Удельная энергия или массовая энергия — это энергия на единицу массы . Ее также иногда называют гравиметрической плотностью энергии , которую не следует путать с плотностью энергии , которая определяется как энергия на единицу объема. Он используется, например, для количественной оценки запасенного тепла и других термодинамических свойств веществ, таких как удельная внутренняя энергия , удельная энтальпия , удельная свободная энергия Гиббса и удельная свободная энергия Гельмгольца . Его также можно использовать для обозначения кинетической или потенциальной энергии тела. Удельная энергия — интенсивное свойство , тогда как энергия и масса — экстенсивные свойства .
Единицей удельной энергии в системе СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг). Другие единицы, которые до сих пор используются во всем мире в некоторых контекстах, — это килокалория на грамм (кал/г или ккал/г), в основном в вопросах, связанных с пищевыми продуктами, и ватт-часы на килограмм в области батарей. В некоторых странах британская единица БТЕ на фунт (БТЕ/фунт) используется в некоторых инженерных и прикладных технических областях. [1]
Понятие удельной энергии родственно, но отличается от понятия молярной энергии в химии , то есть энергии на моль вещества, в которой используются 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 относящихся к системе СИ:
Таблицу, показывающую удельную энергию многих различных видов топлива, а также батарей, см. в статье « Плотность энергии» .
Для ионизирующего излучения Грей — это единица СИ удельной энергии, поглощенной веществом, известная как поглощенная доза , из которой единица СИ зиверт рассчитывается для стохастического воздействия на здоровье тканей, известного как эквивалент дозы . Международный комитет мер и весов заявляет: «Во избежание любого риска путаницы между поглощенной дозой D и эквивалентом дозы H следует использовать специальные названия для соответствующих единиц, то есть вместо этого следует использовать название «серый». джоулей на килограмм для единицы поглощенной дозы D и названия зиверт вместо джоулей на килограмм для единицы эквивалентной дозы H ». [6]
Плотность энергии — это количество энергии на массу или объем пищи. Энергетическая плотность пищи может быть определена на этикетке путем деления энергии на порцию (обычно в килоджоулях или пищевых калориях ) на размер порции (обычно в граммах, миллилитрах или жидких унциях). Энергетической единицей, обычно используемой в контексте питания в неметрических странах (например, в Соединенных Штатах), является «диетическая калория», «пищевая калория» или «калория» с заглавной буквы «С» и обычно сокращается как «Кал». Пищевая калория эквивалентна тысяче химических или термодинамических калорий (сокращенно «кал» со строчной буквой «с») или одной килокалории (ккал). Поскольку энергия пищи обычно измеряется в калориях, энергетическую плотность пищи обычно называют «калорийной плотностью». [7] В метрической системе единицей энергии, обычно используемой на этикетках пищевых продуктов, 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 приеме (расчет см. в разделе «Энергия пищи »). В аэробных средах для этого обычно требуется кислород и образуются отходы, такие как углекислый газ и вода. Помимо алкоголя , единственными источниками пищевой энергии являются углеводы , жиры и белки , составляющие девяносто процентов сухого веса пищи. [8] Таким образом, содержание воды является наиболее важным фактором при расчете плотности энергии. В целом белки имеют более низкую энергетическую плотность (≈16 кДж/г), чем углеводы (≈17 кДж/г), тогда как жиры обеспечивают гораздо более высокую плотность энергии (≈38 кДж/г), [8] 2+В 1 ⁄ раза больше энергии. Жиры содержат больше углерод-углеродных и углерод-водородных связей, чем углеводы или белки, что обеспечивает более высокую плотность энергии. [9] Продукты, которые получают большую часть энергии из жиров, имеют гораздо более высокую энергетическую плотность, чем те, которые получают большую часть энергии из углеводов или белков, даже если содержание воды одинаково. Питательные вещества с более низкой абсорбцией, такие как клетчатка или сахарные спирты , также снижают энергетическую плотность продуктов. Умеренная энергетическая плотность составит от 1,6 до 3 калорий на грамм (7–13 кДж/г); лосось, нежирное мясо и хлеб попадают в эту категорию. Продукты с высокой энергетической плотностью содержат более трех калорий на грамм (>13 кДж/г) и включают крекеры, сыр, шоколад, орехи [10] и жареные продукты, такие как картофельные чипсы или чипсы из тортильи.
Плотность энергии иногда полезна для сравнения видов топлива. Например, жидкое водородное топливо имеет более высокую удельную энергию (энергию на единицу массы), чем бензин , но гораздо меньшую объемную плотность энергии.
Удельная механическая энергия , а не просто энергия, часто используется в астродинамике , поскольку гравитация изменяет кинетическую и потенциальную удельную энергию транспортного средства способами, которые не зависят от массы транспортного средства, что согласуется с сохранением энергии в ньютоновской гравитационной системе. .
Удельная энергия такого объекта, как метеороид , падающего на Землю из-за пределов гравитационного колодца Земли, составляет не менее половины квадрата скорости убегания , равной 11,2 км/с. Это составляет 63 МДж/кг (15 ккал/г, или 15 тонн тротилового эквивалента на тонну). Кометы обладают еще большей энергией и обычно движутся относительно Солнца, находясь вблизи нас, примерно со скоростью, равной квадратному корню из двухкратной скорости Земли. Это составляет 42 км/с, или удельная энергия 882 МДж/кг. Скорость относительно Земли может быть больше или меньше, в зависимости от направления. Поскольку скорость вращения Земли вокруг Солнца составляет около 30 км/с, скорость кометы относительно Земли может составлять от 12 до 72 км/с, причем последняя соответствует 2592 МДж/кг. Если бы комета с такой скоростью упала на Землю, она получила бы еще 63 МДж/кг, что в сумме даст 2655 МДж/кг при скорости 72,9 км/с. Поскольку экватор движется со скоростью около 0,5 км/с, верхний предел скорости удара составляет 73,4 км/с, что дает верхний предел удельной энергии столкновения кометы с Землей около 2690 МДж/кг.
Если бы комета Хейла-Боппа (диаметром 50 км) столкнулась с Землей, она испарила бы океаны и стерилизовала бы поверхность Земли. [11]