Die spezifische Energie , auch Massenenergie genannt, ist die Energie pro Masseneinheit . Sie wird auch als gravimetrische Energiedichte bezeichnet und ist nicht mit der Energiedichte zu verwechseln , die als Energie pro Volumeneinheit definiert ist. Sie dient zur Quantifizierung von beispielsweise gespeicherter Wärme und anderen thermodynamischen Eigenschaften von Substanzen, wie der spezifischen inneren Energie , der spezifischen Enthalpie , der spezifischen freien Gibbs-Energie und der spezifischen freien Helmholtz-Energie . Sie kann auch für die kinetische oder potenzielle Energie eines Körpers verwendet werden . Die spezifische Energie ist eine intensive Größe , während Energie und Masse extensive Größen sind .

Die SI- Einheit für spezifische Energie ist Joule pro Kilogramm (J/kg). Weitere weltweit in einigen Kontexten gebräuchliche Einheiten sind Kilokalorie pro Gramm (Cal/g oder kcal/g), vorwiegend im Lebensmittelbereich, und Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) im Bereich der Batterien. In manchen Ländern wird in bestimmten Ingenieur- und angewandten technischen Bereichen die imperiale Einheit BTU pro Pfund (Btu/lb) verwendet . [ 1 ]

Die spezifische Energie hat dieselben Einheiten wie die spezifische Festigkeit , die mit der maximalen spezifischen Rotationsenergie eines Objekts zusammenhängt, ohne dass dieses aufgrund der Zentrifugalkraft auseinanderfliegt . Das Konzept der spezifischen Energie ist verwandt mit, aber nicht identisch mit dem Begriff der molaren Energie in der Chemie , also der Energie pro Mol eines Stoffes, für die Einheiten wie Joule pro Mol oder die ältere, aber immer noch weit verbreitete Einheit Kalorien pro Mol verwendet werden . [ 2 ]

Tabelle einiger Umrechnungen von Nicht-SI-Einheiten

Die folgende Tabelle zeigt die Umrechnungsfaktoren für J/kg einiger Nicht- SI-Einheiten :

EinheitSI-Äquivalent
kcal/g [ 3 ]4,184 MJ/kg
Wh/kg3,6 kJ/kg
kWh/kg3,6 MJ/kg
Btu /lb [ 4 ]2,326 kJ/kg
Btu/lb [ 5 ]2,32444 kJ/kg

Eine Tabelle mit der spezifischen Energie vieler verschiedener Brennstoffe sowie Batterien finden Sie im Artikel Energiedichte .

Ionisierende Strahlung

Bei ionisierender Strahlung ist das Gray die SI-Einheit der spezifischen Energie, die von Materie absorbiert wird ( absorbierte Dosis) . Aus dieser wird die SI-Einheit Sievert (S) berechnet, die die stochastische gesundheitliche Wirkung auf Gewebe beschreibt ( Dosisäquivalent ). Das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (ICW) erklärt: „Um Verwechslungen zwischen der absorbierten Dosis D und dem Dosisäquivalent H zu vermeiden, sollten die jeweiligen Bezeichnungen verwendet werden. Das heißt, für die absorbierte Dosis D sollte anstelle von Joule pro Kilogramm der Name Gray und für das Dosisäquivalent H der Name Sievert verwendet werden .“ [ 6 ]

Energiedichte von Lebensmitteln

Die Energiedichte eines Lebensmittels gibt die Energiemenge pro Masse oder Volumen an. Sie lässt sich anhand der Nährwertangaben bestimmen, indem man den Energiegehalt pro Portion (üblicherweise in Kilojoule oder Kalorien ) durch die Portionsgröße (üblicherweise in Gramm, Millilitern oder Flüssigunzen) teilt. In Ländern, die nicht das metrische System verwenden (z. B. die USA), ist die Kalorie (mit großem „K“) eine gängige Energieeinheit im Ernährungsbereich. Eine Kalorie entspricht tausend chemischen oder thermodynamischen Kalorien (abgekürzt „cal“ mit kleinem „c“) oder einer Kilokalorie (kcal). Da die Energie von Lebensmitteln üblicherweise in Kalorien gemessen wird, spricht man bei der Energiedichte auch von „kalorischer Dichte“. [ 7 ] Im metrischen System ist die auf Lebensmittelverpackungen üblicherweise verwendete Energieeinheit Kilojoule (kJ) oder Megajoule (MJ). Die Energiedichte wird daher üblicherweise in metrischen Einheiten wie cal/g, kcal/g, J/g, kJ/g, MJ/kg, cal/mL, kcal/mL, J/mL oder kJ/mL angegeben.

Die Energiedichte misst die Energie, die bei der Verstoffwechselung eines Lebensmittels durch einen gesunden Organismus nach der Nahrungsaufnahme freigesetzt wird (siehe Nahrungsenergie zur Berechnung). Unter aeroben Bedingungen benötigt dieser Prozess typischerweise Sauerstoff und erzeugt Stoffwechselprodukte wie Kohlendioxid und Wasser. Neben Alkohol sind Kohlenhydrate , Fette und Proteine ​​die einzigen Energielieferanten in Lebensmitteln und machen 90 % des Trockengewichts aus. [ 8 ] Daher ist der Wassergehalt der wichtigste Faktor bei der Berechnung der Energiedichte. Im Allgemeinen weisen Proteine ​​eine geringere Energiedichte (≈16 kJ/g) auf als Kohlenhydrate (≈17 kJ/g), während Fette eine deutlich höhere Energiedichte (≈38 kJ/g) liefern . [ 8 ]+Fette enthalten ein Viertel so viel Energie. Sie enthalten mehr Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen als Kohlenhydrate oder Proteine, was zu einer höheren Energiedichte führt. [ 9 ] Lebensmittel , die den Großteil ihrer Energie aus Fett beziehen, haben eine deutlich höhere Energiedichte als solche, die den Großteil ihrer Energie aus Kohlenhydraten oder Proteinen beziehen, selbst bei gleichem Wassergehalt. Nährstoffe mit geringerer Bioverfügbarkeit, wie Ballaststoffe oder Zuckeralkohole , senken ebenfalls die Energiedichte von Lebensmitteln. Eine moderate Energiedichte liegt bei 1,6 bis 3 Kalorien pro Gramm (7–13 kJ/g); Lachs, mageres Fleisch und Brot fallen in diese Kategorie. Lebensmittel mit hoher Energiedichte enthalten mehr als 3 Kalorien pro Gramm (13 kJ/g) und umfassen Cracker, Käse, Schokolade, Nüsse [ 10 ] und frittierte Lebensmittel wie Kartoffel- oder Tortilla-Chips.

Kraftstoff

Die Energiedichte ist beim Vergleich von Kraftstoffen mitunter aussagekräftiger als die spezifische Energie. Beispielsweise besitzt flüssiger Wasserstoff eine höhere spezifische Energie (Energie pro Masseneinheit) als Benzin , aber eine deutlich geringere volumetrische Energiedichte.

Astrodynamik

In der Astrodynamik wird häufig die spezifische mechanische Energie anstelle der reinen Energie verwendet , da die Gravitation die kinetische und potenzielle spezifische Energie eines Fahrzeugs auf eine Weise verändert, die unabhängig von der Masse des Fahrzeugs ist, was mit der Energieerhaltung in einem Newtonschen Gravitationssystem übereinstimmt .

Die spezifische Energie eines Objekts wie eines Meteoroiden , der aus dem Gravitationsfeld der Erde auf diese fällt, beträgt mindestens die Hälfte des Quadrats der Fluchtgeschwindigkeit von 11,2 km/s. Dies entspricht 63 MJ/kg (15 kcal/g bzw. 15 Tonnen TNT-Äquivalent pro Tonne). Kometen besitzen sogar noch mehr Energie und bewegen sich in unserer Nähe relativ zur Sonne typischerweise mit etwa der Quadratwurzel aus der doppelten Erdgeschwindigkeit. Dies entspricht 42 km/s oder einer spezifischen Energie von 882 MJ/kg. Die Geschwindigkeit relativ zur Erde kann je nach Richtung variieren. Da die Erde die Sonne mit etwa 30 km/s umkreist, kann die Geschwindigkeit eines Kometen relativ zur Erde zwischen 12 und 72 km/s liegen, wobei der höhere Wert 2592 MJ/kg entspricht. Würde ein Komet mit dieser Geschwindigkeit auf die Erde fallen, würde er weitere 63 MJ/kg aufnehmen, was bei einer Geschwindigkeit von 72,9 km/s eine Gesamtenergie von 2655 MJ/kg ergäbe. Da sich der Äquator mit etwa 0,5 km/s bewegt, liegt die maximale Aufprallgeschwindigkeit bei 73,4 km/s, woraus sich eine maximale spezifische Energie von etwa 2690 MJ/kg für einen Kometeneinschlag auf der Erde ergibt.

Wäre der Komet Hale-Bopp (50 km Durchmesser) auf die Erde getroffen, hätte er die Ozeane verdampft und die Erdoberfläche sterilisiert. [ 11 ]

Verschiedenes

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Kenneth E. Heselton (2004), „Handbuch für Kesselwärter“ . Fairmont Press, 405 Seiten. ISBN 0881734357
  2. ^ Jerzy Leszczynski (2011), „Handbook of Computational Chemistry“ . Springer, 1430 Seiten. ISBN 940070710X
  3. ^ Verwendung der thermochemischen Kalorie.
  4. ^ Unter Verwendung der Definition basierend auf der internationalen Dampftabelle für Kalorien.
  5. ^ Unter Verwendung der Definition, die auf der thermochemischen Kalorie basiert.
  6. ^ "CIPM, 2002: Empfehlung 2" . BIPM.
  7. ^ Stevens, Heidi (19. April 2010). „Kaloriendichte bei der Gewichtsabnahme berücksichtigen“ . Chicago Tribune .
  8. ^ a b „Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette: Überblick über die Ernährung“ . Das Merck Manual .
  9. ^ Wilson, David L. (2009). 11th Hour: Introduction to Biology . John Wiley & Sons . S. 40. ISBN 9781444313222Die
  10. ^ „Die Okinawa-Diät: Kaloriendichtepyramide“ (PDF) . Archiviert vom Original (PDF) am 9. Mai 2009.
  11. ^ „Das Ende des Lebens auf der Erde“ . New Scientist . 4. Juni 2016.
  • Çengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2005). Grundlagen der Thermofluiddynamik . McGraw Hill. ISBN 0-07-297675-6Die