Калькулятор энергии

Калькулятор решает задачи по физике на энергию и количество теплоты и помогает в бытовых оценках: сколько энергии нужно, чтобы нагреть воду, сколько электроэнергии потратит прибор, какую энергию имеет движущийся автомобиль.

Как ввести данные. Сначала выберите вид энергии - появятся нужные поля. Все величины - в единицах СИ.

• Кинетическая: масса в килограммах и скорость в м/с. Скорость в км/ч разделите на 3,6: 72 км/ч = 20 м/с.
• Потенциальная: масса в килограммах и высота в метрах.
• Количество теплоты: масса в килограммах (1 л воды примерно 1 кг), удельная теплоёмкость в Дж/(кг*градус Цельсия) и изменение температуры в градусах. Ориентиры теплоёмкости: вода - 4200, воздух - 1005, сталь - 460, алюминий - 920.
• Электрическая: мощность в ваттах и время в секундах. 1 час = 3600 с, 2 кВт = 2000 Вт.

Что получится. Энергия в джоулях и она же в килоджоулях, киловатт-часах и килокалориях. Киловатт-часы - единица счёта за электроэнергию, килокалории - привычная единица в питании и теплотехнике.

Ограничения. Расчёт количества теплоты не учитывает потери тепла, плавление и кипение: нагрев воды выше 100 градусов Цельсия и превращение в пар считаются по другим формулам. Реальный чайник тратит больше энергии, чем показывает формула.

Типичные ошибки.

• Подставляют скорость в км/ч - кинетическая энергия завышается почти в 13 раз.
• Подставляют время в часах в поле секунд.
• Для воды вводят объём в миллилитрах вместо массы в килограммах.

Как проверить. Чайник мощностью 2 кВт за 336 секунд потребляет 672 кДж - ровно столько нужно, чтобы нагреть 2 л воды на 80 градусов Цельсия.

Формулы - из школьного курса физики (Пёрышкин А. В., "Физика. 7-8 класс": "Кинетическая и потенциальная энергия", "Количество теплоты. Удельная теплоёмкость"). Электрическая энергия - работа тока через мощность.

Кинетическая: Энергия = Масса * Скорость^2 / 2
Потенциальная: Энергия = Масса * Ускорение свободного падения * Высота подъёма
Количество теплоты: Энергия = Теплоёмкость * Масса * Нагрев
Электрическая: Энергия = Мощность * Время работы
кДж = Дж / 1000
кВт*ч = Дж / 3 600 000
ккал = Дж / 4186,8

• Масса - кг; Скорость - м/с; Высота подъёма - м; Теплоёмкость - удельная теплоёмкость вещества, Дж/(кг*градус Цельсия); Нагрев - на сколько градусов нагреваем, градусов Цельсия; Мощность - Вт; Время работы - с.
• Ускорение свободного падения 9,80665 м/с^2 - стандартное ускорение свободного падения, принятое III Генеральной конференцией по мерам и весам (1901). В школьных задачах часто берут 9,8 или 10 - ответ будет немного отличаться.
• 1 кВт*ч = 3 600 000 Дж - точное соотношение (1 кВт * 3600 с). 1 ккал = 4186,8 Дж - международная калория (ГОСТ 8.417-2002).

Точность. Джоули - 4 знака после запятой, кДж и ккал - 6, кВт*ч - 8.

Когда ответа нет. Не выбран вид энергии - калькулятор не угадывает его по введённым полям. Не заполнено любое поле выбранного вида - расчёт не выполняется.

Пример 1. Автомобиль 1000 кг на скорости 20 м/с (72 км/ч).

Энергия = 1000 * 20^2 / 2 = 200 000 Дж = 200 кДж
= 200 000 / 3 600 000 примерно 0,05555556 кВт*ч
= 200 000 / 4186,8 примерно 47,769179 ккал

Пример 2. Нагрев 2 кг воды на 80 градусов Цельсия: 4200 * 2 * 80 = 672 000 Дж = 672 кДж примерно 0,18666667 кВт*ч. Пример 3. Груз 10 кг на высоте 5 м: 10 * 9,80665 * 5 = 490,3325 Дж.