Какие единицы применяются для измерения энергии

\[1\ Дж=1\ Н\cdot 1\ м.\]

Джоуль не является основной единицей системы СИ. Через основные единицы джоуль легко выразить, используя механическое определение работы и единицы измерения соответствующих величин:

Такую же размерность можно получить, если использовать определение энергии вида:

где $c$ — скорость света; $m$ — масса тела. Исходя из выражения (2), имеем:

И так, мы убедились, что джоуль — единица измерения энергии. Насколько велик джоуль можно понять, если решить простую задачу: тело массой 2 кг движется со скоростью 1$\frac<м><с>$ , какова его кинетическая энергия? Вычислим кинетическую энергию ($E_k$) нашего тела используя ее определение:

Единицы измерения энергии в других системах единиц

В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) энергия (и работа) измеряются в эргах (эрг). При этом одни эрг равен:

\[1\ эрг=1\ дин\cdot 1\ см.\]

В технических расчетах встречается такая единица измерения энергии как килограммометр (кгм) или килограмм силы (кгс) на метр (м): (кгсм). При этом считают, что:

\[1кгсм=1\ кгс\cdot 1\ м=9,81\ Дж.\]

При расчетах тепла часто в качестве единицы измерения энергии используют калорию. Калорию определяют как:

Гигакалорию (Гкал) применяют в теплоэнергетике, коммунальных хозяйствах, система отопления.

Энергию можно выражать в киловатт часах:

\[1\ кВт\cdot ч=3,6\cdot <10>^5Дж.\]

В основном данную единицу измерения используют в электроэнергетике.

В атомной и квантовой физике применяют такую единицу измерения энергии как электрон-вольт (эВ). При этом полагают, что:

Электрон — вольт — это энергия, которую приобретает частица, имеющая элементарный заряд (заряд электрона), если она перемещается между точками поля разность которых 1 В:

Примеры задач с решением

Задание. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании древесного угля, масса которого составляет $m=$1 кг. Переведите полученный ответ в калории.

Решение. Количество теплоты $(Q)$, выделяемое при сгорании угля, найдем, используя формулу:

где $r=2,7\cdot <10>^7\frac<Дж><кг>$ — удельная теплота сгорания древесного угля. Можно проводить вычисления:

\[Q=2,7\cdot <10>^7\cdot 1=2,7\cdot <10>^7\left(Дж\right).\]

Задача решена в системе СИ. Используя соотношение:

переведем полученный результат в калории:

Ответ. $Q=6,4\cdot <10>^7$ кал

Задание. Вычислите количество энергии необходимое для превращения $m=$100 г воды в пар при температуре, равной $t=$1000С. Запишите ответ в СГС.

Решение. Энергия $\(E)$, необходимая для перехода жидкости в пар равна количеству теплоты (Q), которое должно получить масса этого вещества при парообразовании:

Теплоту парообразования найдем как:

\[Q=\lambda m\ \left(2.2\right),\]

где $\lambda =2,3\cdot <10>^6\frac<Дж><кг>$ — удельная теплота парообразования воды. Вычислим искомую энергию, учитывая (2.1) и (2.2):

\[E=2,3\cdot <10>^6\cdot 0,1=2,3\cdot <10>^5\left(Дж\right).\]

Эрг — единица измерения энергии в системе СГС, при этом:

Ответ. $E=2,3\cdot <10>^ <12>эрг$

Источник

Понятие энергии, единицы измерения

Тема 2. Энергия и энергоресурсы

С понятием энергия человек сталкивается постоянно и подчас не задумывается о глубоком смысле. Энергия определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В соответствии с разнообразием форм движения и различают механическую, тепловую, электрическую, ядерную, химическую и другие виды энергии.

В соответствии с законом сохранения, открытым М.В. Ломоносовым, энергия не теряется, а сохраняется и преобразуется в другие виды энергии.

Поэтому энергия является тем стержнем, который связывает воедино все процессы и явления материального мира. Для объектов энергетики энергетический анализ является основным инструментом исследования процессов преобразования энергии с проверкой на каждом этапе технологического процесса выполнения условия баланса энергии. В процессе преобразования часть энергии может изменять свой вид, что часто усложняет количественный учет и проверку баланса.

Именно потребности измерений энергии на заре развития электротехники стимулировали активное обсуждение на международных выставках 1851 года в Лондоне и 1855 года в Париже необходимости введения единой системы мер и весов. На I Международном конгрессе электриков, состоявшемся в 1881 году, был предложен проект полной системы единиц СГС, в основу которой были положены сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени. Но применение этой системы в инженерных расчетах создавало определенные трудности из-за малости основных единиц. В 1918 году во Франции, а в 1927 году и в СССР была принята система единиц МТС на основе метра, тонны и секунды. Однако и она оказалась неудобной, но уже из-за другой крайности.

В октябре 1960 года XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила проект единой системы единиц, над которым специальная комиссия работала с 1954 года. Эта система стала известна под наименованием Международная система единиц СИ. В 1961 году в СССР был утвержден ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», которым устанавливалось предпочтительное применение единиц СИ во всех областях науки, техники, образования и народного хозяйства.

Основными единицами СИ являются семь следующих единиц: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ампер, температуры – кельвин, количества вещества – моль, силы света – кандела.

Кроме основных единиц в состав СИ вводится большое число производных величин, определяемых по отраслям науки и техники. Ниже в табл. 3 приведены производные единицы СИ, которые применяются в электротехнике.

Таким образом, несмотря на разнообразие видов энергии все они измеряются в джоулях. Для механической работы, например, один джоуль определяется работой, выполненной единицей силы на пути в один метр, т.е. 1Дж=1Н·1м.

Производные единицы системы СИ Таблица 3

Наряду с единицами системы СИ и их производными в специальных областях, в том числе и в энергетике, допускается применение единиц измерения из других систем и даже внесистемных единиц. Так, например, в энергетике для измерения тепловой энергии часто используется калория, имеющая простой физический смысл: за 1 калорию принимается такое количество теплоты, которое повышает температуру 1 грамма воды на 1 градус. Эта единица может рассматриваться как теплоемкость воды, равная 1 кал/(г·град). Из физики известно соотношение калории и джоуля

Для измерения электрической энергии повсеместно используется внесистемная единица кВт·ч. Соотношение между кВт·ч и джоулем можно получить используя системную единицу мощности – 1 Ватт:

1 кВт·ч = 10 3 Вт ·3600 с =3,6 ·10 6 Дж.

Учитывая предыдущее соотношение можно определить связь между единицами измерения электрической и тепловой энергии

1 кВт·ч = 3,6·10 6 /4187=860 ккал.

Для измерения больших объемов энергии, имеющих промышленное значение, а также больших и малых значений других физических величин используются приставки кратных и дольных единиц, основные из которых с шагом 1000 перечислены в табл. 4.

Приставки кратных и дольных единиц Таблица 4

Применение полученных представлений об энергии и единицах измерения позволяет решать некоторые практические задачи по оценке важнейших технико-экономических показателей, которые характеризуют процессы получения и преобразования энергии с использованием в качестве первичных энергоресурсов органического топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания, измеряемая в кДж/кг или в ккал/кг и определяющая количество тепловой энергии выделяемой при сгорании 1 кг натурального топлива. Для объективной оценки эффективности процессов выработки энергии на объектах, которые работают на разных видах топлива, вводят понятие условного топлива (у.т.), имеющего фиксированную теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг.

При решении задач будет использоваться понятие коэффициента полезного действия (КПД) как отношения полезной энергии к полной затраченной, и удельного расхода топлива, т.е. расходуемого на единицу полезно отпущенной энергии.

Задача № 2.1.

Сколько воды можно нагреть от температуры t_o=20 0 C до кипения на электроплите при расходе электроэнергии W= 1 кВт·ч , если установка работает с КПД 0=50 %.

Источник

Единицы измерения энергии

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 30 Января 2013 в 01:08, доклад

Описание

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

Работа состоит из 1 файл

Энергия.docx

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

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 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 (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

Кило-
калорий
на грамм

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 (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 (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 :

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.

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 — 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 — 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 (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 Д ж = 1,602 176 487(40)×10−12 эр г.

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

Энергия ионизации атома водорода

Энергия электрона в лучевой трубке телевизора

Источник