Как найти джоуль на килограмм

Подробнее об удельной теплоте сгорания по массе

Общие сведения

Удельная теплота сгорания по массе — это энергия, которую измеряют относительно массы сгоревшего топлива. В этой статье описана энергия, полученная при сгорании топлива и во время обмена веществ в организме. К примеру, при сгорании определенного количества углеводорода, например, пропана, выделяется энергия, которую измеряют как удельную теплоту сгорания. В системе СИ эта величина измеряется в джоулях на килограмм, Дж/кг. Удельную теплоту сгорания по массе чаще всего вычисляют для тепла, полученного при сгорании углеводородного топлива, хотя ее также можно вычислить при сгорании любого другого топлива. Метан и бутан — примеры углеводородов.

Для горения топлива необходим кислород. Чаще всего, используется кислород из окружающего воздуха. В процессе сгорания топлива выделяется тепло, а вода и углекислый газ — побочные продукты горения. Углекислый газ приносит вред окружающей среде, поэтому так широко развивается энергетика из альтернативных источников, без использования процесса сгорания. Вода, наоборот — полезный побочный продукт. Животные, например верблюды, используют жир не только как источник энергии, но и в качестве внутреннего источника необходимой организму влаги, так как при его сгорании образуется вода.

Измерение удельной теплоты сгорания

Удельную теплоту сгорания можно измерить в калориметре — приборе, предназначенном для измерения выделяемого тепла. Бомбовый калориметр — один из таких приборов, чаще всего используемый для измерения энергии, полученной при сгорании топлива. Он состоит из: изолированной внутренней камеры сгорания, в которой сжигают топливо и которую иногда называют бомбой; устройства для зажигания топлива, в основном системы проводов с электровоспламенителем; и герметичной внешней камеры, в которой нагревается вода. Температуру этой воды измеряют для определения количества энергии, выделенной при сгорании топлива.

Применение: удельная теплота сгорания топлива

Люди зависят от топлива в повседневной жизни, так как без топлива невозможна тепловая обработка пищи, обогрев и охлаждение помещений, работа техники и транспорта, освещение, и так далее. На данный момент большая часть топлива — углеводороды. Зная их удельную теплоту сгорания по массе, можно определить, какие виды топлива более экономичны. Чем больше энергии вырабатывается при сгорании определенного количества массы топлива, тем оно более экономично.

Транспортные средства перевозят необходимое им топливо на борту, что, в свою очередь увеличивает их вес и, соответственно, затраты топлива. Для каждого транспортного средства существуют ограничения по количеству веса груза, поэтому чем экономичнее топливо, тем меньше его тратится на собственное перемещение, и тем больше топлива можно загрузить в этот транспорт. Для самолетов и судов на воздушных крыльях особенно важно, чтобы топливо выделяло как можно больше энергии, при сгорании единицы массы.

Весовые ограничения в самолетах

В самолетах главные топливные баки находятся в крыльях. Если необходимо большее количество топлива, то его заливают в баки в фюзеляже. Часто, из-за ограничений в весе в полет берут только топливо, необходимое для данного маршрута. Остальное свободное место используют для груза и пассажиров. Обычно маршруты планируют так, чтобы самолету не нужно было останавливаться на пути для дозаправки. То есть, в большинстве случаев максимальная продолжительность маршрута определяется максимально возможным количеством топлива на борту. Ограничения общего веса груза и необходимость перевозить топливо обусловливают ограничения по весу багажа, принятые авиакомпаниями. По этой же причине большинству пассажиров приходится платить за багаж с перевесом или за дополнительные чемоданы. Обычно самолет заправляют топливом, необходимым для рейса в один конец, но иногда из-за высокой цены топлива в некоторых аэропортах, авиакомпаниям выгоднее заправить топливо на дорогу туда и обратно — в этих случаях ограничения багажа по весу соблюдаются особенно строго.

Грузовые перевозки

Весовой расчет самолетов особенно важен при перевозках крупногабаритных грузов, особенно для самолетов, предназначенных для перевозки космических аппаратов. Космический аппарат обычно очень тяжелый и это означает необходимость иметь достаточно топлива на борту, чтобы его хватило для перелета на заданное расстояние.

На данный момент самый большой транспортный самолет, способный перевозить космические аппараты — это Ан-225 «Мрiя», построенный в СССР и ныне принадлежащий украинской авиакомпании Авиалинии Антонова. Изначально на нем перевозили космический корабль «Буран», но после распада СССР полеты «Бурана» больше не планировались, и надобность в его перевозках отпала. С 1994 по 2000 годы Ан-225 не использовали, но в 2000-м году его восстановили и доработали самолет так, чтобы он соответствовал мировым стандартам безопасности. С 2001 года его используют для перевозки крупногабаритных грузов. Ан-225 весит 250 тонн без груза, и может перевозить до 300 тонн груза. Максимальный взлетный вес этого самолета — 640 тонн, включая вес самого самолета. То есть, в него можно загрузить 640 – 250 – 300 = 90 тонн груза при полных баках топлива. Для сравнения, если бы Ан-225 перевозил пассажиров, то 50 тонн из этих 90 занимали бы 500 пассажиров с багажом (из расчета по 100 кг на пассажира и его багаж). Полные баки топлива нужны далеко не всегда. С минимальным количеством топлива, нужным для коротких расстояний, в Ан-225 можно загрузить до 250 тонн груза.

На данный момент самый тяжелый груз, который перевозил Aн-225 — 4 танка, которые в сумме весили 254 тонны. С таким грузом он может пролететь на расстояние 1 000 километров, с 640 – 254 – 300 = 86 тоннами горючего. Сейчас существует только один такой самолет, второй экземпляр недостроен. Ан-225 перевез много интересных и полезных грузов, например продукты и другую гуманитарную помощь для жертв стихийных бедствий, продовольствие и предметы снабжения для военных, локомотивы, генераторы, ветряные турбины, и другие крупногабаритные и тяжелые грузы.

Пассажирские самолеты

Подобным образом можно также вычислить вес грузов, которые могут перевозить пассажирские самолеты. Например, Боинг 777-236/ER на фотографии весит 138 тонн без груза. Он может поднять на взлете до 298 тонн. В нем помещается 440 пассажиров, то есть при максимальной загрузке пассажиры и их багаж весят 400 × 100 кг = 40 000 кг или 40 тонн. На топливо и дополнительный багаж остается 298 – 40 – 138 = 120 тонн.

Потребление топлива в этом самолете меняется во время самого полета и от полета к полету, в зависимости от типа полета, общего веса, который изменяется по мере сжигания топлива, и по другим причинам. Очень приблизительная оценка расхода топлива для Боинга 777-236/ER — 8 000 килограммов или 8 тонн топлива в час. Значит, если на борту 440 пассажиров и остальное место занято топливом, то самолет может пробыть в полете до 15 часов. Проверим правильность наших вычислений на веб-сайте Боинга. Там 777-236/ER описан как самолет, который может пролететь до 14 310 километров или около 8892 миль. Его крейсерская скорость равна 905 км/ч (562 миль в час), то есть, он может находиться в полете 14 310 / 905 = 15,8 часов. Эта величина достаточно близка к нашему результату.

Для сравнения, межконтинентальный полет между Лондоном и Нью-Йорком — примерно 7 часов. На данный момент один из наиболее продолжительных полетов — между Сингапуром и городом Ньюарк (штат Нью-Джерси). Этот полет занимает 18 часов 50 минут.

Другой пример вычислений веса топлива — для Аэробуса Airbus A310. На фотографии — его пассажирская кабина во время полета Монреаль, Канада — Париж, Франция. Этот самолет меньше, чем Боинг 777-236/ER: его длина составляет 46,66 метра или 153 фута и 1 один дюйм (по сравнению с 63,7 метра или 209 футами и 1 дюймом). Его высота — 15,80 метра или 51 фут и 10 дюймов (высота Боинга — 18,5 метров или 60 футов и 9 дюймов). Максимальный взлетный вес — 150 тонн, а вес самолета без топлива равен 113 тоннам. То есть, этот самолет может взять на борт дополнительные 150 – 113 = 37 тонн груза. В нем до 220 пассажирских мест, то есть с полной загрузкой пассажиры и их багаж весят 220 × 100 кг = 22 000 кг или 22 тонны. При этом остается 37 – 22 = 15 тонн веса на топливо. На веб-сайте компании, которая строит самолеты Airbus указано, что максимальный вес, груза (пассажиры + багаж) может быть до 21,6 тонн, то есть, почти тот вес, который мы и получили в наших вычислениях для пассажиров и багажа. При полной загрузке и полных баках топлива у этого самолета не остается места на дополнительный вес, поэтому ограничения багажа пассажиров для этих самолетов строго выполняются.

Максимально допустимый вес указан в инструкции по эксплуатации и в самолет нельзя загружать груз, превышающий этот допустимый вес, так как это опасно. Чем тяжелее самолет, тем больше авиакомпания платит за использование этим самолетом аэропорта, поэтому иногда авиакомпании еще больше ограничивают максимально допустимый вес груза.

Суда на подводных крыльях

Вес — важная величина не только для самолетов, но и для судов на подводных крыльях. Такие суда похожи по конструкции на обычные морские и речные суда и могут держаться на поверхности воды, но двигаются по принципу движения самолета, то есть «летят» по воде. Как и следует из названия, подводные крылья остаются под водой и создают подъемную силу. При этом корпус судна поднимается над водой, что уменьшает сопротивление, так как сопротивление воздуха намного ниже сопротивления воды. Благодаря этому суда на подводных крыльях развивают более высокие скорости, по сравнению с обычными судами.

Задача инженеров, разрабатывающих новые модели — уменьшить вес корпуса, в тоже время не уменьшая его прочность. При этом увеличивается грузоподъемность судна. Для уменьшения веса корпус часто делают из сплавов алюминия.

На фотографии — судно на подводных крыльях серии «Восход», построенное на Феодосийском заводе «Море» в Крыму. Это судно находится в Канаде. Оно предназначено для пассажирских перевозок по рекам, озерам, и в прибрежных водах. Максимальная скорость, которую может развить «Восход» — до 65 км/ч. Суда этой серии — одни из самых популярных судов на подводных крыльях в мире, и завод «Море» выпускает их не только для местного использования, но и для ряда европейских стран, Китая, Вьетнама и Таиланда. В некоторых странах, в частности, в Камбодже строят суда на подводных крыльях по проекту «Восхода».

Самые экономичные с точки зрения потребления топлива суда на подводных крыльях — это те, в которых используется мускульная сила человека. То есть, пассажир становится источником энергии, а, значит, вес топлива равен нулю. Для того чтобы удержать такое судно на воде нужна сноровка, но такие средства передвижения пользуются большой популярностью благодаря их скоростям до 30 км/ч. Они особенно популярны у тех, кто любит самостоятельно строить модели, так как их конструкция достаточно проста, чертежи можно найти в Интернете, и для их постройки не нужно специальное оборудование.

Применение: получение энергии в процессе метаболизма

Еда — форма энергии для организма животных

Энергия необходима всем живым существам. Она вырабатывается в процессе метаболизма. Этот процесс похож на сжигание топлива. Огонь в организме не горит, но аналогично с горением, для получения энергии нужен кислород, и во время этого окислительно-восстановительного процесса выделяются вода и углекислый газ. Именно поэтому кислород необходим всем живым организмам.

Энергия в пищевых продуктах содержится в углеводах и белках (17 кДж/г), жирах (38 кДж/г), и алкоголе (30 кДж/г). Питательные вещества в еде преобразуются в процессе метаболизма в глюкозу, амино- и жирные кислоты, после чего организм преобразует их в энергию, легко усваиваемую организмом — в фермент аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ передвигается по организму и несет энергию к клеткам, которые в этой энергии нуждаются.

Удельную теплоту сгорания для продуктов питания измеряют в джоулях на килограмм, а также в калориях на грамм. Последние единицы используют чаще. Обычно эту энергию измеряют в бомбовых калориметрах, где продукты питания сжигают, аналогично другому топливу. При этом выделяется углеводород и вода — также как и во время метаболизма.

Еду с высокой удельной теплотой сгорания, то есть ту, которая выделяет большее количество энергии на единицу массы продукта, называют едой высокой энергетической плотности. С увеличением воды и других низкокалорийных веществ в продукте, например клетчатки, эта плотность уменьшается. Жир, наоборот, увеличивает энергетическую плотность, так как в нем содержится больше калорий на грамм, чем в других пищевых компонентах. То есть, чем больше жира в продукте — тем больше его удельная теплота сгорания по массе.

Потребление энергии в экстремальных условиях

Составляя меню для походов и других путешествий, где еду переносят вручную или везут на собаках, мулах, и других животных, необходимо знать удельную теплоту сгорания продуктов. Чем она меньше, тем больше энергии, полученной от этой еды, люди или животные тратят на то, чтобы перенести эту еду. Это особенно значительно, если эти путешествия — продолжительны. Конечно, в таких ситуациях также учитывают и пищевую ценность продукта. Если на маршруте есть вода, то стараются брать с собой сухие или специально высушенные для этих целей продукты, так как они намного меньше весят, чем обычные.

Исследователи, которые работают в Арктике и Антарктике, часто перевозят продукты и другие необходимые вещи на собаках, или несут их сами, поэтому им особенно важно знать удельную теплоту сгорания продуктов.
Это важно еще и потому, что им требуется как минимум в три раза больше калорий, чем людям в нормальных условиях. В холодную погоду организм использует огромное количество энергии на поддержание постоянной температуры тела. Кроме этого во время экспедиций в Арктике и Антарктике люди испытывают бо́льшие физические нагрузки, чем в обычных условиях; этим и объясняются дополнительные энергетические затраты. По этим причинам в экспедиции берут продукты высокой энергетической плотности, например шоколад (в нем содержится много жиров и углеводов), масло, орехи и сушеное мясо.

Некоторые исследователи считают, что экспедиция на Южный полюс 1912 года в рамках экспедиции «Терра Нова», возглавляемая Робертом Фолконом Скоттом, потерпела неудачу и пятеро участников погибли потому, что они неправильно вычислили количество калорий, необходимое им на каждый день, и не взяли с собой достаточно еды. Считается также, что они ошиблись и с выбором продуктов, выбирая еду с удельной теплотой сгорания ниже, чем у жира. Так, они предполагали, что 4 500 калорий в день должно быть достаточно, хотя на самом деле они расходовали около 6 000 калорий или больше. Хотя они и ели масло, они не запаслись едой высокой энергетической плотности в достаточном количестве, а вместо этого использовали много белковых продуктов. В результате количество калорий в той еде, что была у них, было недостаточно.

Отложение жира — как способ хранения энергии

Животные откладывают жир и используют его, когда не могут добыть еду. В процессе метаболизма жира выделяется вода, которую животные используют, когда у них нет доступа к питьевой воде. Жир также удобен тем, что в нем больше энергии на грамм, чем в других питательных веществах. Соответственно, одно и то же количество энергии в жире легче переносить, как часть собственного тела, чем другие вещества. Верблюды хранят жир в горбу, и в результате, пока этих запасов достаточно, они всегда, даже в пустыне, имеют доступ к воде и энергии. В горб помещается от 15 до 20 кг жира. Жировые отложения для тех же целей есть и у китов, тюленей, белых медведей, и у многих других животных.

Исследователи считают, что люди создают в организме запас энергии, «откладывая жир». Согласно некоторым теориям о том, как появился этот механизм, считается, что такой способ энергетических запасов в организме развился в процесс эволюции для того, чтобы обеспечивать доступ к энергии даже тогда, когда питаться нечем. Некоторые также полагают, что процент жира в организме у женщин выше потому, что во время беременности и ухода за маленькими детьми они не могли охотиться или собирать еду, поэтому им были необходимы большие запасы жира, по сравнению с мужчинами. Это было особенно важно в том случае, если мужчины не могли добыть достаточно еды для себя, для женщин и детей, и съедали ее сами. Теперь такой необходимости больше нет, но эволюционные приспособления меняются медленно, поэтому люди до сих пор откладывают жир. Считается, что это одна из причин эпидемии избыточного веса во многих развитых странах, где много дешевой и легкодоступной еды.

Энергия, используемая микроорганизмами и растениями

Большинство животных получает энергию из описанных выше органических веществ, то есть из жиров, белков и углеводов. Микроорганизмы, наоборот, получают энергию из неорганических веществ, например из аммиака, водорода, сульфидов и оксида железа. Растения используют солнечную энергию, преобразуя ее в химическую при фотосинтезе. Также как и во время метаболизма у животных, в процессе фотосинтеза и метаболизма микроорганизмов вырабатывается вещество АТФ, которое напрямую используется растениями и микроорганизмами как энергия.

Удельная теплота сгорания широко распространенных видов топлива и пищевых продуктов

Литература

Введите значение в Дж (Джоулях):

Из энергии (в Дж) в килограммы

Если в Джоулях измеряется энергия объекта в состоянии покоя, то масса объекта по формуле Эйнштейна в килограммах равна:

Из работы (в Дж) в килограммы

Если в Джоулях измеряется работа по перемещению тела, то необходимо ввести дополнительные данные:

Введите перемещение тела в м (метрах):

Введите ускорение тела в м/с²  (в метрах на секунду в квадрате):

(Справка: если тело свободно падает, то ускорение свободного падения g = 9,80665 м/с²)

В результате масса тела в килограммах равна:

Как перевести из Дж в кг?

Джоуль (Дж, J) — это единица измерения работы, энергии или количества теплоты по Международной системе единиц СИ (код ОКЕИ 271).

Килограмм (кг, kg) — это единица измерения массы по Международной системе единиц СИ (код ОКЕИ 166)

Таким образом:

Если в Джоулях измеряется энергия, то массу можно найти по формуле из  уравнения Эйнштейна E = mc²:

m = E / с², где

m — это масса тела в килограммах (кг);

Е — это полная энергия физического объекта в состоянии покоя в Джоулях;

с — это скорость света в вакууме (с = 299 792 458 м/с).

Если в Джоулях измеряется работа по перемещению тела, то массу можно найти по формуле:

m = A / (a*s), где

m — это масса тела в килограммах (кг);

А — это работа совершаемая при перемещении тела в Джоулях (Дж);

a — это ускорение тела в м/c² (метрах в секунду в квадрате) (ускорение свободного падения 9,80665 м/с²);

s — это перемещение тела в м (метрах).

Из Дж в кДж (из Джоулей в килоДжоули) онлайн

Основная единица

джоуль на килограмм

J/kg

Мастер

(1408),
закрыт

11 лет назад

Татьяна Амбарова

Знаток

(297)


11 лет назад

Может быть 9,8 дж