محوّل وحدات الطاقة: الجول، kWh، السعرات وBTU

محوّل وحدات الطاقة

الطاقة هي القدرة على إنجاز شغل أو إنتاج حرارة. يعيد محوّل وحدات الطاقة كتابة قيمة الطاقة من وحدة إلى أخرى، مثل التحويل من كيلوواط-ساعة إلى جول. تحوّل هذه الصفحة بين الجول والكيلوجول والسعرة الحرارية والكيلوسعرة والواط-ساعة والكيلوواط-ساعة والوحدة الحرارية البريطانية، وتعرض القيم السبع كلها في الوقت نفسه.

ما الذي يفعله المحوّل

يكتب الزائر رقمًا واحدًا ويختار الوحدة التي كُتب بها ذلك الرقم. تعرض الصفحة الطاقة نفسها بالوحدات السبع كلها.

• تُعرض النتائج بثماني خانات معنوية. التقريب يخص العرض فقط. أما التحويل فيُجرى على الرقم كما أُدخل.
• تُعرض النتيجة التي يقل حجمها عن 0.0001، أو التي تبلغ مليارًا أو أكثر، بالصيغة العلمية. ويُعرض الصفر بصورته العادية 0.
• تُقبل القيم السالبة. فالتفاعل الذي يمتص الحرارة بدلًا من إطلاقها تكون له قيمة سالبة.
• ينتج عن ترك الخانة فارغة تنبيه بدلًا من رقم. وينتج عن الرابط الذي يحمل وحدة لا تعرضها الصفحة رسالة بدلًا من إجراء تحويل.

الوحدات السبع

الجول هو وحدة الطاقة في النظام الدولي: وهو الشغل الذي تبذله قوة مقدارها نيوتن واحد أثناء تأثيرها مسافة متر واحد. وكل وحدة من الوحدات الست الأخرى تساوي عددًا ثابتًا من الجولات. وهذه الأعداد الستة ليست قياسات، لذلك لا يتغير أيٌّ منها بمرور الزمن.

معادلة تحويل الطاقة

كل وحدة هنا مضاعف ثابت للجول، ولذلك يتكون التحويل من عملية ضرب واحدة تليها عملية قسمة واحدة. تُحوَّل القيمة إلى جول، ثم تُحوَّل منه إلى الوحدة المطلوبة:

$E_2 = \frac{E_1 \times k_1}{k_2}$

حيث إن $E_1$ هي الطاقة المُدخلة، و$k_1$ هو عدد الجولات في وحدة واحدة من الوحدة المختارة، و$k_2$ هو عدد الجولات في وحدة واحدة من الوحدة المطلوبة، و$E_2$ هي الإجابة.

لا تُضاف أي قيمة ولا تُطرح أثناء العملية، لأن المقاييس السبعة كلها تقرأ الصفر عند الطاقة نفسها. الذي يتغير هو حجم الخطوة فقط. ودرجة الحرارة هي الحالة التي لا ينطبق فيها ذلك: فمقياسا سلسيوس وفهرنهايت يبدآن العد من نقطتين مختلفتين، ولذلك فإن محوّلًا يكتفي بالضرب سيعرض 0 °م على أنها 0 °F بدلًا من 32 °F.

مصدر السعرة الحرارية والوحدة الحرارية البريطانية

كانت السعرة الحرارية في الأصل كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء درجة سلسيوس واحدة، لكن تجربتين مختلفتين ثبتتا هذه الفكرة عند قيمتين مختلفتين قليلًا جدًا. تستخدم هذه الصفحة السعرة الحرارية الكيميائية، المثبتة عند 4.184 J بالضبط، وهي القيمة المستخدمة في الكيمياء ووضع بطاقات الطاقة الغذائية (1,000 منها تكوّن الكيلوسعرة المطبوعة بصيغة "Calories" على بطاقة القيم الغذائية). أما التعريف الثاني المنفصل، وهو سعرة الجدول الدولي الحرارية، فمثبت عند 4.1868 J بالضبط، ومُضمَّن في الوحدة الحرارية البريطانية أدناه بدلًا من عرضه كوحدة مستقلة هنا، لأن الفرق بين السعرتين يبلغ نحو 0.06% ومن السهل الخلط بينهما.

الوحدة الحرارية البريطانية في هذه الصفحة هي وحدة الجدول الدولي، وهي القيمة المطبوعة على معدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. وتُعرَّف بأنها الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء درجة فهرنهايت واحدة، باستخدام سعرة الجدول الدولي الحرارية:

$1\ \mathrm{BTU} = 453.59237\ \mathrm{g} \times \frac{5}{9}\,\mathrm{K/°F} \times 4.1868\ \mathrm{J/(g \cdot K)} = 1055.05585262\ \mathrm{J}$

تأتي قيمة 453.59237 غرام من اتفاقية الياردة والرطل الدولية لعام 1959، التي تثبت الرطل عند هذا العدد بالضبط من الغرامات. ويحوّل العامل 5/9 فرقًا في درجة حرارة مقداره درجة فهرنهايت واحدة إلى كلفن. والعوامل الثلاثة دقيقة، ولذلك فإن حاصل ضربها دقيق أيضًا، ويتوقف العدد العشري بدلًا من أن يتكرر.

مثال: بطارية شمسية بسعة 10 kWh

تخزن بطارية منزلية سعتها 10 kWh مقدار 10,000 واط-ساعة. وعند تحويلها إلى جول، وهي وحدة النظام الدولي المستخدمة في الفيزياء:

$E = 10 \times 3{,}600{,}000 = 36{,}000{,}000\ \mathrm{J} = 36\ \mathrm{MJ}$

عند تحويل 10 kWh نفسها إلى وحدات حرارية بريطانية، وهي الوحدة المستخدمة لتحديد حجم حمل التدفئة أو التبريد الذي يمكنها تشغيله:

$E = \frac{10 \times 3{,}600{,}000}{1055.05585262} \approx 34{,}121.416\ \mathrm{BTU}$

وإلى الكيلوسعرة، وهي الوحدة المستخدمة على بطاقة الأغذية:

$E = \frac{10 \times 3{,}600{,}000}{4184} \approx 8{,}604.2065\ \mathrm{kcal}$

يعرض الموقع لهذا الإدخال 36,000,000 J، و36,000 kJ، و8,604,206.5 cal، و8,604.2065 kcal، و10,000 Wh، و10 kWh، و34,121.416 BTU جنبًا إلى جنب.

تحويلات الطاقة الشائعة

يوضح كل صف قيمة وحدة واحدة من العمود الأيسر بكل وحدة من الوحدات السبع عند ثماني خانات معنوية.

أيّ القيم دقيق وأيّها مقرّب

تستند كل وحدة هنا إلى تعريف، لكن لا يمكن كتابة جميع هذه التعريفات بالكامل على شكل أعداد عشرية.

• 1 kJ تساوي تمامًا 1,000 J. وكيلو هو السابقة في النظام الدولي التي تعني ألفًا.
• 1 cal تساوي تمامًا 4.184 J، و1 kcal تساوي تمامًا 4,184 J. وكلا العددين العشريين منتهٍ.
• 1 Wh تساوي تمامًا 3,600 J، و1 kWh تساوي تمامًا 3,600,000 J؛ فالواط جول واحد في الثانية، والساعة تساوي 3,600 ثانية، وكلا التعريفين دقيق.
• 1 BTU (1.1 kJ) تساوي تمامًا 1,055.05585262 J، وهي مركبة من ثلاثة تعريفات دقيقة بدلًا من تخزينها كعدد عشري مختصر.

يبني المحوّل قيمة الوحدة الحرارية البريطانية من ثوابتها التعريفية بدلًا من تخزين عدد مقرب ، ولذلك فإن التقريب الذي يراه القارئ ناتج عن العرض لا عن الأعداد التي تقف خلفه. وتكفي ثماني خانات معنوية لإظهار قيمة تعريفية بوضوح، مع حجب الخانات الأخيرة من حسابات الحاسوب، التي تحمل ضوضاء التقريب لا معلومات إضافية.

الأسئلة الشائعة

كم جولًا يساوي الكيلوواط-ساعة؟ بالضبط 3,600,000 J، أو 3.6 MJ. الكيلوواط-ساعة هو الطاقة التي يستهلكها جهاز قدرته كيلوواط واحد عند تشغيله ساعة واحدة، والعدد ينتج مباشرة من كون الثانية 1/3،600 من الساعة.

هل السعرة الحرارية متساوية في كل مكان؟ لا. تستخدم هذه الصفحة السعرة الحرارية الكيميائية (4.184 J)، وهي القيمة المستخدمة في الكيمياء والمضمّنة في الكيلوسعرات الحرارية الغذائية. أما سعرة الجدول الدولي الحرارية (4.1868 J)، المستخدمة لتعريف الوحدة الحرارية البريطانية أدناه، فهي تعريف منفصل لاحق، وأكبر بنحو 0.06%.

كيف يُحوَّل kWh إلى وحدات حرارية بريطانية؟ اقسم الكيلوواط-ساعة على 0.00029307107، أو اضربه في نحو 3,412.14. فالكيلوواط-ساعة الواحد يساوي 3,412.1416 BTU (3,600 kJ).

كم جولًا تساوي السعرة الحرارية الغذائية؟ السعرة الحرارية الغذائية، أو «Calorie» بحرف C كبير، هي كيلوسعرة: تساوي تمامًا 4,184 J، أو نحو 4.184 kJ. وتحتوي وجبة خفيفة من 250 سعرة على نحو 1,046 kJ.

هل يمكن تحويل الطاقة السالبة؟ نعم. للطاقة إشارة، ولذلك تصف القيمة الأقل من الصفر تدفق الطاقة في الاتجاه الآخر، مثل تفاعل يمتص الحرارة بدلًا من إطلاقها. وتحولها الصفحة بدلًا من رفضها.

لماذا تُعرض أعداد كثيرة من الخانات؟ تحافظ ثماني خانات معنوية على وضوح القيمة التعريفية من دون إظهار الخانات الأخيرة من الحسابات، التي تحمل ضوضاء التقريب. ولا تُختصر الثوابت المخزنة مطلقًا، لذلك لا يؤثر العرض الأقصر في عملية التحويل التالية.