Единицы измерения энергии

Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Существуют следующие  единицы измерения энергии:

• Британская термическая единица
• Джоуль
• Калория
• Киловар-час
• Киловатт-час
• Килограмм-сила-метр
• Планковская масса
• Планковская энергия
• Тротиловый эквивалент
• Электронвольт
• Эрг

-  Британская термическая единица

Британская тепловая единица (британская термическая единица, BTU, англ. British thermal unit) — единица измерения энергии, используемая в США.  В настоящее время используется в основном для обозначения мощности тепловых установок, в других сферах её заменила единица СИ джоуль. Она определяется как количество тепла, необходимое для того, чтобы поднять температуру 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта.  Существует несколько  альтернативных определений BTU различающихся  по температуре воды, из-за чего  значение BTU в разных определениях  может отличаться на величину  до 0,5 %.

          Соотношения с другими единицами измерений

1 BTU равен:

• 1054—1060 джоулей
• 252—253 калорий

Наиболее известным примером использования данной единицы является использование связанной единицы BTU/час (BTU/h). Данными единицами маркируется вся продаваемая в нашей стране бытовая техника, предназначенная для кондиционирования.

- Джоуль

Джоуль был введён на Втором международном конгрессе электриков, проходившем в год смерти Джеймса Джоуля (1889г.), в абсолютные практические электрические единицы в качестве единицы работы и энергии электрического тока.

Международная конференция  по электрическим единицам и эталонам (в Лондоне, 1908г.) установила «международные» электрические единицы, в том числе «международный Джоуль». После возвращения с 1 января 1948 г. к абсолютным электрическим единицам было принято соотношение: 1 международный Джоуль = 1,00020 абсолютного Джоуля.

В других системах единиц:

• 1 Дж = 1 кг·м²/с² = 1 Н·м = 1 Вт·с.
• 1 Дж ≈ 6,2415×1018 эВ.
• 1 000 000 Дж ≈ 0,277(7) кВт·ч.
• 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж ≈ 859 845 калорий.
• 1 кВт·с = 1 000 Дж.
• 1 Дж ≈ 0,238846 калорий.
• 1 калория = 4,1868 Дж.
• 1 термохимическая калория = 4,1840 Дж.

Ещё одно использование британской тепловой единицы — котировки цен на топливо (как правило, на англо-американских рынках). Один баррель нефти содержит 5,825×106 BTU. Один кубический метр природного газа содержит 35 800 BTU.

- Калория

Калория (кал, cal) — внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 К при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа. В зависимости от принимаемой эталонной температуры воды, существует несколько слегка различных определений калории.

Энергетическая ценность продуктов питания обозначается в килокалориях (обозначение: ккал).

1 калм = 4,1868 Дж (1 Дж ≈ 0.2388459 калм) Международная калория, 1956 г.

1 калт = 4,184 Дж (1 Дж = 0.23901 калт) Термохимическая калория

Питательное  вещество	Кило-  калорий  на грамм
Углеводы	4
Белки	4
Жиры	9
Спирт	7

1 кал15 = 4,18580 Дж (1 Дж = 0.23890 кал15) Калория при 15 °C

       

 

 

 

 

 

Ранее калория широко использовалась для измерения энергии, работы и  теплоты. Но в настоящее время  она используется главным образом  лишь для оценки энергетической ценности («калорийности») пищевых продуктов. Обычно энергетическая ценность указывается в килокалориях («ккал»).

Производная от калории единица  измерения количества тепловой энергии — гигакалория (Гкал) (109 калорий) используется для оценки в теплоэнергетике, системах отопления, коммунальном хозяйстве. Так же для этих целей используется производная единица Гкал/час (гигакалория в час), характеризующая количество теплоты произведённой или использованной тем или иным оборудованием за единицу времени. Данная величина эквивалентна тепловой мощности.

Под калорийностью пищи подразумевается  количество энергии, которое получает организм при полном её усвоении. Чтобы  определить полную энергетическую ценность пищи, её сжигают в калориметре  и измеряют тепло, выделяющееся в  окружающую его водяную баню. Аналогично измеряют и расход энергии человеком: в герметичной камере калориметра измеряют выделяемое человеком тепло и переводят его в «сожжённые» калории - таким образом можно узнать физиологическую энергетическую ценность пищи. Подобным способом можно определить расход энергии на жизнедеятельность и активность для любого человека. Искусственные жиры (маргарины) и жиры морепродуктов имеют эффективность 4-8,5 ккал/г, поэтому можно примерно узнать их долю в общем количестве жиров.

Ранее были распространены термины «малая калория» (соответствует  современной калории) и «большая калория» (соответствует современной  килокалории).

    - Киловар-час

Киловар-час (кВар·ч) — внесистемная единица измерения энергии. Используется в народном хозяйстве для измерения потребления энергии на переходные процессы в нагрузке, имеющей емкостную и индуктивную составляющие.

Потребление реактивной мощности от энергоснабжающей организации нецелесообразно, так как приводит к увеличению требуемой мощности генераторов, трансформаторов, сечения подводящих кабелей (снижение пропускной способности), а также повышению активных потерь и падению напряжения (из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети). Поэтому реактивную мощность необходимо получать (генерировать) непосредственно у потребителя.

Для учёта реактивного  потребления энергии используют специальные счётчики, которые способны отдельно его учитывать.

- Киловатт-час

Киловатт-час (кВт·ч) — внесистемная единица измерения работы или количества произведенной энергии. Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту, народном хозяйстве и для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике.

Киловатт-час равен количеству энергии, потребляемой устройством мощностью один киловатт в течение одного часа. Отсюда :

• 1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3,6 МДж.

- Килограмм-сила-метр

Килограмм-сила-метр (кГм) — единица энергии и работы  МКГСС системы единиц.

1 кГм — работа, совершаемая силой 1 кгс при перемещении точки приложения этой силы на расстояние 1 метр по её направлению.

• 1 кГм = 9,80665 Дж.

-Масса  Планка 

Масса Планка — единица массы в планковской системе, обозначается MP. Частица с такой массой имеет одинаковые радиус Шварцшильда и комптоновскую длину волны

≈ 1,2209×1019 ГэВ/c² = 2,176×10−8 кг.

На 2006 год рекомендованное международным комитетом CODATA значение массы Планка равно 2,176 44(11)×10−8 кг.

В физике элементарных частиц и космологии используется величина

≈ 4,340 мкг = 2,43×1018 ГэВ/c²,

которая называется редуцированной массой Планка. Коэффициент  позволяет упростить некоторые формулы.

В отличие от большинства  других планковских величин, масса Планка близка к привычным для человека масштабам: так, блоха имеет массу от 4000 до 5000 MP.

Гипотетическая частица, масса которой равна планковской массе, называется максимон.

   - Планковская энергия

Планковская энергия — физическая константа, численно равная планковской массе, умноженной на квадрат скорости света. В естественной системе единиц планковская энергия является единицей измерения энергии. Обозначается EP.

1,956×109 Дж 1,22×1019 ГэВ 543,3 кВт·ч.

- Тротиловый  эквивалент 

Тротиловый эквивалент —  мера энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженная в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.

Удельная энергия взрывчатого разложения тринитротолуола в зависимости от условий проведения взрыва варьируется в диапазоне 980—1100 кал/г. Для сравнения различных видов взрывчатых веществ условно приняты значения 1000 кал/г и 4184 Дж/г.

1 грамм тринитротолуола выделяет 1000 термохимических калорий, или 4184 джоулей;

1 килограмм ТНТ = 4,184×106 Дж;

1 тонна ТНТ = 4,184×109 Дж;

1 килотонна (кт) ТНТ = 4,184×1012 Дж;

1 мегатонна (Мт) ТНТ = 4,184×1015 Дж;

1 гигатонна (Гт) ТНТ = 4,184×1018 Дж.

Эти единицы используются для оценки энергии, выделенной при ядерных взрывах, подрывах химических взрывчатых устройств, падениях астероидов и комет, взрывах вулканов.

Так, энергия взрыва ядерной бомбы «Малыш» над Хиросимой 6 августа 1945 года по разным оценкам составляет от 13 до 18 кт ТНТ, что соответствует полной конверсии в энергию приблизительно 0,7 г массы (E = mc² = 0,0007 · (3×108)2).

- Электронвольт

Электронвольт (сокращённо эВ или eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U — разность потенциалов), а заряд электрона составляет −1,602 176 487(40)×10−19 Кл, то

1 эВ = 1,602 176 487(40)×10−19 Дж = 1,602 176 487(40)×10−12 эрг.

Как правило, через электронвольт выражается и масса элементарных частиц (исходя из эквивалентности массы и энергии Е = mc²). 1 эВ/c² = 1,782 661 758(44)×10−36 кг, и напротив, 1 кг = 5,609 589 12(14)×1035 эВ/c². 1 атомная единица массы равна 931,4 МэВ/c².

В температурных единицах 1 эВ соответствует 11 604,505(20) кельвин.

В химии часто используется молярный эквивалент электронвольта. Если один моль электронов перенесён между точками с разностью потенциалов 1 В, он приобретает (или теряет) энергию 96 485,3383(83) Дж, равную произведению 1 эВ на число Авогадро. Эта величина численно равна постоянной Фарадея.

В электронвольтах измеряется также ширина распада элементарных частиц и других квантовомеханических состояний, например ядерных энергетических уровней. Ширина распада — это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни состояния τ соотношением неопределённостей: ( ). Частица с шириной распада 1 эВ имеет время жизни 6,582 118 89(26)×10−16 с. Напротив, квантовомеханическое состояние с временем жизни 1 с имеет ширину 4,135 667 33(10)×10−15 эВ.

Кратные и дольные единицы

В ядерной физике обычно используются величины кило- (103), мега- (106) и гига- (109) электронвольт. В зонной теории твердого тела и физике полупроводников — миллиэлектронвольты.

Некоторые значения энергии в электронвольтах

Тепловая энергия поступательного  движения одной молекулы при комнатной  температуре	0,025 эВ
Энергия ионизации атома водорода	13,6 эВ
Энергия электрона в лучевой  трубке телевизора	Порядка 20 кэВ
Энергии космических лучей	1 МэВ — 1000 ТэВ
Типичная энергия ядерного распада:
альфа-частицы	2-10 МэВ
бета-частицы и гамма-лучи	0-20 МэВ
Массы (покоя) частиц:
Нейтрино	0,2 - 2 эВ
Электрон	0,510998910(13) МэВ
Протон	938,272013(23) МэВ
Планковская масса:
	≈ 1,2209×1019 ГэВ