• X
  • TranslatorsCafe.com
  • Convertoare de unități online
  • Uzual
  • Mecanică
  • Căldură
  • Fluide
  • Sunet
  • Ușoară
  • Electric
  • Magnetism
  • Radiații
  • Diverse
  • Calculatoare
  • Engleză Statele Unite)

Conversia kilogramului/kilojoule [kg/kJ] în calorii (IT)/gram [cal (IT)/g]

Densitatea fluxului magnetic

Prezentare generală

Se numește energia măsurată pentru o anumită unitate de masă de combustibil energie specifică. Acest articol discută despre energia generată de combustie și metabolism. De exemplu, arderea (arderea) unei anumite mase de hidrocarburi, de exemplu, propanul, va genera o anumită cantitate de energie sau căldură specifică. Se măsoară în jouli pe kilogram (J/kg) în sistemul SI. Energia specifică este calculată cel mai frecvent pentru căldura generată prin arderea hidrocarburilor, deși mulți alți combustibili pot fi arși. Metanul și butanul sunt câteva exemple de hidrocarburi.

conversia

Oxigenul trebuie să fie prezent pentru ca combustia să se producă - în majoritatea cazurilor se folosește oxigen din aer. Atunci când energia este generată prin arderea hidrocarburilor, produsele secundare sunt apa și dioxidul de carbon. Acesta din urmă are un efect negativ asupra mediului nostru, motiv pentru care industria energiei alternative care generează energie fără acest produs secundar se dezvoltă rapid. În timp ce dioxidul de carbon este dăunător, pe de altă parte, apa produsă în timpul arderii este utilă - unele animale o folosesc ca sursă internă de apă - de exemplu, cămilele, așa cum este descris mai jos.

Măsurarea energiei specifice

Energia specifică poate fi măsurată prin calorimetre - dispozitive care măsoară căldura. Calorimetrele de bombă sunt utilizate cel mai frecvent cu energia generată prin ardere. Un calorimetru de bombă constă dintr-o cameră interioară izolată, cunoscută și sub numele de „bombă” în care este furnizat oxigenul și combustibilul arde; un dispozitiv pentru aprinderea combustibilului, care constă de obicei din fire electrice; și o cameră exterioară izolată cu un recipient de apă în jurul camerei interioare care se încălzește pe măsură ce combustibilul este ars. Se măsoară temperatura apei din această cameră exterioară.

Aplicații: combustibil

Oamenii depind de combustibili în viața de zi cu zi. Sunt utilizate pentru gătit, încălzire, alimentarea mașinilor și vehiculelor, iluminare și în alte scopuri. În prezent, majoritatea combustibililor sunt pe bază de hidrocarburi, iar calcularea căldurii lor de ardere ca energie specifică pe masă este utilă pentru compararea diferiților combustibili și a eficienței acestora. Cu cât se poate produce mai multă energie cu o anumită masă de combustibil - cu atât este mai eficient acest combustibil.

Vehiculele care sunt alimentate cu combustibil trebuie să îl transporte la bord și există adesea limitări privind cantitatea de masă suplimentară din combustibil pe care o pot transporta aceste vehicule. Prin urmare, ca urmare a acestor limitări, energia specifică pe masă a combustibilului determină cât de departe pot călători. Pentru astfel de vehicule, este important să aveți combustibil cu o energie specifică cât mai mare pe o anumită unitate de masă posibilă. Acest lucru este valabil mai ales pentru aeronave și hidrofoiluri.

Restricții privind greutatea aeronavelor

Combustibilul din aeronave este stocat în aripi și, dacă este nevoie de mai mult combustibil, atunci este stocat în rezervoare suplimentare în fuzelaj. Restricțiile de greutate pe o aeronavă duc adesea la necesitatea de a aduce doar atât combustibil cât este necesar pentru o anumită distanță, pentru a putea folosi restul greutății permise pentru a transporta pasageri și mărfuri. Rutele aeriene, în special cele ale companiilor aeriene comerciale, sunt adesea calculate astfel încât avioanele să poată transporta suficient combustibil fără a fi nevoie să facă o escală pentru realimentare. Distanțele sunt astfel selectate pentru a fi atâta timp cât permite alimentarea cu combustibil la bord. Restricția de greutate este, de asemenea, motivul pentru care pasagerilor li se permite o cantitate limitată de bagaje și de ce li se percep taxe mari pentru bagajele suplimentare sau supraponderale. În unele cazuri, datorită prețului combustibilului la aeroportul de destinație, aeronava poate fi alimentată și pentru călătoria de întoarcere - în acest caz, restricțiile de greutate pot fi deosebit de strânse.

Transportatori de marfă

Considerațiile legate de greutate sunt deosebit de importante pentru avioanele de navetă spațială și alte modele similare, care sunt proiectate pentru a transporta un alt vehicul zburător, cum ar fi navele spațiale. O navă spațială este foarte grea, în comparație cu greutatea mărfurilor și pasagerilor convenționali, iar transportatorii de nave spațiale trebuie să poată acomoda această greutate suplimentară și să aibă suficient combustibil pentru a acoperi distanța necesară.

Cea mai mare navă spațială și avioane de marfă supraponderale, Antonov An-225 Mriya, operată în prezent de un transportator ucrainean Antonov Airlines este un exemplu de astfel de vehicul. Acesta a fost conceput pentru a transporta Buran, care era un vehicul orbital sovietic, similar cu naveta spațială a NASA. An-225 cântărește 250 de tone când este gol și poate transporta până la 300 de tone de combustibil. Greutatea maximă totală pe care o poate ridica este de 640 de tone, inclusiv greutatea proprie. Astfel, dacă transportă rezervoare pline de combustibil, nu poate transporta decât încărcături suplimentare cu greutatea de 640 - 250 - 300 = 90 de tone. Dacă ar fi transportat pasageri, 50 de tone din acea greutate ar fi fost folosite la 500 de pasageri cu bagaje, dacă estimăm că un pasager mediu cu bagaj cântărește 100 de kilograme. Pe de altă parte, cu un combustibil minim folosit pentru a parcurge o distanță mică, An-225 poate transporta până la 250 de tone de marfă.

Cea mai grea încărcătură înregistrată pe care a purtat-o ​​vreodată An-225 a inclus 4 tancuri de luptă cu o greutate totală de 254 tone. Cu o cantitate de combustibil de 640 - 254 - 300 = 86 de tone a zburat la o distanță de 1.000 km. În acest moment este construită doar o singură aeronavă An-225, a doua fiind incompletă. Această aeronavă a transportat provizii de ajutorare în caz de catastrofe, provizii și mese militare, locomotive, generatoare, turbine eoliene și alte obiecte grele sau mari.

Avioane de pasageri

Un exemplu de calcul pentru o aeronavă de pasageri este următorul. Pentru Boeing 777-236/ER din imagine, greutatea totală a unui avion gol este de 138 de tone. Greutatea maximă pe care o poate suporta la decolare este de 298 tone. Poate găzdui până la 440 de pasageri, ceea ce face ca greutatea maximă a pasagerului + încărcătură să fie de 400 × 100 kg = 40.000 kg sau 40 de tone. Acest lucru lasă 298 - 40 - 138 = 120 de tone pentru încărcătură suplimentară și combustibil.

Consumul de combustibil variază pe parcursul zborului și pentru zboruri diferite, în funcție de greutatea totală transportată, de tipul zborului și de multe alte variabile. După o estimare aproximativă, Boeing 777-236/ER folosește aproximativ 8.000 kg sau 8 tone de combustibil pe oră. Aceasta înseamnă că această aeronavă poate zbura până la 15 ore dacă folosește toate cele 120 de tone pentru combustibil și are toți 440 de pasageri cu bagaje la bord. Să verificăm acuratețea calculelor noastre. Specificațiile de pe site-ul Boeing indică faptul că la sarcină maximă 777-236/ER poate zbura pe o distanță de până la 14.310 km. Este vorba de aproximativ 8892 mile. Viteza de croazieră este de 905 km/h (562 mph), ceea ce înseamnă că poate zbura aproximativ 14.310/905 = 15,8 ore. Acest lucru este aproape de estimarea de mai sus.

Pentru comparație, un zbor intercontinental între Londra și New York este de aproximativ 7 ore. În prezent, unul dintre cele mai lungi zboruri non-stop este între Singapore și Newark (18 ore și 50 de minute).

Un alt exemplu de transportator de pasageri este Airbus A310. În imagine este cabina sa în timpul zborului dintre Montreal, Canada și Paris, Franța. Este mai mic decât Boeing 777-236/ER: 46,66 metri sau 153 picioare 1 inch în lungime (comparativ cu 63,7 metri sau 209 picioare 1 inch) și 15,80 metri sau 51 picioare 10 inchi în înălțime (comparativ cu 18,5 metri sau 60 picioare 9 inci). Poate transporta până la 150 de tone în timpul decolării, iar greutatea sa fără combustibil (greutatea zero a combustibilului) este de 113 tone. Aceasta înseamnă că greutatea suplimentară pe care o poate transporta este de 150 - 113 = 37 de tone. Poate avea până la 220 de pasageri (220 × 100 kg = 22.000 kg sau 22 de tone) la bord, deci, cu o încărcătură completă, poate avea 37 - 22 = 15 tone de combustibil. Airbus specifică că sarcina utilă maximă (marfă + pasageri) pe care o poate transporta este de 21,6 tone, iar estimarea noastră pentru greutatea pasagerilor și a bagajelor ne oferă 22 de tone. Aceasta înseamnă că echipajul de pe Airbus trebuie să se asigure că pasagerii respectă restricțiile de greutate.

Greutatea maximă permisă pentru operarea aeronavei este specificată în manualul de operare. Avioanelor nu li se permite să opereze cu greutăți care depășesc aceste alocații maxime, deoarece le va pune în pericol siguranța. Aceste limite de greutate ar putea fi reduse în continuare de companiile aeriene din cauza costurilor asociate cu utilizarea aeroportului pentru aeronave mai grele.

Hidrofoiluri

Vehiculele cu hidrofil sunt la fel de sensibile la greutate ca aeronavele. În general, trebuie să aibă proprietățile unei bărci pentru a rămâne pe linia de plutire, dar și unele proprietăți aerodinamice ale unei aeronave, pentru a „zbura” deasupra suprafeței apei. Foliile rămân scufundate în apă și generează ridicarea, ridicând carena din apă. Tragerea aerului este mult mai mică decât tracțiunea apei și acest lucru face ca aceste vehicule să se deplaseze mai repede decât bărcile convenționale, deoarece tracțiunea apei pe corp este minimizată.

Inginerii lucrează în mod constant la îmbunătățirea structurii lor, pentru ao face mai ușoară, rămânând totuși puternic din punct de vedere structural. Acest lucru ajută la creșterea cantității de combustibil și mărfuri (sau a numărului de pasageri) pe care o poate lua un hidrofil. Aliajele de aluminiu sunt adesea folosite pentru corpul hidrofoilelor deoarece sunt ușoare.

În imagine este un hidroavion de tip Voskhod, construit în Feodosiya, Rusia, la uzina de construcții navale Morye (din „Marea” rusească). Hidrofoilul din imagine este acum în funcțiune în Canada. Este proiectat pentru utilizare pe râuri, lacuri și în zonele de coastă și poate atinge viteze de până la 65 km/oră. Voskhod este unul dintre modelele populare de hidrofoil și, pe lângă Rusia și Ucraina, este operat într-o serie de țări europene, în China, Vietnam și Thailanda. Există și modele construite local bazate pe designul Voskhod, de exemplu în Cambodgia.

Unele dintre cele mai eficiente combustibile ale hidroavioanelor sunt alimentate de om, deoarece pasagerul devine sursa de combustibil, astfel nu se adaugă masă de combustibil. Cei mai mulți dintre ei necesită abilitate și practică pentru a naviga și se pot deplasa până la 30 km/h. Acestea sunt vehicule populare de creat, datorită simplității relative a designului lor, pentru viteza pe care o pot oferi. Există mai multe modele diferite și pot fi alimentate prin pedalare sau sărind pe el. Multe site-uri web oferă videoclipuri și instrucțiuni pas cu pas, cu fotografii și diagrame despre cum se realizează diferite tipuri de hidrofoiluri alimentate de om.

Aplicații: Energie pentru metabolizare

Alimentație - Energie pentru corpul animalelor

Energia este vitală pentru toate ființele vii. Este generat prin metabolism - un proces similar în unele moduri cu arderea convențională. Deși nu există foc „real” care arde în interiorul organismului, ca și în cazul arderii, oxigenul este încă necesar pentru metabolism, iar energia este generată de subproduse de dioxid de carbon și apă. Acesta este motivul pentru care oxigenul este atât de vital pentru toate ființele vii.

Sursele de energie din alimente includ carbohidrați și proteine ​​atât la 17 kJ/g, grăsimi la 38 kJ/g, cât și alcooli la 30 kJ/g. Metabolismul descompune substanțele nutritive din alimente în componente precum glucoza, aminoacizii și acizii grași și le transformă în energie chimică sub forma enzimei sintetizate adenozin trifosfat (ATP). ATP își transportă energia către celulele care trebuie să o folosească și este absorbită de aceste celule.

Energia specifică a alimentelor poate fi măsurată. În unele cazuri, se calculează ca jouli pe kilogram, dar mai des se folosesc calorii pe gram. De obicei, măsurătorile energiei specifice alimentelor se fac prin ardere într-un calorimetru bombă, la fel ca și în cazul altor tipuri de combustibil. Dacă alimentele sunt arse într-un calorimetru, energia sa este eliberată împreună cu dioxidul de carbon și apa ca subproduse - la fel ca în timpul metabolismului.

Se spune că alimentele care produc o cantitate mare de energie pe o anumită unitate de masă au o cantitate mare densitatea energiei. Pe măsură ce crește cantitatea de apă și nutrienți cu energie scăzută, cum ar fi fibrele, densitatea energetică a alimentelor scade. Grăsimile au o valoare energetică specifică ridicată, de aceea alimentele bogate în grăsimi au o densitate mare de energie, ceea ce înseamnă că au o energie specifică mare pe masă.

Consumul de energie în condiții extreme

Este util să cunoașteți energia specifică alimentelor atunci când faceți un plan de masă pentru drumeții și alte excursii în care alimentele trebuie transportate de oameni sau animale, în special pentru perioade lungi de timp. Conținutul nutrițional al alimentelor este, de asemenea, extrem de important, dar dacă apa poate fi găsită pe calea pe care o iau oamenii, atunci sunt preferate alimentele deshidratate, deoarece au o energie specifică mai mare.

Exploratorii din Arctica și Antarctica folosesc adesea câini pentru a-și transporta echipamentele și proviziile, iar minimizarea greutății este foarte importantă pentru ei. De multe ori, de asemenea, nu au condiții bune pentru a găti mâncarea. Exploratorii au nevoie de cel puțin trei ori mai multă energie pentru activitățile lor zilnice decât oamenii în condiții normale. Acest lucru se datorează faptului că, în general, au o rată ridicată de activitate fizică, iar corpul are nevoie de energie suplimentară pentru a menține o temperatură constantă. Datorită acestor limitări și nevoi, consumă o mulțime de alimente cu un conținut specific de energie, cum ar fi ciocolată (bogată în carbohidrați și grăsimi), unt și nuci, precum și carne deshidratată.

Se crede că unul dintre motivele pentru care cei cinci exploratori ai Expediției Terra Nova din 1912 către Polul Sud, condus de Robert Falcon Scott, nu au supraviețuit călătoriei de întoarcere a fost estimarea inexactă a necesităților totale zilnice de energie per persoană. De asemenea, nu au folosit suficiente alimente bogate în energie specifică. În special, unii cercetători consideră că bărbații aduceau doar suficientă hrană pentru a-și permite 4.500 de calorii pe zi, în timp ce estimările actuale necesită 6.000 de calorii sau mai mult. Nu au putut transporta mai multe alimente cu ele, deoarece au ales alimentele cu densitate mai mică de energie, cum ar fi proteinele. În timp ce au mâncat unt, cercetătorii cred acum că trebuie să mănânce mai multe grăsimi și carbohidrați, dar nu au nevoie de atât de multe proteine ​​cât au mâncat de fapt.

Depozitarea grăsimilor ca surse de energie

Grăsimea este ceea ce unele animale folosesc pentru a supraviețui lipsurilor de alimente și apă. Apa este un produs secundar al metabolismului, de aceea depozitarea grăsimilor le oferă animalelor acces la apă suplimentară. Deoarece grăsimile redau mai multă energie pe gram decât proteinele și carbohidrații, este un combustibil preferat de depozitat intern. Camilele, de exemplu, depozitează grăsimea în cocoașă, astfel încât să aibă acces la energie și apă în timpul călătoriilor lungi în deșert. Au aproximativ 15-20 de kilograme de grăsime. Balenele, focile, urșii polari și multe alte creaturi stochează, de asemenea, excesul de alimente sub formă de grăsime.

Unii oameni de știință fac ipoteza că tendința oamenilor de a depozita grăsimi provine din aceeași nevoie evolutivă de a se susține în perioade de lipsă de alimente. Unii cred, de asemenea, că femeile au un procent mai mare de grăsime corporală, deoarece erau restricționate în mod evolutiv la vânătoare și strângere atunci când îngrijeau copiii, astfel încât grăsimea suplimentară le susținea în acele momente. Dacă bărbații care au avut grijă de ei și copiii nu au prins suficientă mâncare, este posibil să fi mâncat singuri acest aliment, iar femeile să nu fi primit. De aici și nevoia de rezerve suplimentare de grăsime. Acum majoritatea oamenilor nu au această nevoie, dar corpul acumulează în continuare grăsimi atunci când oamenii mănâncă mai mult decât au nevoie - aceasta este una dintre cauzele posibile ale epidemiei de obezitate în majoritatea țărilor dezvoltate, unde alimentele sunt abundente, ieftine și ușor accesibile.

Energia din alte organisme și plante

Majoritatea animalelor obțin energie din componente organice, și anume proteine, carbohidrați și grăsimi. Microbii, pe de altă parte, extrag energie din componente anorganice precum amoniac, hidrogen, sulfuri și monoxid de fier. Plantele obțin energie din radiația solară și o convertesc în timpul procesului de fotosinteză în energie chimică pe care celulele lor o pot folosi. ATP este utilizat în timpul fotosintezei la plante și al metabolismului microbian într-un mod similar cu cel utilizat de animale.