Un manual energetic pentru studentul la știința mediului AP - AP Central College Board
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.
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.
| 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:
| Newton | kg | m/s 2 |
| pepene | gram | cm/s 2 |
| livre | melc | ft/s 2 |
Și, în cele din urmă, avem masa pentru energie:
| 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: