Энергия — скалярная физическая величина, характеризующая способность системы совершать работу или передавать тепло; в Международной системе единиц измеряется в джоулях (Дж). Базовая единица энергии в СИ — джоуль, равный работе силы 1 Ньютон на перемещении 1 метр; по размерности Дж = кг·м²/с².
Энергия может проявляться в различных формах — механической, тепловой, химической, электрической, ядерной, электромагнитной — но численно выражается в одних и тех же единицах. Единица измерения — это лишь соглашение: работа, тепло и внутренняя энергия сопоставимы по размерности. В разных областях практики закрепились удобные внесистемные единицы (кВт·ч в энергетике, калории в питании, электрон-вольт в атомной и твердотельной физике), которые всегда можно перевести в джоуль.
| Единица | Обозначение | Система/происхождение | Определение / связь | Эквивалент в Дж | Область применения | Эмодзи |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Джоуль | J (Дж) | СИ | Н·м = кг·м²/с² | 1 | Универсальная единица в науке и технике | ⚙️ |
| Ватт·час | W·h (Вт·ч) | Техн. внесистемная | Энергия при мощности 1 Вт за 1 час | 3600 | Бытовые приборы, электроизмерения | 💡 |
| Киловатт·час | kW·h (кВт·ч) | Техн. внесистемная | 1000 Вт·ч | 3.6 × 10⁶ | Счетчики электроэнергии, тарифы | ⚡ |
| Калория (межд.) | cal | Историческая | Нагрев 1 г воды на 1 °C | 4.184 | Теплотехника; в питании чаще ккал | 🔥 |
| Килокалория (пищевая “кал”) | kcal | Историческая | 1000 cal; на этикетках пишут “Ккал” | 4184 | Диетология, биохимия | 🍎 |
| Электрон-вольт | eV | Атомная физика | Заряд электрона × 1 В | 1.602176634 × 10⁻¹⁹ | Квантовая, твердотельная, ядерная физика | 🧪 |
| Эрг | erg | cgs | 1 г·см²/с² | 1 × 10⁻⁷ | Астрофизика (исторически), классика в cgs | 🛰️ |
| Британская тепловая единица | BTU | Имперская | Нагрев 1 фунта воды на 1 °F | ≈ 1055.06 | Климатическая техника, газ | 🌡️ |
| Терм | therm | Имперская | 100 000 BTU (US) | ≈ 105.5 × 10⁶ | Учёт природного газа | 🏠 |
| Тонна ТНТ | t TNT | Техническая | Энерговыделение взрыва 1 т ТНТ | 4.184 × 10⁹ | Взрывчатка, астероидные оценки | 💥 |
Связи часто используются для быстрой оценки: 1 кВт·ч = 3.6 МДж; 1 МДж ≈ 0.2778 кВт·ч; 1 kcal = 4.184 кДж; 1 eV ≈ 1.602×10⁻¹⁹ Дж (а 1 Дж ≈ 6.242×10¹⁸ eV). Для теплотехнических расчётов применяют удельную энергию (на массу или объем), например МДж/кг топлива.
Нельзя путать энергию (Дж) с мощностью (Вт): ватт — это джоуль в секунду. Если прибор потребляет 1000 Вт в течение 2 часов, израсходованная энергия составит 2 кВт·ч = 7.2 МДж. Энергия накоплена в аккумуляторе, а мощность описывает скорость её отдачи.
- Префиксы СИ для энергии: мДж (10⁻³ Дж), кДж (10³ Дж), МДж (10⁶ Дж), ГДж (10⁹ Дж), ТДж (10¹² Дж). Пример: импульсная вспышка 5 мДж; теплоту сгорания бензина оценивают как ~44 МДж/кг.
- Удельные и объемные величины: Дж/кг (удельная энергия), Дж/м³ (энергия на объем). В электростатике часто используют Дж/м³ как плотность энергии поля.
- Эквиваленты топлива: 1 л бензина ≈ 32–34 МДж (по низшей теплоте), 1 м³ природного газа ≈ 34–39 МДж (зависит от состава).
Практическое измерение энергии зависит от ее формы. В электротехнике применяются счетчики энергии, интегрирующие мощность по времени и выдающие результат в Вт·ч или кВт·ч. В термохимии — калориметры (бомбовые и проточные) для экспериментального определения теплот сгорания. В физике высоких энергий спектрометры оценивают энергию частиц в электрон-вольтах, исходя из заряда и магнитной жесткости. В механике работу вычисляют по силе и перемещению, в гидравлике — по расходу и напору, в оптике — по энергии импульсов лазера, измеряемой пироэлектрическими или термопарами-датчиками.
- Электрическая энергия: E = ∫ P dt. Для постоянных нагрузок E = U·I·t. Пример: 230 В × 2 А × 3 ч = 1.38 кВт·ч.
- Теплота: Q = c·m·ΔT (приближенно при малых интервалах). Для воды: m = 1 кг, ΔT = 10 °C → Q ≈ 4.184 кДж/°C × 10 = 41.84 кДж.
- Кинетическая энергия: Eₖ = ½ m v². Авто 1500 кг при 20 м/с хранит 300 кДж.
В специфических контекстах встречаются гибридные записи, например Вт·ч/кг (удельная энергия аккумулятора) или кДж/м² (энергия излучения на площадь). В химии и материаловедении используют энтальпию (Дж/моль) и энергии связи (обычно в кДж/моль или эВ на частицу). В акустике применяют уровни энергии в децибелах относительно опорной энергии, но сами энергетические величины остаются в джоулях.
Измерительная прослеживаемость к СИ достигается через фундаментальные константы и первичные эталоны: электрон-вольт связан с элементарным зарядом, а джоуль — с определениями килограмма, метра и секунды. Это обеспечивает единообразие измерений от бытовых счетчиков до прецизионных лабораторных приборов.
- Дж и Н·м численно совпадают, но контекст различен: энергия (Дж) — скаляр, а крутящий момент (Н·м) — векторная величина (псевдовектор); не путайте их в спецификациях.
- Запись Wh и W·h эквивалентны; точка или промежуток отделяет множитель. В международных стандартах рекомендовано использовать точку для произведения (W·h).
- Для длительных периодов энергетики удобно оперировать МВт·ч, ГВт·ч, ТВт·ч; связь с джоулем: 1 ТВт·ч = 3.6 ПДж.
