi Carnot** (1824) - Chứng minh giới hạn lý thuyết về việc chuyển đổi nhiệt thành công
  • **Julius von Mayer** (1842) - Đề xuất đương lượng cơ của nhiệt: nhiệt và công có thể thay thế cho nhau
  • **Thí nghiệm của James Joule** (1843-1850) - Đo lường chính xác: 1 calo = 4.184 joule công cơ học

Các thí nghiệm của Joule đã chứng minh sự bảo toàn năng lượng: công cơ học, nhiệt và điện là các dạng khác nhau của cùng một thứ.

Năng lượng Thống nhất: Bảo toàn và các Dạng (1850-1900)

Thế kỷ 19 đã tổng hợp các quan sát khác nhau thành một khái niệm duy nhất: năng lượng được bảo toàn, biến đổi giữa các dạng nhưng không bao giờ được tạo ra hay phá hủy.

  • **Hermann von Helmholtz** (1847) - Chính thức hóa định luật bảo toàn năng lượng
  • **Rudolf Clausius** (thập niên 1850) - Giới thiệu entropy, cho thấy năng lượng suy giảm về chất lượng
  • **James Clerk Maxwell** (1865) - Thống nhất điện và từ, cho thấy ánh sáng mang năng lượng
  • **Ludwig Boltzmann** (1877) - Kết nối năng lượng với chuyển động nguyên tử thông qua cơ học thống kê

Đến năm 1900, năng lượng được hiểu là đồng tiền trung tâm của vật lý—biến đổi nhưng được bảo toàn trong tất cả các quá trình tự nhiên.

Kỷ nguyên Lượng tử & Nguyên tử: E=mc² và Quy mô Hạ nguyên tử (1900-1945)

Thế kỷ 20 đã tiết lộ năng lượng ở các thái cực: sự tương đương khối lượng-năng lượng của Einstein và cơ học lượng tử ở quy mô nguyên tử.

  • **Max Planck** (1900) - Lượng tử hóa năng lượng trong bức xạ: E = hν (hằng số Planck)
  • **E=mc² của Einstein** (1905) - Khối lượng và năng lượng là tương đương; khối lượng nhỏ = năng lượng khổng lồ
  • **Niels Bohr** (1913) - Các mức năng lượng nguyên tử giải thích các vạch quang phổ; eV trở thành đơn vị tự nhiên
  • **Enrico Fermi** (1942) - Phản ứng chuỗi hạt nhân có kiểm soát đầu tiên giải phóng năng lượng quy mô MeV
  • **Dự án Manhattan** (1945) - Thử nghiệm Trinity chứng minh tương đương ~22 kiloton TNT (~90 TJ)

Năng lượng hạt nhân đã xác nhận E=mc²: phân hạch chuyển đổi 0.1% khối lượng thành năng lượng—đậm đặc hơn hàng triệu lần so với nhiên liệu hóa học.

Bối cảnh Năng lượng Hiện đại (1950-Hiện tại)

Xã hội sau chiến tranh đã tiêu chuẩn hóa các đơn vị năng lượng cho các tiện ích, thực phẩm và vật lý trong khi phải đối mặt với nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tái tạo và hiệu quả.

  • **Tiêu chuẩn hóa Kilowatt-giờ** - Các công ty điện lực toàn cầu áp dụng kWh để tính hóa đơn
  • **Ghi nhãn Calo** (thập niên 1960-90) - Năng lượng thực phẩm được tiêu chuẩn hóa; FDA yêu cầu ghi thông tin dinh dưỡng (1990)
  • **Cách mạng quang điện** (thập niên 1970-2020) - Hiệu suất tấm pin mặt trời tăng từ <10% lên >20%
  • **Pin Lithium-ion** (1991-hiện tại) - Mật độ năng lượng tăng từ ~100 lên 250+ Wh/kg
  • **Lưới điện thông minh & lưu trữ** (thập niên 2010) - Quản lý năng lượng thời gian thực và pin quy mô lưới điện

Kỷ nguyên Khí hậu: Khử carbon trong các Hệ thống Năng lượng

Thế kỷ 21 công nhận chi phí môi trường của năng lượng. Trọng tâm chuyển từ chỉ đơn thuần tạo ra năng lượng sang tạo ra năng lượng sạch một cách hiệu quả.

  • **Cường độ carbon** - Nhiên liệu hóa thạch thải ra 400-1000 g CO₂/kWh; năng lượng tái tạo thải ra <50 g CO₂/kWh trong vòng đời
  • **Khoảng trống lưu trữ năng lượng** - Pin lưu trữ ~0.5 MJ/kg so với 46 MJ/kg của xăng; nỗi lo về phạm vi hoạt động vẫn tồn tại
  • **Tích hợp lưới điện** - Năng lượng tái tạo biến đổi đòi hỏi lưu trữ và phản ứng theo nhu cầu
  • **Yêu cầu về hiệu suất** - LED (100 lm/W) so với đèn sợi đốt (15 lm/W); bơm nhiệt (COP > 3) so với sưởi điện trở

Quá trình chuyển đổi sang phát thải ròng bằng không đòi hỏi điện khí hóa mọi thứ và sản xuất điện một cách sạch sẽ—một cuộc đại tu toàn bộ hệ thống năng lượng.

Các Mốc quan trọng trong Khoa học Năng lượng

1807
Thomas Young lần đầu tiên đặt ra thuật ngữ 'năng lượng' theo nghĩa khoa học hiện đại
1824
Sadi Carnot công bố lý thuyết động cơ nhiệt, sáng lập nhiệt động lực học
1842
Julius von Mayer đề xuất đương lượng cơ của nhiệt
1843-50
James Joule thiết lập đương lượng cơ của nhiệt, chứng minh sự bảo toàn năng lượng
1847
Hermann von Helmholtz chính thức hóa định luật bảo toàn năng lượng
1882
Nhà máy Pearl Street của Edison bắt đầu bán điện, tạo ra nhu cầu về đơn vị tính tiền năng lượng
1889
Kilowatt-giờ (kWh) được tiêu chuẩn hóa để tính hóa đơn điện trên toàn thế giới
1896
Calo được định nghĩa là năng lượng cần thiết để làm nóng 1 gram nước lên 1°C (sau đó được tinh chỉnh thành 4.184 J)
1900
Max Planck lượng tử hóa năng lượng: E = hν, sáng lập cơ học lượng tử
1905
Einstein công bố E=mc², cho thấy sự tương đương khối lượng-năng lượng
1932
Electronvolt (eV) được giới thiệu cho các thang đo năng lượng nguyên tử và vật lý hạt
1942
Enrico Fermi đạt được phản ứng chuỗi hạt nhân có kiểm soát đầu tiên
1945
Thử nghiệm Trinity chứng minh năng lượng hạt nhân; đương lượng TNT trở thành tiêu chuẩn (Hiroshima: ~15 kiloton)
1954
Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên (Obninsk, Liên Xô) sản xuất điện từ phân hạch
1990
FDA yêu cầu ghi nhãn thông tin dinh dưỡng với năng lượng bằng Calo (kcal)
1991
Sony thương mại hóa pin lithium-ion; cách mạng lưu trữ năng lượng có thể sạc lại bắt đầu
2000s
Mật độ năng lượng pin lithium-ion đạt mức thực tế (100-250 Wh/kg), tạo điều kiện cho cách mạng xe điện
2015
Thỏa thuận Paris đặt mục tiêu phát thải ròng bằng không; quá trình chuyển đổi năng lượng tăng tốc
2022
NIF đạt được sự đốt cháy nhiệt hạch: thu được năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch

Thang đo Năng lượng: Từ Lời thì thầm Lượng tử đến Vụ nổ Vũ trụ

Năng lượng trải dài trên một phạm vi không thể tưởng tượng: từ các photon đơn lẻ đến các siêu tân tinh. Hiểu được các quy mô này giúp định hình việc sử dụng năng lượng hàng ngày.

Lượng tử & Phân tử (10⁻¹⁹ đến 10⁻¹⁵ J)

Typical units: eV đến meV

  • **Năng lượng nhiệt trên mỗi phân tử** (nhiệt độ phòng) - ~0.04 eV (~6×10⁻²¹ J)
  • **Photon khả kiến** - 1.8-3.1 eV (ánh sáng đỏ đến tím)
  • **Phá vỡ liên kết hóa học** - 1-10 eV (liên kết cộng hóa trị)
  • **Photon tia X** - 1-100 keV

Quy mô Vi mô & Con người (1 mJ đến 1 MJ)

Typical units: mJ, J, kJ

  • **Muỗi bay** - ~0.1 mJ
  • **Sạc đầy pin AA** - ~10 kJ (2.7 Wh)
  • **Thanh kẹo** - ~1 MJ (240 kcal)
  • **Người nghỉ ngơi (1 giờ)** - ~300 kJ (tỷ lệ trao đổi chất 75 kcal)
  • **Pin điện thoại thông minh** - ~50 kJ (14 Wh)
  • **Lựu đạn cầm tay** - ~400 kJ

Gia đình & Xe cộ (1 MJ đến 1 GJ)

Typical units: MJ, kWh

  • **Tắm nước nóng (10 phút)** - 4-7 MJ (1-2 kWh)
  • **Lượng thực phẩm hàng ngày** - ~10 MJ (2.400 kcal)
  • **Lít xăng** - 34 MJ (9.4 kWh)
  • **Pin Tesla Model 3** - ~216 MJ (60 kWh)
  • **Sử dụng hàng ngày của hộ gia đình** - 36-108 MJ (10-30 kWh)
  • **Gallon xăng** - ~132 MJ (36.6 kWh)

Công nghiệp & Đô thị (1 GJ đến 1 TJ)

Typical units: GJ, MWh

  • **Tia sét** - 1-10 GJ (thay đổi rất rộng)
  • **Tai nạn ô tô nhỏ (60 mph)** - ~1 GJ (động năng)
  • **Tấn TNT** - 4.184 GJ
  • **Nhiên liệu máy bay (1 tấn)** - ~43 GJ
  • **Điện năng hàng ngày của một khu phố** - ~100-500 GJ

Sự kiện Quy mô Lớn (1 TJ đến 1 PJ)

Typical units: TJ, GWh

  • **Kiloton TNT** - 4.184 TJ (Hiroshima: ~63 TJ)
  • **Sản lượng hàng ngày của nhà máy điện nhỏ** - ~10 TJ (nhà máy 100 MW)
  • **Sản lượng hàng năm của trang trại gió lớn** - ~1-5 PJ
  • **Phóng tàu con thoi** - ~18 TJ (năng lượng nhiên liệu)

Văn minh & Địa vật lý (1 PJ đến 1 EJ)

Typical units: PJ, TWh

  • **Vũ khí hạt nhân megaton** - 4.184 PJ (Tsar Bomba: ~210 PJ)
  • **Động đất lớn (độ richter 7)** - ~32 PJ
  • **Bão (tổng năng lượng)** - ~600 PJ/ngày (hầu hết là ẩn nhiệt)
  • **Sản lượng hàng năm của Đập Hoover** - ~15 PJ (4 TWh)
  • **Năng lượng sử dụng hàng năm của một quốc gia nhỏ** - ~100-1.000 PJ

Hành tinh & Sao (1 EJ đến 10⁴⁴ J)

Typical units: EJ, ZJ, và hơn thế nữa

  • **Tiêu thụ năng lượng hàng năm của Hoa Kỳ** - ~100 EJ (~28.000 TWh)
  • **Sử dụng năng lượng hàng năm toàn cầu** - ~600 EJ (2020)
  • **Vụ phun trào Krakatoa (1883)** - ~840 PJ
  • **Va chạm tiểu hành tinh Chicxulub** - ~4×10²³ J (100 triệu megaton)
  • **Sản lượng hàng ngày của Mặt trời** - ~3.3×10³¹ J
  • **Siêu tân tinh (Loại Ia)** - ~10⁴⁴ J (foe)
Perspective

Mọi hành động—từ một photon chiếu vào mắt bạn đến một ngôi sao nổ tung—đều là một sự biến đổi năng lượng. Chúng ta sống trong một dải hẹp: megajoule đến gigajoule.

Năng lượng trong Hành động: Ứng dụng Thực tế qua các Lĩnh vực

Dinh dưỡng & Trao đổi chất

Nhãn thực phẩm liệt kê năng lượng bằng Calo (kcal). Cơ thể bạn chuyển đổi nó thành ATP cho hoạt động tế bào với hiệu suất ~25%.

  • **Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản** - ~1.500-2.000 kcal/ngày (6-8 MJ) để duy trì sự sống
  • **Chạy marathon** - Đốt cháy ~2.600 kcal (~11 MJ) trong 3-4 giờ
  • **Thanh sô cô la** - ~250 kcal có thể cấp điện cho máy tính xách tay 60W trong ~4.5 giờ (nếu hiệu suất 100%)
  • **Toán học ăn kiêng** - 1 lb chất béo = ~3.500 kcal thâm hụt; 500 kcal/ngày thâm hụt = 1 lb/tuần

Quản lý Năng lượng Gia đình

Hóa đơn tiền điện tính theo kWh. Hiểu được mức tiêu thụ của thiết bị giúp giảm chi phí và dấu chân carbon.

  • **LED vs đèn sợi đốt** - Đèn LED 10W = đèn sợi đốt 60W; tiết kiệm 50W × 5 giờ/ngày = 0.25 kWh/ngày = $9/tháng
  • **Tải trọng ma** - Các thiết bị ở chế độ chờ lãng phí ~5-10% năng lượng gia đình (~1 kWh/ngày)
  • **Bơm nhiệt** - Di chuyển 3-4 kWh nhiệt bằng 1 kWh điện (COP > 3); máy sưởi điện trở là 1:1
  • **Sạc ô tô điện** - Pin 60 kWh với giá $0.15/kWh = $9 cho một lần sạc đầy (so với $40 tương đương xăng)

Giao thông & Xe cộ

Xe cộ chuyển đổi năng lượng nhiên liệu thành động năng với tổn thất đáng kể. Xe điện hiệu quả hơn gấp 3 lần so với động cơ đốt trong.

  • **Ô tô xăng** - Hiệu suất 30%; 1 gallon (132 MJ) → 40 MJ công hữu ích, 92 MJ nhiệt
  • **Ô tô điện** - Hiệu suất 85%; 20 kWh (72 MJ) → 61 MJ đến bánh xe, 11 MJ tổn thất
  • **Phanh tái tạo** - Thu hồi 10-25% động năng trở lại pin
  • **Khí động học** - Tăng gấp đôi tốc độ làm tăng gấp bốn lần công suất cần thiết để chống lại lực cản (P ∝ v³)

Công nghiệp & Sản xuất

Công nghiệp nặng chiếm ~30% lượng năng lượng sử dụng toàn cầu. Hiệu quả quy trình và thu hồi nhiệt thải là rất quan trọng.

  • **Sản xuất thép** - ~20 GJ mỗi tấn (5.500 kWh); lò hồ quang điện sử dụng phế liệu và ít năng lượng hơn
  • **Luyện nhôm** - ~45-55 GJ mỗi tấn; đó là lý do tại sao tái chế tiết kiệm 95% năng lượng
  • **Trung tâm dữ liệu** - ~200 TWh/năm trên toàn cầu (2020); PUE (Hiệu quả sử dụng điện) đo lường hiệu quả
  • **Sản xuất xi măng** - ~3-4 GJ mỗi tấn; chiếm 8% lượng khí thải CO₂ toàn cầu

Hệ thống Năng lượng Tái tạo

Năng lượng mặt trời, gió và thủy điện chuyển đổi năng lượng môi trường thành điện năng. Hệ số công suất và tính không liên tục định hình việc triển khai.

  • **Tấm pin mặt trời** - Hiệu suất ~20%; 1 m² nhận ~1 kW ánh nắng cao điểm → 200W × 5 giờ nắng/ngày = 1 kWh/ngày
  • **Hệ số công suất tuabin gió** - 25-45%; tuabin 2 MW × 35% CF = 6.100 MWh/năm
  • **Thủy điện** - Hiệu suất 85-90%; 1 m³/s rơi từ độ cao 100m ≈ 1 MW
  • **Hiệu suất hai chiều của pin lưu trữ** - 85-95%; tổn thất dưới dạng nhiệt trong quá trình sạc/xả

Ứng dụng Khoa học & Vật lý

Từ máy gia tốc hạt đến nhiệt hạch laser, nghiên cứu vật lý hoạt động ở các thái cực năng lượng.

  • **Máy gia tốc hạt lớn (LHC)** - 362 MJ được lưu trữ trong chùm tia; va chạm proton ở 13 TeV
  • **Nhiệt hạch laser** - NIF cung cấp ~2 MJ trong nano giây; đạt điểm hòa vốn vào năm 2022 (~3 MJ đầu ra)
  • **Đồng vị y tế** - Máy gia tốc cyclotron tăng tốc proton đến 10-20 MeV để chụp ảnh PET
  • **Tia vũ trụ** - Hạt năng lượng cao nhất được phát hiện: ~3×10²⁰ eV (~50 J trong một proton!)

Danh mục Đơn vị

Hệ mét (SI)

Đơn vịKý hiệuJouleGhi chú
jouleJ1Đơn vị năng lượng cơ bản của hệ SI.
kilojoulekJ1,0001.000 J; tiện dụng trong dinh dưỡng.
megajouleMJ1,000,0001.000.000 J; quy mô thiết bị/công nghiệp.
gigajouleGJ1.000e+91.000 MJ; công nghiệp/kỹ thuật lớn.
microjouleµJ0.000001Microjoule; cảm biến và xung laser.
millijoulemJ0.001Millijoule; các xung nhỏ.
nanojoulenJ0.000000001Nanojoule; các sự kiện năng lượng vi mô.
terajouleTJ1.000e+121.000 GJ; giải phóng năng lượng rất lớn.

Hệ đo lường Anh / Mỹ

Đơn vịKý hiệuJouleGhi chú
đơn vị nhiệt của AnhBTU1,055.06Đơn vị nhiệt Anh; HVAC và sưởi ấm.
BTU (IT)BTU(IT)1,055.06Định nghĩa IT BTU (≈ giống như BTU).
BTU (hóa nhiệt)BTU(th)1,054.35Định nghĩa BTU nhiệt hóa.
foot-pound forceft·lbf1.35582Foot‑pound force; công cơ học.
inch-pound forcein·lbf0.112985Inch‑pound force; mô-men xoắn và công.
triệu BTUMBTU1.055e+9Triệu BTU; thị trường năng lượng.
quadquad1.055e+1810¹⁵ BTU; quy mô năng lượng quốc gia.
thermthm105,506,000Tính tiền khí tự nhiên; 100.000 BTU.

Calo

Đơn vịKý hiệuJouleGhi chú
calocal4.184Calo nhỏ; 4.184 J.
Calo (thực phẩm)Cal4,184‘Calorie’ trên nhãn thực phẩm (kcal).
kilocalokcal4,184Kilocalo; Calo thực phẩm.
calo (15°C)cal₁₅4.1855Calo ở 15°C.
calo (20°C)cal₂₀4.182Calo ở 20°C.
calo (IT)cal(IT)4.1868Calo IT (≈4.1868 J).
calo (hóa nhiệt)cal(th)4.184Calo nhiệt hóa (4.184 J).

Điện

Đơn vịKý hiệuJouleGhi chú
kilowatt-giờkWh3,600,000Kilowatt‑giờ; hóa đơn tiện ích và xe điện.
watt-giờWh3,600Watt‑giờ; năng lượng thiết bị.
electronvolteV1.602e-19Electronvolt; năng lượng hạt/photon.
gigaelectronvoltGeV1.602e-10Gigaelectronvolt; vật lý năng lượng cao.
gigawatt-giờGWh3.600e+12Gigawatt‑giờ; lưới điện và nhà máy.
kiloelectronvoltkeV1.602e-16Kiloelectronvolt; tia X.
megaelectronvoltMeV1.602e-13Megaelectronvolt; vật lý hạt nhân.
megawatt-giờMWh3.600e+9Megawatt‑giờ; các cơ sở lớn hơn.

Nguyên tử / Hạt nhân

Đơn vịKý hiệuJouleGhi chú
đơn vị khối lượng nguyên tửu1.492e-10Năng lượng tương đương 1 u (qua E=mc²).
năng lượng HartreeEₕ4.360e-18Năng lượng Hartree (hóa học lượng tử).
kiloton TNTktTNT4.184e+12Kiloton TNT; năng lượng nổ lớn.
megaton TNTMtTNT4.184e+15Megaton TNT; năng lượng nổ rất lớn.
hằng số RydbergRy2.180e-18Năng lượng Rydberg; quang phổ học.
tấn TNTtTNT4.184e+9Tấn TNT; tương đương chất nổ.

Khoa học

Đơn vịKý hiệuJouleGhi chú
thùng dầu tương đươngBOE6.120e+9Tương đương thùng dầu ~6.12 GJ (xấp xỉ).
foot khối khí tự nhiêncf NG1,055,060Feet khối khí tự nhiên ~1.055 MJ (xấp xỉ).
dyne-centimetdyn·cm0.0000001Dyne‑cm; 1 dyn·cm = 10⁻⁷ J.
ergerg0.0000001Năng lượng CGS; 1 erg = 10⁻⁷ J.
mã lực-giờhp·h2,684,520Mã lực‑giờ; cơ khí/động cơ.
mã lực-giờ (hệ mét)hp·h(M)2,647,800Mã lực‑giờ hệ mét.
nhiệt ẩn của hơi nướcLH2,257,000Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ≈ 2.257 MJ/kg.
năng lượng PlanckEₚ1.956e+9Năng lượng Planck (Eₚ) ≈ 1.96×10⁹ J (thang đo lý thuyết).
tấn than tương đươngTCE2.931e+10Tương đương tấn than ~29.31 GJ (xấp xỉ).
tấn dầu tương đươngTOE4.187e+10Tương đương tấn dầu ~41.868 GJ (xấp xỉ).

Câu hỏi Thường gặp

Sự khác biệt giữa kW và kWh là gì?

kW là công suất (tốc độ). kWh là năng lượng (kW × giờ). Hóa đơn sử dụng kWh.

Calo (Calories) có giống kcal không?

Có. ‘Calorie’ thực phẩm bằng 1 kilocalo (kcal) = 4.184 kJ.

Làm thế nào để ước tính chi phí thiết bị?

Năng lượng (kWh) × giá cước (mỗi kWh). Ví dụ: 2 kWh × $0.20 = $0.40.

Tại sao có nhiều định nghĩa về calo?

Các phép đo lịch sử ở các nhiệt độ khác nhau đã dẫn đến các biến thể (IT, nhiệt hóa). Đối với dinh dưỡng, hãy sử dụng kcal.

Khi nào tôi nên sử dụng eV thay vì J?

eV là đơn vị tự nhiên cho quy mô nguyên tử/hạt. Chuyển đổi sang J cho các bối cảnh vĩ mô.

Hệ số công suất là gì?

Sản lượng năng lượng thực tế theo thời gian chia cho sản lượng nếu nhà máy chạy ở công suất tối đa 100% thời gian.

Danh Mục Công Cụ Toàn Diện

Tất cả 71 công cụ có sẵn trên UNITS

Lọc theo:
Danh mục: