حديقة وحدات الطاقة: الجول والسعرات الحرارية والبي تي يو وكيلوواط ساعة والثيرم

كمية واحدة، سبعة أسماء

الطاقة هي كمية فيزيائية واحدة، لكن لا تقريباً أي صناعة تقيسها بالوحدة الدولية. الفيزياء تستخدم الجول؛ التغذية تستخدم السعرة الحرارية الكبرى؛ التدفئة والتهوية والتكييف في الولايات المتحدة تستخدم البي تي يو؛ فواتير الكهرباء تستخدم الكيلوواط ساعة؛ فواتير الغاز الطبيعي تستخدم الثيرم، أو بشكل متزايد الكيلوواط ساعة. لا شيء من هذه الوحدات خاطئ، والتحويل بينها دقيق حيثما تكون لوحدة ما نسبة محددة إلى الجول — وهو ليس الحال مع الجميع، لأن "السعرة الحرارية" وحدها تخفي ثلاثة تعاريف مختلفة.

الجول: وحدة SI التي لا أحد يفوتر بها

الجول (J) هو وحدة الطاقة في النظام الدولي، معرف كقوة نيوتن واحد مطبقة على متر واحد، أو بالتساوي قوة واط واحد مستدامة لمدة ثانية واحدة. إنها الوحدة التي يحول كل إدخال آخر في هذه المقالة إليها، والوحدة التي لا تقريباً أي فاتورة يقابلها المستهلك أو ملصق غذائي يستخدمها بشكل مباشر، لأن الجول صغير: تناول الطاقة الغذائية اليومي لشخص بالغ نموذجي، حوالي 2,000 سعرة حرارية كبرى، يساوي حوالي 8.4 مليون جول.

مشكلة السعرة الحرارية: كلمة واحدة، ثلاثة تعاريف

"السعرة الحرارية" هي فعلاً عائلة من الوحدات، كلها عرّفت في الأصل على أنها تقريباً الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء بمقدار درجة مئوية واحدة، لكن تم توحيدها عند ثلاث قيم دقيقة مختلفة قليلاً لأن السعة الحرارية للماء نفسه تختلف قليلاً مع درجة الحرارة والضغط:

الفجوة بين الأكبر والأصغر من الثلاثة صغيرة، حوالي 0.03%، وهذا هو السبب في أن الاستخدام العادي ينجح في معاملة "السعرة الحرارية" كشيء واحد. لكنها ليست كذلك: سعرة حرارية الكيميائي وسعرة حرارية مهندس جدول البخار وحدتان مختلفتان ومستقلتان معرفتان بشكل مستقل يحدث أن تكون قريبة جداً من بعضهما البعض.

السعرة الحرارية الغذائية: كيلوسعرة بآسم آخر

"السعرة الحرارية" على ملصق التغذية (عادة برأس مال لتمييزها، على الرغم من أن الملصق نادراً ما يزعج نفسه) هي 1,000 سعرة حرارية حراروكيميائية، كيلو سعرة حرارية واحدة: 1 Cal = 1 kcal = 4,184 J تماماً. تبنت علم التغذية الأساس الحراروكيميائي، وليس أساس جدول دولي، لأن قياس الطاقة الغذائية نشأ من القياس الحراري والكيمياء من القرن 19 والقرن 20 المبكر بدلاً من هندسة البخار. "250 سعرة حرارية" على ملصق غذائي بالتالي هي 250 × 4,184 J = 1,046,000 J، تقريباً بالضبط 1.05 MJ.

البي تي يو: التوأم الإمبراطوري للسعرة الحرارية، مع نفس الانقسام

وحدة حرارية بريطانية ترث نفس الانقسام مثل السعرة الحرارية، لأنها عرّفت في الأصل بنفس الطريقة، كتقريباً الطاقة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء بمقدار درجة فهرنهايت واحدة، وموحدة عند قيم دقيقة مختلفة قليلاً تبعاً لأي مرجع درجة حرارة ماء وأي مسار تحويل SI استُخدم:

مكيف هواء أمريكي مصنف "12,000 BTU" (وحدة "1 طن"، في استخدام HVAC منفصل وغير مترابط خاصه به لـ "طن" لسعة التبريد) يعني 12,000 Btu_IT في الساعة: 12,000 × 1,055.05585262 J = 12,660,670 J في الساعة، أو 3.517 kW — تحويل يستحق القيام به مرة واحدة، لأن معدات HVAC في جميع أنحاء العالم تُقيّم بشكل متزايد بـ BTU/h والواط معاً.

الكيلوواط ساعة: الوحيدة التي هي مضاعف SI دقيق

الكيلوواط ساعة لا تحتاج إلى تعريف منفصل على الإطلاق: إنها 1,000 واط مستدام لمدة 3,600 ثانية، وبالتالي 1 kWh = 3,600,000 J = 3.6 MJ تماماً، بدون تقريب أو غموض تاريخي في أي مكان في السلسلة. إنها تبقى على فواتير الكهرباء ليس لأنها الاختيار الأنظف من SI — الجول قد يكون ذلك — لكن لأن الجول وحدة صغيرة جداً للفواتير المنزلية: منزل أمريكي نموذجي يستخدم في حدود 30 kWh في اليوم، وهو 108,000,000 J، رقم غير عملي للطباعة على الفاتورة.

الثيرم: تختلف النسختان الأمريكية والبريطانية، بهدوء

الثيرم معرّف كـ 100,000 BTU، وينرث انقسام البي تي يو بدون انتباه معظم المستخدمين. الثيرم الأمريكي، المستخدم من قبل DOE والمرافق الغازية، معرّف كـ 100,000 × Btu(59°F) = 105,480,400 J تماماً. ثيرم المملكة المتحدة، المثبت في القانون قبل تحويل الفواتير الغازية البريطانية إلى kWh، عرّف كـ 100,000 × Btu_IT ≈ 105,505,600 J. يختلف الثيرمان بحوالي 0.02%، تافه لأي هدف عملي، لكنها نفس النمط المرئي طوال وحدات عرفية على هذا الموقع: سلطتان تعرّفان "نفس" الوحدة من ثابتين أساسيين مختلفين قليلاً، ينتجان رقمين قريبين بما يكفي للمرور دون ملاحظة وبعيدين بما يكفي ليكونا غير متساويين بالفعل. انتقلت فواتير الغاز المنزلي البريطاني إلى حد كبير من الثيرم إلى kWh من التسعينيات فصاعداً، متابعة عدادات الغاز المترية؛ صناعة الغاز الأمريكية لا تزال فوتر بالثيرم اليوم.

كل السبعة، محولة إلى جول

لماذا احتفظت كل صناعة بوحدتها الخاصة

لا أحد من هذه ينجو بالصدفة. احتفظ الكيميائيون بالسعرة الحرارية لأن بيانات الطاقة التفاعلية التي تعود إلى أكثر من قرن مجدولة بها. احتفظت HVAC الأمريكية بـ BTU لأن تصنيفات المعدات، جداول تحجيم القنوات وأكواد البناء كلها مكتوبة بها، والتحويل قد يعني إعادة اعتماد عقود من توثيق معدات الأجهزة، وليس فقط إعادة تسمية ورقة المواصفات. احتفظت المرافق بـ kWh لأن العدادات كانت مبنية بالفعل لقراءة ساعات الواط بشكل مباشر، بشكل رخيص، عقود قبل أن يكون أي شخص قد وفّر الفواتير للـ "ميجاجول" معنى لعميل. تجزئة الوحدات في الطاقة هي تجزئة قاعدة مثبتة وقياس قانوني، وليس تجزئة فيزياء — الجول تحت كل واحد من هذه الأرقام هو نفس الجول.