Зоопарк единиц энергии: джоули, калории, БТЕ, кВт·ч и термы

Одна величина, семь названий

Энергия — это единая физическая величина, но почти ни одна отрасль не измеряет её в единице СИ. В физике используют джоуль, в питании — калорию, в системах отопления и кондиционирования в США — БТЕ, в счётах за электричество — киловатт-час, в счётах за газ — терм или всё чаще киловатт-час. Ни одна из этих единиц не неправильная, и преобразование между ними точно везде, где единица имеет определённое соотношение к джоулю — это относится не ко всем, потому что одна только «калория» скрывает три разных определения.

Джоуль: единица СИ, в которой никто не выставляет счёты

Джоуль (Дж) — это единица энергии в Международной системе единиц (СИ), определяемая как один ньютон силы, приложенный на расстояние одного метра, или, эквивалентно, один ватт, поддерживаемый в течение одной секунды. Это единица, к которой преобразуются все остальные единицы в этой статье, и единица, которую почти ни один потребительский счёт или этикетка пищевого продукта не использует напрямую, потому что джоуль — это маленькая единица: суточный расход энергии типичного взрослого человека, около 2 000 Калорий, составляет примерно 8,4 миллиона джоулей.

Проблема с калорией: одно слово, три определения

«Калория» — это на самом деле семейство единиц, первоначально определённых как примерно энергия, необходимая для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия, но стандартизированные в трёх слегка отличающихся точных значениях, потому что теплоёмкость воды сама немного варьируется в зависимости от температуры и давления:

Разница между наибольшей и наименьшей из трёх составляет около 0,03 %, поэтому в небрежном использовании удаётся рассматривать «калорию» как одно целое. Но это не так: химическая калория и инженерная калория из паровых таблиц — это две разные, независимо фиксированные константы, которые просто очень близки друг к другу.

Пищевая Калория: килокалория под другим названием

«Калория» на этикетке пищевого продукта (обычно пишется с прописной буквы, чтобы отличить её, хотя на этикетке это редко соблюдается) — это 1 000 термохимических калорий, один килокалорий: 1 Кал = 1 ккал = 4 184 Дж точно. Питательная наука приняла термохимическую основу, а не использованную в паровых таблицах, потому что измерение энергии пищи выросло из каллиметрии XIX и XX веков и химии, а не из паровой техники. Поэтому «250 Калорий» на этикетке пищевого продукта означает 250 × 4 184 Дж = 1 046 000 Дж, почти ровно 1,05 МДж.

БТЕ: имперский двойник калории с тем же разделением

Британская тепловая единица унаследует тот же раскол, что и калория, потому что она была первоначально определена так же, как примерно энергия для повышения температуры одного фунта воды на один градус Фаренгейта, и стандартизирована при слегка отличающихся точных значениях в зависимости от того, какой температурный эталон воды и какой путь преобразования в СИ использовался:

Кондиционер в США с рейтингом «12 000 БТЕ» (блок на «1 тонну», в специальном использовании «тонны» HVAC для холодопроизводительности) означает 12 000 БТЕ_IT в час: 12 000 × 1 055,05585262 Дж = 12 660 670 Дж в час, или 3,517 кВт — преобразование, которое стоит сделать один раз, потому что оборудование систем кондиционирования по всему миру всё чаще оценивается как в БТЕ/ч, так и в ваттах одновременно.

Киловатт-час: единственный, которая является точным кратным СИ

Киловатт-час не нуждается в отдельном определении: это 1 000 ватт, поддерживаемых в течение 3 600 секунд, поэтому 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж = 3,6 МДж точно, без округления или исторической двусмысленности в цепи. Она выживает в счётах за электричество не потому, что это чистейший выбор с точки зрения СИ — джоуль был бы таким — а потому, что джоуль — это намного слишком маленькая единица для выставления домашних счётов: типичный дом в США использует примерно 30 кВт·ч в день, что составляет 108 000 000 Дж, нежелательное число для печати в счёте.

Терм: версии США и Великобритании различаются незаметно

Терм определяется как 100 000 БТЕ и унаследует расщепление БТЕ, не замечая большинство пользователей. Американский терм, используемый Министерством энергетики и газовыми коммунальными предприятиями, определяется как 100 000 × БТЕ(59°F) = 105 480 400 Дж точно. Британский терм, установленный законом до того, как выставление счётов за газ в Великобритании перешло на кВт·ч, был определён как 100 000 × БТЕ_IT ≈ 105 505 600 Дж. Два терма отличаются примерно на 0,02 %, что тривиально для любых практических целей, но это одна и та же схема, которую можно увидеть на всём этом сайте: две власти, определяющие «одну и ту же» единицу из двух слегка отличающихся базовых констант, производящих два числа, достаточно близких, чтобы пройти незамеченными, и достаточно далеко друг от друга, чтобы не быть в точности равными. Счета домашних хозяйств в Великобритании в значительной степени перешли с термов на кВт·ч с 1990-х годов, следуя за счётчиками газа с метрической системой; индустрия природного газа в США по-прежнему выставляет счета в термах сегодня.

Все семь, преобразованные в джоули

Почему каждая отрасль сохранила свою единицу

Ни одна из них не выжила случайно. Химики сохранили калорию, потому что данные об энергии реакций, датирующиеся более чем столетием, табулированы в ней. США сохранили БТЕ в системах кондиционирования и отопления, потому что рейтинги оборудования, таблицы размеров воздуховодов и строительные нормы все написаны в ней, и переключение означало бы переквалификацию десятилетий документации оборудования, а не просто переименование листа характеристик. Коммунальные предприятия сохранили кВт·ч, потому что счётчики уже были построены для прямого считывания ватт-часов, дешево, десятилетиями раньше, чем выставление счётов за «мегаджоули» имело смысл для клиента. Фрагментация единиц в энергии — это фрагментация установленной базы и правовой метрологии, а не фрагментация физики — джоуль под каждым из этих чисел является одним и тем же джоулем.