Jednostki miary energii

Fizyczne pojęcie energii zostało wprowadzone przed około 150 laty. W pracach naukowych zalecane jest podawanie energii w dżulach (J), będących również jednostkami pracy i ciepła z układu SI. W wielu gałęziach techniki oraz w życiu codziennym bardzo często – z powodów zaszłości historycznych - używane są także inne jednostki energii.

Jednostka miary energii - dżul

Jednostką miary energii w układzie SI (Systéme International) jest dżul. Nazwa ta powstała od nazwiska brytyjskiego fizyka Jamesa Joule’a (1818-1889). Tak ustaliło Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (Bureau International de Poids et Mesures BIPM), które zajmuje się ujednolicaniem jednostek miar układu SI. BIPM określa jednostkę energii jako „jednostkę pochodną o specjalnej nazwie”, ponieważ można ją otrzymać z „jednostek podstawowych”: metra (m), kilograma (kg), sekundy (s), Dżul jest wynikiem pomnożenia jednostki siły N (polska nazwa „niuton”) i jednostki długości m (metr):

1 J = 1 N ? m = 1 m² ? kg ? s^-2

Przy dużych ilościach energii używa się przedrostków: „kilo” (k), „mega” (M) lub „giga” (G):

• 1 000 J = 1 kJ
• 1 000 000 J = 1 MJ
• 1 000 000 000 J = 1 GJ

Przy małych ilościach energii stosujemy przedrostki:

• „mili” [10^–3] (m), „mikro” [10^–6] (m), „nano” [10^–9] (n), „piko” [10^–12] (p), „femto” [10^–15] (f), „atto” [10^–18] (a),
• „mili” to 1/1000 (jedna tysięczna), 1 metr to 1 000 milimetrów,
• „mikro” to 1/1000 000 (jedna milionowa), czyli 1 m = 1 000 000 mikrometrów,
• „nano” to 1/1 000 000 000 (jedna miliardowa), czyli 1 m = 1 000 000 000 nanometrów,
• „piko” to 1/1 000 000 000 000 (jedna bilionowa).

Używanie samych nazw dla liczb bardzo dużych lub bardzo małych prowadzi czasem do nieporozumień: „bilion” to w Polsce, Niemczech i Wielkiej Brytanii „milion milionów”, ale w Hiszpanii, USA, krajach byłego ZSRR czy we Francji – „billion” to „tysiąc milionów”, czyli „miliard”.

Istnieją także inne jednostki miary energii…

…oraz inne jednostki miary

W fizyce atomowej i fizyce jądrowej bardzo często używana jest jednostka energii zwana „elektronowoltem“ (eV). Jeden elektronowolt to energia kinetyczna elektronu, którą elektron uzyskuje przy przechodzeniu w próżni przez różnicę potencjałów (czyli napięcie) 1 volta.

Dlaczego elektron otrzymuje przy tym energię? Elektrony to cząstki naładowane, które w polach elektrycznych wywoływanych przez różnice potencjałów zostają przyspieszone, ponieważ działa na nie siła. Polega to koniec końców na tym, że jednoimienne ładunki elektryczne się odpychają, a różnoimienne przyciągają.

W porównaniu do 1 dżula, elektronowolt jest bardzo małą jednostką energii.

1 eV = 1,6022 ? 10^-19 J = 0,1622 aJ (attodżula)

Ta „pozaukładowa” jednostka jest bardzo wygodna w ,„mikroświecie” i dlatego jest nadal powszechnie stosowana w atomistyce.

Na poniższym rysunku po lewej stronie widzimy elektron, który przemieszcza się między okładkami kondensatora z lewej strony do prawej. Przyłożone napięcie wynosi 1 eV, zatem elektron po przejściu między okładkami nabędzie energię kinetyczną 1 eV. Na obrazku po prawej napięcie jest dużo wyższe, 1000 V, i dlatego elektron rozpędzi znacznie bardziej i nabędzie energię kinetyczną 1000 eV.

Rys. Definicja jednostki - elektronowolt, źródło: opracowanie własne

Poza dżulem często stosowane są inne jednostki miary energii. „Kaloria” jest na przykład nadal stosowana w niektórych działach chemii oraz w nauce o żywieniu. Kaloria to 4,1868 J. Także techniczna jednostka „watosekunda” (wat razy sekunda) jest jednostką energii.

1 dżul to spotykana w technice „watosekunda”:

1 J = 1 W?s. Energię elektryczną często podaje się w kWh („kilowatogodzinach”), 1 kWh = 1 000 W ? 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ.