Sisteme de măsurare

Există două sisteme de măsurare utilizate în mod obișnuit în lume: Sistemul obișnuit al Statelor Unite (USCS, numit anterior sistemul britanic) de picioare, kilograme și secunde, în utilizarea de zi cu zi în Statele Unite și sistemul metric de metri kilograme și secunde, utilizate peste tot. În 1960, sistemul metric a fost adoptat de un comitet internațional la Paris ca standard mondial pentru știință și este acum denumit System International sau SI. SUA. este singura țară majoră care încă folosește sistemul britanic de măsurare (chiar și Marea Britanie a devenit metrică!), dar acest sistem este bine înrădăcinat în societatea americană și este puțin probabil să vadă o dispariție timpurie. Un subset al sistemului metric este sistemul centimetru-gram-secundă (cgs) care este frecvent utilizat în fizica și chimia atomică.

studentul

Toate mărimile fizice, cum ar fi viteza, accelerația, forța, impulsul și energia, în cele din urmă pot fi exprimate în termeni de trei unități de bază de lungime, masă și timp. Aceste trei cantități sunt denumite unități fundamentale deoarece pot fi utilizate pentru a defini toate celelalte elemente dintr-un anumit sistem de măsurare. Tabelul de mai jos rezumă unitățile fundamentale pentru cele trei sisteme comune de măsurare.

Durata masei sistemului SI (mks) SI (cgs) USCS (fps)
metru kilogram al doilea
centimetru gram al doilea
picior melc al doilea

Deoarece unitatea de masă melc este neobișnuit, USCS este denumit sistemul picior-lire-secundă (fps), dar strict vorbind, lira (lb) este o unitate de forță, nu masă. În schimb, în ​​sistemul SI unitatea de masă a kilogramului este adesea utilizată pentru a exprima forța (gravitațională), ca și în greutatea unei persoane, de exemplu. În acest sens, un factor de conversie convenabil între sisteme este utilizarea „echivalentului în greutate” de 2,2 lbs pentru o masă de 1 kg.

Muncă și energie

Fizicienii definesc energia ca „capacitatea de a face muncă”, dar într-un anumit sens, aceasta pune întrebarea, deoarece munca însăși este încă nedeterminată. Termenul „muncă” în fizică este definit ca forță înmulțită cu distanța prin care acționează forța. Astfel, avem ideea că energia este proprietatea care permite omului să mute obiecte dintr-un loc în altul și astfel să realizeze o muncă fizică sau „muncă”. Energia însăși poate apărea într-o varietate de forme - de exemplu, energia solară, energia electrică, energia chimică, energia termică și energia nucleară - dar concluzia este că toate formele pot fi folosite pentru a lucra. Astfel, toate unitățile de energie trebuie să fie în cele din urmă reductibile la cele de lucru - adică forța x distanța. Din legea lui Newton, știm că forța este masă x accelerație. Deci, extinzând tabelul de mai sus, avem:

Forța sistemului = Masa x Accelerația SI (mks) SI (cgs) USCS (fps)
Newton kg m/s 2
pepene gram cm/s 2
livre melc ft/s 2

Și, în cele din urmă, avem masa pentru energie:

Energia sistemului = Forța x Distanța SI (mks) SI (cgs) USCS (fps)
joule Newton metru
erg pepene cm
ft-lb livre ft

Rețineți că, deși newtonul și joule sunt denumite pentru persoane, ele nu sunt valorificate cu majusculă atunci când sunt utilizate ca unitate de măsură. Cu toate acestea, simbolurile corespunzătoare (N și J) sunt majuscule atunci când sunt utilizate independent.

Newton

Unitatea de forță a SI, newtonul (N), este desigur numită în onoarea lui Isaac Newton. Din cele de mai sus, vedem că 1 N = 1 kg-m/s 2, care este echivalent cu aproximativ 0,225 lbs. Rețineți că 1 N nu este egal cu greutatea de 1 kg.

Joule

Similar unității de forță, joul (J) este numit în onoarea lui Sir James Prescott Joule, un renumit om de știință britanic din secolul al XIX-lea care a efectuat multe experimente energetice precise. Un joule este cantitatea de muncă efectuată de o forță de un newton care acționează pe o distanță de un metru. Din punct de vedere practic, de zi cu zi, joul este o cantitate relativ mică de energie, dar este folosit cel mai adesea în lucrările științifice. Conținutul de energie al unei gogoși mari, de exemplu, este de aproximativ 10 6 jouli.

Caloria

Printr-o serie de experimente proiectate inteligent cu scripeți, greutăți, roți cu palete și temperaturi măsurate cu precizie în recipientele de apă, Joule a demonstrat în mod convingător echivalența dintre energia mecanică și căldură. Până în acel moment, oamenii credeau că căldura este un fel de proprietate efemeră a materialelor, ca un fluid, care a fost eliberat atunci când obiectele solide au fost sparte în bucăți mai mici. Au numit această proprietate caloric, din care termenul calorii e derivat. Joule a arătat că căldura și energia mecanică sunt echivalente, iar măsurătorile sale atente ne-au oferit ceea ce ne referim astăzi drept „echivalentul mecanic al căldurii”:

1 calorie = 4.186 jouli.

Vă puteți aminti că o calorie este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă cu un grad Celsius. O kilocalorie ar crește temperatura de 1 kg de apă cu aceeași cantitate. Kilocaloria este uneori denumită o „mare” calorie și scrisă cu un C majuscul, și anume, ca Calorie. Evident, această practică are un potențial mare de confuzie, astfel încât cititorul trebuie să fie permanent alert cu privire la intenția unui scriitor atunci când vorbește despre calorii. Pentru a confunda problema, caloriile alimentare sunt întotdeauna calorii „mari”. Astfel, atunci când se vorbește despre 100 de calorii într-o felie de pâine, de exemplu, implicația este că 100 kilocalorii sau 4.186 x 105 J ar fi eliberate prin arderea biomasei uscate.

Conținutul de energie din combustibili este măsurat prin arderea lor până la epuizare și captarea căldurii care este eliberată. Această căldură poate fi transferată, să zicem, într-un recipient cu apă unde se măsoară creșterea temperaturii. Știind că este necesară o calorie pe gram pentru a crește temperatura apei, atunci se poate determina conținutul de energie al combustibilului în termeni de calorii. Acest număr poate fi apoi convertit în alte unități de energie folosind factorul de conversie al lui Joule.

Btu

O altă unitate populară de energie termică este Btu (unitate termică britanică). Un Btu este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui kilogram de apă cu un grad Fahrenheit. Folosind factorii de conversie de 2,2 lbs/kg și 1,8 F °/C ° și echivalentul lui Joule, constatăm că:

1 Btu = 252 cal = 105 5 J.

Un Btu este aproximativ cantitatea de căldură degajată prin arderea unui chibrit mare de bucătărie.

Btus sunt utilizate în mod obișnuit în Statele Unite pentru a evalua încălzitoarele de apă, cuptoarele și aparatele de aer condiționat. Un încălzitor tipic de apă de uz casnic cu gaz natural, de exemplu, ar putea fi evaluat la 40.000 Btu/h și un cuptor de două ori mai mare, sau 80.000 Btu/h. Aceste cifre, desigur, dau viteza cu care căldura poate fi produsă de arzătoarele acestor unități. Valorile de încălzire pentru combustibili sunt adesea menționate în termeni de Btus pe unitate de greutate. Cărbunele, de exemplu, are o valoare tipică de încălzire de 25 de milioane Btu/tonă, iar petrolul de 37 milioane Btu/tonă.

The Therm

Companiile de gaze din S.U.A. adesea măsoară vânzările în termeni de „unități termice” sau termice. Un term este definit ca 100.000 Btu, iar gazul natural la temperatura și presiunea normale are o valoare termică de 1.030 Btu/ft 3. Astfel, o temperatură este aproape egală cu 100 de metri cubi de gaz natural:

1 term = 105 Btu/1.030 Btu/ft 3 = 97,1 ft 3 ≈ 100 ft 3 .

Companiile de gaze utilizează, de asemenea, terminologia „American Engineering” în locul notării științifice standard SI. În această notație, abrevierile latine ale lui C pentru 100 și M pentru 1000 sunt folosite ca prefixe numerice, dar din cauza potențialei confuzii între notația științifică standard a lui C pentru centi (10 -2) și M pentru mega (10 6), abrevierile tehnice nu sunt de obicei scrise cu majuscule. De exemplu, 1 ccf = 100 de picioare cubice și 1 mcf = 1.000 de picioare cubice, iar un milion de picioare cubice este scris ca 1.000 x 1.000 cf sau 1 mmcf.

Putere

Puterea este termenul care este folosit pentru a descrie fluxul de energie. Puterea este definită ca „timpul de lucru” și este în mod normal măsurată în jouli/secundă. În sistemul SI, unitatea de putere este wattul (W), numit în onoarea lui James Watt, inventatorul mașinii cu abur.

1 watt = 1 joule/secundă.

Nicio unitate separată nu este atribuită puterii în sistemul cgs. În sistemul USCS, puterea este măsurată în unități „practice” de cai putere (CP), unde 1 CP = 550 ft-lbs/s. Acest lucru este echivalent cu 746 de wați, sau aproximativ 0,75 kW.

Poate pentru că majoritatea aparatelor electrice sunt evaluate în funcție de necesitățile lor de putere, puterea și energia sunt adesea confundate atunci când se tratează cu energia electrică. Dar la fel ca atunci când umpleți rezervorul mașinii dvs. la benzinărie, trebuie să plătiți în cele din urmă pentru numărul total de galoane pompate, nu rata cu care l-ați pompat, așa că cu electricitatea plătim pentru numărul total de jouli de energie electrică consumată, nu puterea sau rata la care a fost livrat.

În SUA, energia electrică este de obicei măsurată în termeni de kilowați-oră (kWh), deoarece aceasta este o unitate practică atât pentru compania de utilități, cât și pentru client. Relația dintre kilowați-oră și jouli este ușor de determinat:

1 kWh = 1.000 J/s x 3.600 s = 3.6 x 10 6 J.

Din nou, vedem cât de mic este un joule în termeni practici. Un kWh este energia necesară pentru alimentarea a zece becuri de 100 de wați timp de o oră. Casa medie din S.U.A. folosește aproximativ 10.000 kWh de energie electrică pe an.

Centrale electrice

Centralele electrice de electricitate sunt evaluate în funcție de capacitatea lor de a furniza energie electrică. De exemplu, o centrală mare pe bază de cărbune sau nucleară ar putea fi evaluată la 1.000 MWe (megawați). Indicele „e” de pe W înseamnă „electric” și este un semnal că ratingul este pentru capacitatea de „ieșire” a centralei, nu pentru intrarea de energie. Energia de intrare este de obicei măsurată în funcție de valoarea de încălzire a combustibilului - Btus pentru cărbune, de exemplu. Dacă instalația funcționează cu, să zicem, o eficiență de 40%, atunci puterea de energie necesară pentru o astfel de instalație poate fi calculată după cum urmează:

Dacă această energie este furnizată de cărbune cu o valoare de încălzire de 25 x 106 Btu/tonă, atunci cărbunele ar trebui introdus la o rată de:

Funcționând la capacitate maximă 24 de ore pe zi, o astfel de uzină ar consuma aproximativ trei milioane de tone de cărbune pe an.

Energie solara

O altă utilizare valoroasă a energiei în analizele de mediu se referă la energia solară. Soarele, desigur, furnizează energie radiantă pentru toată viața de pe pământ, iar viteza cu care se primește această energie este denumită fluxul solar, reprezentând puterea pe unitate de suprafață primită într-o locație dată. În poziția orbitei Pământului, acest număr este de aproximativ 1.400 W/m 2 și este denumit constanta solara. Aceasta înseamnă că un panou plat de 1 m plasat în afara atmosferei Pământului și orientat perpendicular pe razele solare ar primi 1.400 de juli pe secundă de energie solară.

Atmosfera absoarbe aproximativ jumătate din această energie, astfel încât 700 W/m 2 este aproximativ cantitatea maximă care ajunge pe Pământ într-o zi fierbinte de vară la tropice. În medie, zi și noapte pentru toate anotimpurile și toate latitudinile, aceasta este redusă în continuare la aproximativ 240 W/m 2 ca radiație solară medie primită la suprafața Pământului. Acoperirea cu nori și alți factori reduc aceste cifre și mai mult. În SUA, de exemplu, Tucson, Arizona, se bucură de un flux solar mediu anual de 250 W/m 2, dar Cleveland primește doar 160 W/m 2. Evident, astfel de numere au implicații pentru meritele încălzirii și răcirii solare, precum și creșterii biomasei în diferite locații.

rezumat

Deoarece energia joacă un rol fundamental în toate problemele de mediu, trebuie să se familiarizeze într-un stadiu incipient cu conceptele și terminologia energiei. De asemenea, omul de știință în domeniul mediului trebuie să se obișnuiască cu termeni specializați care sunt folosiți în diferite discipline și industrii. Compania de gaze nu va converti picioare cubice în Btus pentru dvs., la fel cum compania electrică nu va converti kWh în jouli. Este responsabilitatea studentului de mediu să poată pune unități pe o bază comună pentru a face comparații valide. De exemplu, este un cuptor cu gaz natural mai economic sau mai ecologic decât încălzirea electrică a plintei pentru o casă obișnuită? Ar putea energia solară să furnizeze toate nevoile de încălzire pentru o casă din Cleveland? Câtă energie electrică ar putea fi generată prin instalarea de panouri solare pe acoperișul unei case din Arizona? Câtă biomasă poate fi cultivată pe un acru de teren din Missouri? O înțelegere aprofundată a unităților energetice și a terminologiei va contribui mult la ajutarea ecologistului să facă astfel de analize ușoare și banale.

Întrebări practice

1. Având în vedere că este necesară 1 kcal de căldură pentru a crește temperatura de 1 kg de apă cu 1 ° C:

  1. Câți kcali ar fi necesari pentru a încălzi 100 kg de apă la 20 ° C pentru o baie?
  2. Câți jouli este acesta?
  3. Câți Btus?
  4. Dacă încălzitorul dvs. de apă poate furniza 40 kBtu/h, cât timp va dura încălzirea acestei ape?

  1. Având în vedere că 1 kWh = 3,6 MJ și că 1 Btu = 1055 J, arată că 1 kWh = 3412 Btu.
  2. De ce ar fi incorect să se utilizeze direct acest factor de conversie pentru a determina cantitatea de cărbune necesară pentru a genera electricitate într-o centrală electrică?

3. O casă tipică în nordul S.U.A. ar putea necesita 120 MBtu de căldură pentru iarna medie.

  1. Dacă această căldură ar fi furnizată de un cuptor cu gaz natural care funcționează cu o eficiență de 60%, câte metri cubi de gaz ar trebui achiziționați?
  2. La un cost de 0,90 dolari/ccf, ce ar costa încălzirea acestei case pentru un sezon?
  3. Dacă un nou cuptor eficient la 80% ar putea fi instalat la un cost de 4.000 USD, cât timp ar fi necesar să se ramburseze costul acestui cuptor, presupunând că prețurile la gaz vor rămâne aceleași?

4. Să presupunem că casa în cauză 3 este situată în Cleveland, unde fluxul solar mediu anual este de 160 W/m 2. Dacă pe această casă s-au instalat 10 m 2 de panouri solare care funcționează cu o eficiență de 20% pentru colectarea și stocarea energiei solare sub formă de apă caldă:

  1. Câtă energie s-ar putea câștiga într-un an în acest mod?
  2. Ce fracție din necesarul anual de încălzire este aceasta?
  3. Folosind cerințele de încălzire a apei calde pentru o baie de la întrebarea 1 (c), câte băi fierbinți ar furniza această energie într-un an?

5. Fluxul solar mediu anual în Tucson este de 250 W/m 2. Să presupunem că 10 m 2 de panouri electrice solare care funcționează cu o eficiență de 10% au fost instalate pe o casă de acolo.

  1. Câți kWh de energie electrică ar putea fi colectați de aceste panouri într-un an?
  2. Ce fracțiune din necesarul electric anual de 10.000 kWh pentru locuința medie reprezintă aceasta?
  3. Câți metri pătrați de panouri solare ar fi necesare pentru a furniza 10.000 kWh pe an?

6. Energia solară este convertită în mod natural în biomasă lemnoasă cu o eficiență de aproximativ 0,1 la sută. Să presupunem că un lot de lemn de 100 de hectare (10 6 m 2) este situat în Missouri, unde fluxul solar mediu anual este de 200 wați/m 2. Având în vedere că valoarea căldurii pentru lemn este de 12 MBtu/tonă, câte tone de lemn pot fi produse de această proprietate în fiecare an?

7. Cu vânt moderat, o turbină eoliană modernă mare poate genera aproximativ 250 kW de energie electrică, în timp ce o centrală nucleară mare poate genera 1.000 MW.

  1. Câte turbine eoliene ar fi necesare pentru a oferi aceeași putere ca o centrală nucleară?
  2. Discutați câteva dintre avantajele și dezavantajele oferite de energie electrică prin fiecare metodă.

8. Bateriile sunt de obicei evaluate în termeni de amperi-ore, indicând curentul pe care celula este capabil să-l livreze pentru un timp specificat. O baterie tipică de lanternă cu celule D, de exemplu, ar putea fi evaluată la 3 amperi-oră. Energia electrică totală disponibilă de la o astfel de baterie se găsește prin înmulțirea valorii de amperi-oră cu tensiunea bateriei. Astfel, aceeași celulă D de 1,5 volți ar putea furniza 4,5 wați-oră de energie electrică.

Convertiți această energie în kWh și comparați costul energiei electrice derivate în acest mod cu cel al electricității standard „bazate pe rețea”. Să presupunem că bateria costă 1,00 USD și că energia electrică de la compania electrică este disponibilă la 0,10 USD/kWh.

9. Tabelul de mai jos prezintă prețurile și conținutul de energie termică pentru diferiți combustibili care sunt utilizați în mod obișnuit pentru încălzirea locuințelor. Prețurile la combustibil sunt date ca un cost pe unitate pentru combustibilul livrat acasă. Completați tabelul completând ultimele două coloane și comparați astfel costul încălzirii locuinței prin aceste diferite metode. În calculele dvs., presupuneți că locuința necesită 120 MBtu de căldură pentru un sezon și că cuptoarele cu gaz sau petrol funcționează cu o eficiență de 80%. Să presupunem că încălzirea electrică este 100% eficientă.

Prețul combustibilului Conținutul energetic al combustibilului Cost pe MBtu Costul încălzirii locuinței Nat. gaz Propan Păcură Electricitate
1,14 USD/ccf 1030 Btu/cf.
1,69 USD/gal 92 k Btu/gal
1,93 USD/gal 133 k Btu/gal
0,10 USD/kWh 3412 Btu/kWh

Răspunsuri

1. a. 2.000 kcal; b. 8,37 x 10 6 J = 8,37 MJ; c. 7.940 BTU; d. 11,9 minute.

2. b. A doua lege a termodinamicii împiedică conversia 100% a căldurii în energie mecanică sau electrică. O centrală tipică pe cărbune funcționează cu o eficiență de aproximativ 33%, ceea ce înseamnă că doar o treime din energia din cărbune este transformată în electricitate.

3. a. 1.941 ccf; b. 1.748 dolari; c. 9,2 ani

4. a. 9,57 MBtu; b. 8 la sută; c. Cel mai frecvent 1.200

5. a. 2.190 kWh; b. 21,9 la sută; c. 45,7 m 2

7. a. 4.000; b. Răspunsurile variază

8. Energia bateriei: 4,5 Wh = 4,5 x 10 3 kWh.
Cost per kWh: 1,00 USD/4,5 x 10 3 kWh = 222 USD/kWh.
Comparație: Energia electrică din baterie costă 222 USD/0,10 USD = 2.220 de ori mai mare decât cea livrată de compania electrică.