Удельная энергия или массовая энергия — это энергия на единицу массы . Иногда ее также называют гравиметрической плотностью энергии , которую не следует путать с плотностью энергии , которая определяется как энергия на единицу объема. Она используется для количественной оценки, например, сохраненного тепла и других термодинамических свойств веществ, таких как удельная внутренняя энергия , удельная энтальпия , удельная свободная энергия Гиббса и удельная свободная энергия Гельмгольца . Ее также можно использовать для кинетической энергии или потенциальной энергии тела. Удельная энергия — это интенсивное свойство , тогда как энергия и масса — это экстенсивные свойства .
Единицей СИ для удельной энергии является джоуль на килограмм (Дж/кг). Другие единицы, которые все еще используются во всем мире в некоторых контекстах, это килокалория на грамм (кал/г или ккал/г), в основном в темах, связанных с продуктами питания, и ватт-часы на килограмм в области батарей. В некоторых странах имперская единица БТЕ на фунт (БТЕ/фунт) используется в некоторых инженерных и прикладных технических областях. [1]
Удельная энергия имеет те же единицы, что и удельная сила , которая связана с максимальной удельной энергией вращения, которую может иметь объект, не разлетаясь на части из-за центробежной силы . Понятие удельной энергии связано, но отличается от понятия молярной энергии в химии , то есть энергии на моль вещества, которая использует такие единицы, как джоули на моль или более старые, но все еще широко используемые калории на моль. [2]
В следующей таблице показаны коэффициенты перевода в Дж/кг некоторых единиц, не входящих в систему СИ :
Таблицу удельной энергии различных видов топлива, а также аккумуляторов можно найти в статье Плотность энергии .
Для ионизирующего излучения грей является единицей СИ удельной энергии, поглощаемой веществом, известной как поглощенная доза , из которой рассчитывается единица СИ зиверт для стохастического воздействия на здоровье тканей, известного как эквивалент дозы . Международный комитет мер и весов утверждает: «Во избежание любого риска путаницы между поглощенной дозой D и эквивалентом дозы H следует использовать специальные названия для соответствующих единиц, то есть название грей следует использовать вместо джоулей на килограмм для единицы поглощенной дозы D и название зиверт вместо джоулей на килограмм для единицы эквивалента дозы H ». [6]
Плотность энергии — это количество энергии на массу или объем пищи. Плотность энергии пищи можно определить по этикетке, разделив энергию на порцию (обычно в килоджоулях или пищевых калориях ) на размер порции (обычно в граммах, миллилитрах или жидких унциях). Единицей энергии, обычно используемой в контексте питания в неметрических странах (например, в США), является «диетическая калория», «пищевая калория» или «калория» с заглавной «С» и обычно сокращается как «Кал». Пищевая калория эквивалентна тысяче химических или термодинамических калорий (сокращенно «кал» с маленькой «с») или одной килокалории (ккал). Поскольку пищевая энергия обычно измеряется в калориях, энергетическую плотность пищи обычно называют «калорийной плотностью». [7] В метрической системе единицей энергии, обычно используемой на этикетках продуктов питания, является килоджоуль (кДж) или мегаджоуль (МДж). Таким образом, плотность энергии обычно выражается в метрических единицах кал/г, ккал/г, Дж/г, кДж/г, МДж/кг, кал/мл, ккал/мл, Дж/мл или кДж/мл.
Плотность энергии измеряет энергию, высвобождаемую при усвоении пищи здоровым организмом при ее употреблении (см. Энергия пищи для расчета). В аэробных условиях для этого обычно требуется кислород в качестве входного сигнала и образуются отходы, такие как углекислый газ и вода. Помимо алкоголя , единственными источниками энергии пищи являются углеводы , жиры и белки , которые составляют девяносто процентов сухого веса пищи. [8] Таким образом, содержание воды является наиболее важным фактором при вычислении плотности энергии. В целом, белки имеют более низкую плотность энергии (≈16 кДж/г), чем углеводы (≈17 кДж/г), тогда как жиры обеспечивают гораздо более высокую плотность энергии (≈38 кДж/г), [8] 2+В 1 ⁄ 4 раза больше энергии. Жиры содержат больше связей углерод-углерод и углерод-водород, чем углеводы или белки, что обеспечивает более высокую плотность энергии. [9] Продукты, которые получают большую часть своей энергии из жира, имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем те, которые получают большую часть своей энергии из углеводов или белков, даже если содержание воды одинаково. Питательные вещества с более низкой усвояемостью, такие как клетчатка или сахарные спирты , также снижают плотность энергии продуктов. Умеренная плотность энергии будет составлять от 1,6 до 3 калорий на грамм (7–13 кДж/г); лосось, постное мясо и хлеб попадают в эту категорию. Продукты с высокой плотностью энергии имеют более трех калорий на грамм (>13 кДж/г) и включают крекеры, сыр, шоколад, орехи, [10] и жареные продукты, такие как картофельные или тортилья чипсы.
Плотность энергии иногда более полезна, чем удельная энергия для сравнения видов топлива. Например, жидкое водородное топливо имеет более высокую удельную энергию (энергию на единицу массы), чем бензин , но гораздо более низкую объемную плотность энергии. [ необходима цитата ]
В астродинамике часто используется не просто энергия, а удельная механическая энергия , поскольку гравитация изменяет кинетическую и потенциальную удельную энергию транспортного средства способами, которые не зависят от массы транспортного средства, что согласуется с законом сохранения энергии в ньютоновской гравитационной системе .
Удельная энергия объекта, такого как метеороид, падающего на Землю из-за пределов гравитационного колодца Земли, составляет по крайней мере половину квадрата скорости убегания 11,2 км/с. Это составляет 63 МДж/кг (15 ккал/г или 15 тонн тротилового эквивалента на тонну). Кометы обладают еще большей энергией, обычно двигаясь относительно Солнца, когда находятся в нашей непосредственной близости, со скоростью, примерно равной квадратному корню из двух скоростей Земли. Это составляет 42 км/с или удельную энергию 882 МДж/кг. Скорость относительно Земли может быть больше или меньше, в зависимости от направления. Поскольку скорость Земли вокруг Солнца составляет около 30 км/с, скорость кометы относительно Земли может варьироваться от 12 до 72 км/с, причем последнее значение соответствует 2592 МДж/кг. Если бы комета с такой скоростью упала на Землю, она бы приобрела еще 63 МДж/кг, что дало бы в общей сложности 2655 МДж/кг при скорости 72,9 км/с. Поскольку экватор движется со скоростью около 0,5 км/с, скорость удара имеет верхний предел 73,4 км/с, что дает верхний предел для удельной энергии кометы, ударяющейся о Землю, около 2690 МДж/кг.
Если бы комета Хейла-Боппа (диаметром 50 км) столкнулась с Землей, она бы испарила океаны и стерилизовала поверхность Земли. [11]
