Mittayksiköt, luku 9 Mekaniikka:

Energia ja työ

Energia voidaan tulkita järjestelmän kyvyksi aiheuttaa ilmiöitä. Työ (fysikaalisessa mielessä) on energiaa, joka siirtyy kappaleesta tai sen liikkeen vapausasteesta toiseen. Siksi työlle käytetään samoja yksiköitä kuin energialle. Energian samakantainen SI-yksikkö joule on newtonin ja metrin tulo ja voidaan tulkita työksi, jonka yhden newtonin voima tekee yhden metrin matkalla.

Energian yksiköitä
Nimi TunnusSI-yksiköinäAsema
terawattituntiTW h, TWh3,6 × 10¹⁵ Jsallittu lisäyksikkö; sähköenergian mittana
petajoulePJ10¹⁵ JSI-kerrannaisyksikkö
gigawattituntiGW h, GWh3,6 × 10¹² Jsallittu lisäyksikkö; sähköenergian mittana
terajouleTJ10¹² JSI-kerrannaisyksikkö
megawattituntiMW h, MWh3,6 × 10⁹ Jsallittu lisäyksikkö; yleinen sähköenergian mittana
gigajouleGJ10⁹ JSI-kerrannaisyksikkö
kilowattituntikW h, kWh3,6 × 10⁶ Jsallittu lisäyksikkö; yleinen sähköenergian mittana
megajouleMJ10⁶ JSI-kerrannaisyksikkö
kilokalorikcal4,186 × 10³ Jkalorin kerrannainen
wattituntiW h3,6 × 10³ Jsallittu lisäyksikkö; harvinainen, mutta kerrannaiset tavallisia
brittiläinen lämpöyksikköBtu, BTU1,055 056 × 10³ Janglosaksinen yksikkö
kilojoulekJ10³ JSI-kerrannaisyksikkö
kilopondimetri kp m9,806 65 Jvanhentunut
kalorical4,184 Jvanhentunut yksikkö, jolle on hiukan erilaisia määritelmiä; edelleen käytössä ravintotaloudessa
jalka kertaa paunanvoimaft lbf1,356 Janglosaksinen; tarkka arvo 1,355 817 948 33 J
jouleJ1 JSI-johdannaisyksikkö; N m
millijoulemJ10⁻³ JSI-kerrannaisyksikkö
mikrojouleμJ10⁻⁶ JSI-kerrannaisyksikkö
ergierg0,1 × 10⁻⁶ JCGS-yksikkö, dyn cm
elektronivolttieV1,602 × 10⁻¹⁹ Jempiirisesti määritettävä yksikkö; nykyisin tunnettu paras likiarvo 1,602 176 565(35) × 10⁻¹⁹ J

Brittiläiselle lämpöyksikölle Btu:lle on useita hiukan erilaisia. määritelmiä. Standardin ISO 80000-5 määritelmä on 1 Btu = 788,169 ft lbf, joka antaa likiarvon 1,055 056 kJ.

Kalori

Kalori (aiemmin myös kaloria) on edelleen laajassa käytössä ravitsemuksesta puhuttaessa. Tällöin puhutaan ruoka-aineen sisältämästä kemiallisesta sidosenergiasta, jonka ihmisen (tai eläimen) elimistö voi ruuansulatuksen kautta saada käyttöönsä solujen toimintaan. Aiemmin kaloria on käytetty muutenkin energiasta puhuttaessa.

Alkuperäisen määritelmän mukaan kalori on se lämpöenergian määrä, joka lämmittää 1 g:n vettä 1 °C:n verran. Tämä oli epätarkka määritelmä, koska lämpeneminen riippuu lähtölämpötilasta ja paineesta. Yksi tarkennetuista määritelmistä on kalori 15 (cal15), joka lämmittää 1 g:n vettä normaalipaineessa (101,325 kPa) lämpötilasta 14,5 °C lämpötilaan 15,5 °C. Sen paras tunnettu likiarvo on 4,185(5) J. On esitetty useita muita vastaavia tarkennuksia. Seuraavassa taulukossa esitetään joukko kalorin määritelmiä; suurin osa kalorin ja joulen vastaavuuksista siinä on likimääräisiä. Lisäksi on käytössä muitakin. Esimerkiksi Fineli-tietokannan tiedoissa ilmoitetaan vastaavuus 1 kJ = 0,239 kcal eli 1 J = 0,239 cal, joka merkitsee melko tarkkaan vastaavuutta 1 cal = 4,184 1 J. Tämä on hyvin lähellä ns. lämpökemiallisen kalorin (thermochemical calorie), jonka mukaan kalori on tasan 4,184 J.

Erilaisia kalorin (cal) käsitteitä
Nimi TunnusJouleina
kalori 4cal4 4,204 J
keskiarvokaloricalmean 4,190 J
höyrykaloricalIT 4,186 8 J
kalori 15cal15 4,185(5) J
lämpökemiallinen kaloricalth 4,184 J
kalori 20cal20 4,182 J

Niissä arkielämän yhteyksissä, joissa kaloria käytetään, eri kalorimääritelmien ero on yleensä jokseenkin merkityksetön. Yleensä voidaan olettaa, että tarkoitetaan lämpökemiallista kaloria.

Arkikielessä puhutaan usein kalorin kerrannaisesta kilokalorista (kcal = 1 000 cal) ”kalorina”. Useimmiten asiayhteydestä voidaan päätellä, milloin ”kalori” tarkoittaa kilokaloria. Ihmisen ravitsemuksesta puhuttaessa kalori on niin pieni yksikkö, ettei sitä käytetä juuri koskaan; ihmisen tarvitseman energian määrä on tyypillisesti 2 000–3 000 kilokaloria vuorokaudessa. Aiemmin kalorista käytettiin usein nimitystä ”grammakalori” (erotukseksi kilokalorista), ja kilokalorista saatettiin käyttää nimitystä ”kilogrammakalori”. Myös nimityksiä ”pikkukalori” ja ”isokalori” on käytetty. Vastaavasti englannin kielessä saatetaan kalorista käyttää nimeä ”small calorie” tai ”gram calorie” sekä kilokalorista nimeä ”large calorie” tai ”gram calorie”. Jälkimmäisestä käytetään myös nimeä ”food calorie” ja tunnusta ”Cal”.

Elektronivoltti

Elektronivoltti on se liike-energia, jonka elektroni saa, kun sitä kiihdytetään yhden voltin jännitteellä. Yksikköä käytetään atomi-, ydin- ja hiukkasfysiikassa. Elektronivoltista muodostetaan usein kerrannaisyksiköitä SI-etuliitteitä, esimerkiksi megaelektronivoltti (MeV).