Jak mierzymy energię?

Energia możemy wykorzystywać pod wieloma postaciami: elektryczności do oświetlenia, gazu do przygotowywania posiłków, węgla do ogrzewania. Aby porównywać ze sobą ilości zużywanej energii, niezależnie od jej postaci należało wprowadzić uniwersalną jednostkę.

Uniwersalną jednostką energii jest Dżul. 1 Dżul jest to energia potrzebna aby podnieść ciało o masie 100g na wysokość 1 metra. Energie można przedstawić zatem jako potencjalną zdolność do wykonania pracy. A więc w przybliżeniu aby podnieść jabłko o 1m do góry potrzebujemy energii 1 dżula, aby podnieść o 2 metry – 2 dżuli, 1 kg jabłek to już 10 dżuli itd. Jeden dżul nie jest zbyt wielką ilością energii – dla przykładu – spalenie jednego litra benzyny wyzwala 28 milionów dżuli energii. Dlatego w praktyce używa się kilodżuli (1 kJ = 1000 J) lub megadżuli (1 MJ = 1000000 J).

Nasze ciało również potrzebuje energii. Jedzenie które spożywamy jest wykorzystywane do pracy (chodzenie, praca mięśni, procesy fizjologiczne). Jeden banan w przybliżeniu zawiera 180 kJ energii, tabliczka czekolady około 1400 kJ. Na większości opakowań produktów spożywczych zawartość energetyczna jest podawana. Człowiek szybko biegnąc przez jedną minutę zużywa około 150 kJ, jadąc na rowerze przez minutę: 50 kJ. Nawet w czasie snu zużywamy wciąż około 4 kJ na minutę. Zatem energia zawarta w tabliczce czekolady dostarcza energii, która pozwoli nam biec przez 40 minut lub spać 6 godzin.

Energia zawarta w jedzeniu jest często podawana w innych jednostkach – kaloriach [Cal]. 1 Cal jest to ilość energii potrzebna aby ogrzać 1 g wody o 1C. 1 Cal = 4.19 J, w praktyce operuje się kilokaloriami (1 kCal = 1000 Cal = 4190 J).

Energia zawarta w wybranych produktach spożywczych

produkt	energia (kcal)	energia (kJ)
sok jabłkowy (100ml)	40/100ml	167
sok pomidorowy (100ml)	13/100ml	54
mleko (100ml)	40/100ml	167
ser żółty (100 g)	300/100g	1257
chipsy (100 g)	550/100g	2304
baton czekoladowy (100 g)	500/100g	2095
frytki (100 g)	250/100g	1047
hamburger	500	2095
jabłko (100g)	36/100g	150,84
pomidor (100g)	25/100g	105
rzodkiewka (100g)	12/100g	50

Moc

Moc określa ilość pracy wykonaną w jednostce czasu. Jednostką mocy jest zatem Dżul na sekundę (J/s) nazywany częściej Wat (W). Dla przykładu świecąca żarówka 100 W w każdej sekundzie zużywa 100 J energii. Większość urządzeń elektrycznych posiada oznaczenie określające ich moc. Dla przykładu czajnik elektryczny może mieć 1500 W a małe radio 10 W. Aby przedstawić bardziej obrazowo jaka to jest moc posłużmy się przykładem: Wyobraźmy sobie dziewczynę o wadze 50 kg (Paris Hilton?), która wchodzi po schodach na trzecie piętro, które jest na wysokości 10 m. Aby tego dokonać potrzebuje energii równej 5000 J (50 kilogramów x 10 dżuli x 10 dżuli na kilogram na metr). Jeśli zajmie jej to 20 sekund będzie to oznaczać że używała 5000/20 = 250 Wat podczas tych 20 sekund. Podejrzewam, że się solidnie zmęczy.

Używając tylko rąk, zdrowy człowiek jest w stanie generować w dłuższym okresie tylko około 50 W, używając nóg (np. jazda na rowerze) może generować 75-125 W. Maksymalnie człowiek może osiągnąć moc około 1000 W, ale tylko w bardzo krótki okresie czasu (np. podczas biegu sprinterskiego). Oznacza to, że aby dostarczyć moc zużywaną przez czajnik elektryczny potrzebna by była praca mięśni kilkunastu osób!

Człowiek używając nóg (np. jadąc na rowerze) jest w dłuższym czasie generować moc ok 100W.

Energia i moc są często ze sobą mylone, ale oznaczają coś zupełnie innego. Moc określa jak szybko jest zużywana energia. Dla przykładu:

1. Jeśli jakieś urządzenie zużyło 10 J energii w 5 sekund oznacza to że jego moc wynosiła 10/5 = 2 W,
2. Jeśli urządzenie zużyło taką samą ilość energii (10 J) w 10 sekund oznacza to, że jego moc wynosiła 10/10 = 1W.

W odniesieniu do silników spalinowych często stosuje się jako jednostkę mocy konie mechaniczne (KM). Jednostka powstała na wzór konia parowego (HP – Horsepower) stworzonego w krajach anglosaskich do porównywania mocy maszyn parowych z koniem. Moc 1 KM odpowiadała zaprzęgowi z jednym koniem, 2 KM – z dwoma końmi itd. (w przybliżeniu). Jest to moc potrzebna aby ciężar o masie 75 kg podnieść na wysokość 1 m w czasie 1 s. W samochodach zazwyczaj podaje się moc silnika równocześnie w koniach mechanicznych i watach.

Jednostka energii elektrycznej

Najpowszechniej wykorzystywaną formą energii na co dzień w gospodarstwie domowym jest elektryczność. Prąd zanim popłynie w naszych gniazdkach musi przebyć bardzo długa drogę. Wytwarzany jest w generatorach (prądnicach) znajdujących się w elektrowniach oddalonych nierzadko o setki kilometrów. Przesyłany jest za pomocą linii wysokiego napięcia. Jego zużycie jest mierzone w kilowatogodzinach (kWh). Zatem, dla przykładu, grzejnik elektryczny o mocy 2 kW pracujący przez godzinę zużyje 2 kWh energii. Oczywiście ilość energii elektrycznej można również przedstawić w dżulach: 1 kWh = 1000 Wh = 1000 J na sekundę x 60 sekund x 60 minut = 3 600 000 J.

Zakłady energetyczne przy rozliczaniu zużycia energii posługują się kilowatogodzinami (kWh)

Jednostki energii

symbol	nazwa	opis
J	Dżul	praca wykonana przez siłę o wartości 1 N na drodze 1 metra
cal	Kaloria	Ilość ciepła potrzebna do podgrzania 1 g wody o 1°C (1 cal = 4,1855 J)
kWh	Kilowatogodzina	1 kWh odpowiada ilości energii, jaką zużywa przez godzinę urządzenie o mocy 1000 watów (1 kWh = 3 600 000 J)
toe	Tona ekwiwalentu ropy (ton of oil equivalent)	Energia uzyskana ze spalenia 1 tony ropy(1 toe = 41,868 GJ)
btu	Brytyjska jednostka cieplna (British Thermal Unit)	1 btu to ilość energii potrzebna do podniesienia temperatury jednego funta wody (0,45 kg) o jeden stopień Fahrenheita (1 btu = 1055 J)