Енергетичний посібник для студента з екологічних наук AP - Правління Центрального коледжу AP
Системи вимірювання
У світі загальновживаними є дві системи вимірювання: Звичайна система Сполучених Штатів (USCS, яка раніше називалась британською системою) футів, фунтів та секунд у повсякденному використанні в Сполучених Штатах та метрична система лічильників, кілограми та секунди, що використовуються скрізь. У 1960 р. Метрична система була прийнята міжнародним комітетом у Парижі як світовий стандарт науки і тепер її називають Système International або SI. США - єдина велика країна, яка все ще використовує британську систему вимірювання (навіть Великобританія стала метричною!), Але ця система добре вкорінилася в американському суспільстві і навряд чи вона зможе скоро загинути. Підмножиною метричної системи є система сантиметрових грам-секунд (cgs), яка зазвичай використовується в атомній фізиці та хімії.
Усі фізичні величини, такі як швидкість, прискорення, сила, імпульс та енергія, в кінцевому рахунку можуть бути виражені в трьох основних одиницях довжини, маси та часу. Ці три величини позначаються як фундаментальні одиниці оскільки вони можуть бути використані для визначення всіх інших елементів у певній системі вимірювання. У таблиці нижче узагальнено основні одиниці для трьох загальних систем вимірювання.
| метр | кілограм | друге |
| сантиметр | грам | друге |
| стопа | слизень | друге |
Тому що одиниця маси слизень є рідкістю, USCS називається системою фут-фунт-секунда (fps), але, строго кажучи, фунт (lb) є одиницею сили, а не масою. І навпаки, в системі СІ одиниця маси кілограма часто використовується для вираження сили (сили тяжіння), як, наприклад, у вазі людини. У цьому сенсі зручним коефіцієнтом перерахунку між системами є використання “вагового еквівалента” 2,2 фунта на 1 кг маси.
Робота та енергія
Фізики визначають енергію як "здатність виконувати роботу", але в певному сенсі це викликає питання, оскільки сама робота все ще не визначена. Термін "робота" у фізиці визначається як сила, помножена на відстань, через яку діє сила. Таким чином, ми отримуємо уявлення про те, що енергія - це властивість, яка дозволяє переміщати предмети з одного місця в інше і тим самим виконувати певну фізичну працю або «роботу». Сама енергія може проявлятися у різних формах - наприклад, сонячна енергія, електрична енергія, хімічна енергія, теплова енергія та ядерна енергія, - але суть у тому, що всі форми можна використовувати для роботи. Таким чином, усі одиниці енергії в кінцевому підсумку повинні бути зведені до робочих - тобто сила х відстань. З закону Ньютона ми знаємо, що сила - це маса х прискорення. Отже, продовжуючи наведену таблицю, ми маємо:
| Ньютон | кг | м/с 2 |
| дина | грам | см/с 2 |
| фунт | слизень | фут/с 2 |
І нарешті, у нас є таблиця енергії:
| джоуль | Ньютон | метр |
| ерг | дина | см |
| фут-фунт | фунт | футів |
Зверніть увагу, що хоч ньютон і джоуль названі для осіб, вони не пишуться з великих літер, коли їх використовують як одиницю виміру. Однак відповідні символи (N та J) пишуться з великих літер при незалежному використанні.
Ньютон
Одиниця сили СІ, ньютон (N), звичайно, названа на честь Ісаака Ньютона. З вищесказаного ми бачимо, що 1 Н = 1 кг-м/с 2, що еквівалентно приблизно 0,225 фунтів. Зверніть увагу, що 1 Н не дорівнює вазі 1 кг.
Джоуль
Подібно до одиниці сили, джоуль (J) названий на честь сера Джеймса Прескотта Джоуля, відомого британського вченого XIX століття, який провів багато точних енергетичних експериментів. Один джоуль - це обсяг роботи, виконаної силою одного ньютона, що діє на відстань один метр. З практичної, повсякденної точки зору джоуль - це відносно невелика кількість енергії, але його найчастіше використовують у науковій роботі. Наприклад, вміст енергії в одній великій пампушці становить близько 10 6 джоулів.
Калорія
Шляхом розумно розроблених експериментів зі шківами, гирями, лопатями та точно виміряними температурами у ємностях з водою Джоуль переконливо продемонстрував еквівалентність між механічною енергією та теплом. До цього часу люди думали, що тепло - це якась ефемерна властивість матеріалів, як рідина, яка виділяється, коли тверді предмети розбиваються на менші шматки. Вони назвали це майно калорійний, від якого термін калорійність є похідною. Джоуль показав, що тепло і механічна енергія еквівалентні, і його ретельні виміри дали нам те, що ми сьогодні називаємо "механічним еквівалентом тепла":
1 калорія = 4,186 джоуля.
Можна пам’ятати, що одна калорія - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури одного грама води на один градус Цельсія. Одна кілокалорія збільшить температуру 1 кг води на стільки ж. Кілокалорію іноді називають «великою» калорією і записують з великою С, а саме - калорією. Очевидно, що ця практика має великий потенціал для плутанини, тому читач повинен бути постійно пильним про намір письменника, говорячи про калорії. Щоб ще більше заплутати проблему, калорії в їжі - це завжди “великі” калорії. Таким чином, якщо говорити про 100 калорій в скибочці хліба, наприклад, мається на увазі, що 100 кілокалорій або 4,186 х 10 5 Дж буде виділено через спалювання висушеної біомаси.
Вміст енергії у паливі вимірюється шляхом спалення їх до виснаження та уловлювання тепла, що виділяється. Це тепло може передаватися, скажімо, у ємність з водою, де вимірюється підвищення температури. Знання того, що для підвищення температури води потрібна одна калорія на грам, дозволяє визначити вміст енергії в паливі з точки зору калорій. Потім це число можна перетворити в інші енергетичні одиниці, використовуючи коефіцієнт перетворення Джоуля.
Btu
Ще однією популярною одиницею теплової енергії є Btu (британська теплова одиниця). Один Btu - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури одного фунта води на один градус за Фаренгейтом. Використовуючи коефіцієнт перерахунку 2,2 фунта/кг та 1,8 F °/C °, та еквівалент Джоуля, ми знаходимо, що:
1 Btu = 252 кал = 105 5 Дж.
Один Btu - це приблизно кількість тепла, що виділяється при спалюванні однієї великої кухонної сірники.
Btus зазвичай використовують у Сполучених Штатах для оцінки водонагрівачів, печей та кондиціонерів. Наприклад, типовий побутовий водонагрівач на природному газі може оцінюватись у 40 000 Btu/h, а піч удвічі більше, або 80 000 Btu/h. Ці цифри, звичайно, дають швидкість, з якою пальники цих агрегатів можуть виробляти тепло. Значення нагрівання палива часто вказуються в Btus на одиницю ваги. Наприклад, вугілля має типову теплоту 25 млн. Бту/т, а нафта 37 млн. Бту/т.
Терма
Газові компанії в США часто вимірюють продажі в термінах "теплові одиниці" або термі. Один терм визначається як 100 000 Btu, а природний газ при нормальній температурі та тиску має теплову величину 1030 Btu/ft 3. Таким чином, один терм майже дорівнює 100 кубічним футам природного газу: