O Zoológico de Unidades de Energia: Joules, Calorias, BTUs, kWh e Therms

Uma quantidade, sete nomes

Energia é uma única quantidade física, mas quase nenhuma indústria a mede na unidade SI. A Física usa o joule; nutrição usa a Caloria; sistemas de aquecimento e ar condicionado dos EUA usam o BTU; contas de eletricidade usam o quilowatt-hora; contas de gás natural usam o therm, ou cada vez mais o kWh. Nenhuma dessas unidades está errada, e a conversão entre elas é exata onde quer que uma unidade tenha uma razão definida para o joule — o que não é o caso de todas elas, porque "caloria" isoladamente esconde três definições diferentes.

O joule: a unidade SI que ninguém usa em contas

O joule (J) é a unidade SI de energia, definido como uma força de um newton aplicada ao longo de um metro, ou equivalentemente um watt sustentado por um segundo. É a unidade para a qual cada outra entrada neste artigo se converte, e é a unidade que quase nenhuma conta voltada para o consumidor ou rótulo de alimento usa diretamente, porque um joule é pequeno: a ingestão diária típica de energia alimentar de um adulto, aproximadamente 2.000 Calorias, é cerca de 8,4 milhões de joules.

O problema da caloria: uma palavra, três definições

"Caloria" é realmente uma família de unidades, todas originalmente definidas como aproximadamente a energia necessária para elevar um grama de água em um grau Celsius, mas padronizadas em três valores exatos ligeiramente diferentes porque a capacidade térmica da água varia ligeiramente com a temperatura e pressão:

A diferença entre a maior e a menor das três é pequena, cerca de 0,03%, é por isso que o uso casual consegue tratar "caloria" como uma coisa. Não é: uma caloria de um químico e a caloria de uma tabela de vapor de um engenheiro são dois constantes diferentes e independentemente fixados que acontecem ser extremamente próximos.

A Caloria alimentar: uma quilocaloria com outro nome

A "Caloria" em um rótulo de nutrição (convencionalmente capitalizada para distinguir, embora o rótulo raramente se preocupe) é 1.000 calorias termoquímicas, uma quilocaloria: 1 Cal = 1 kcal = 4.184 J exatamente. A ciência da nutrição adotou a base termoquímica, não a da Tabela Internacional, porque a medição de energia alimentar cresceu a partir da calorimetria e química dos séculos 19 e início do 20, em vez da engenharia de vapor. Um rótulo de alimento de "250 Calorias" é, portanto, 250 × 4.184 J = 1.046.000 J, quase exatamente 1,05 MJ.

O BTU: o gêmeo imperial da caloria, com a mesma divisão

A unidade térmica britânica herda a mesma bifurcação que a caloria, porque foi originalmente definida da mesma forma, como aproximadamente a energia para elevar uma libra de água em um grau Fahrenheit, e padronizada em valores exatos ligeiramente diferentes dependendo de qual referência de temperatura da água e qual caminho de conversão SI foi usado:

Um condicionador de ar dos EUA classificado como "12.000 BTU" (uma unidade de "1 tonelada", no próprio uso separado e não relacionado de "tonelada" da HVAC para capacidade de resfriamento) significa 12.000 Btu_IT por hora: 12.000 × 1.055,05585262 J = 12.660.670 J por hora, ou 3,517 kW — uma conversão que vale a pena fazer uma vez, porque equipamentos de HVAC em todo o mundo estão cada vez mais sendo classificados em BTU/h e watts lado a lado.

O kWh: o único que é um múltiplo SI exato

O quilowatt-hora não precisa de nenhuma definição separada: é 1.000 watts sustentados por 3.600 segundos, então 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ exatamente, sem arredondamento ou ambiguidade histórica em nenhum lugar da cadeia. Ele sobrevive nas contas de eletricidade não porque seja a escolha mais limpa de SI — o joule seria — mas porque um joule é uma unidade muito pequena demais para a cobrança residencial: uma casa típica dos EUA usa da ordem de 30 kWh por dia, que é 108.000.000 J, um número desajeitado para imprimir em uma fatura.

O therm: versões dos EUA e Reino Unido diferem, silenciosamente

Um therm é definido como 100.000 BTU, e herda a divisão do BTU sem a maioria dos usuários notar. O therm dos EUA, usado pelo DOE e pelas concessionárias de gás, é definido como 100.000 × Btu(59°F) = 105.480.400 J exatamente. O therm do Reino Unido, fixado em lei antes da cobrança de gás do Reino Unido mudar para kWh, foi definido como 100.000 × Btu_IT ≈ 105.505.600 J. Os dois therms diferem por aproximadamente 0,02%, trivial para qualquer propósito prático, mas é o mesmo padrão visto em toda a conversão de unidades habituais neste site: duas autoridades definindo "a mesma" unidade de duas constantes de base ligeiramente diferentes, produzindo dois números próximos o suficiente para passar despercebidos e distantes o suficiente para não serem realmente iguais. As contas de gás doméstico do Reino Unido em grande parte se moveram de therms para kWh desde os anos 1990 em diante, seguindo medidores de gás métricos; a indústria de gás dos EUA ainda cobra em therms hoje.

Todos os sete, convertidos para joules

Por que cada indústria manteve sua própria unidade

Nenhum deles sobrevive por acaso. Químicos mantiveram a caloria porque dados de energia de reação que remontam a mais de um século estão tabulados nela. A HVAC dos EUA manteve o BTU porque as classificações de equipamentos, gráficos de dimensionamento de dutos e códigos de construção estão todos escritos nele, e mudar significaria re-certificar documentação de hardware de décadas, não apenas relabeling a folha de especificações. As concessionárias mantiveram o kWh porque os medidores já eram construídos para ler watts-hora diretamente, barato, décadas antes de quando alguém cobrasse por "megajoules" teria feito sentido para um cliente. A fragmentação de unidades em energia é uma fragmentação da base instalada e metrologia legal, não uma fragmentação da física — o joule subjacente a cada um desses números é o mesmo joule.