Энергия и человек. Ряд случайных сравнений

    В физике для решения задач иногда применяется полунаучный «метод размерностей», когда зная размерность искомой величины, мы можем догадаться, что на что поделить, сложить, умножить, чтобы получить правильный ответ. Я решил взять размерность «энергия» и сравнить «яблоки с бананами», а именно человека как энергетическую систему с другими системами.

    image

    В чем измеряется, энергия?

    $ 1\ Дж = 2.78·10^{-7}\ кВт\cdotч = 1\ Вт\cdotс = 0.239\ Калория = 6.241·10^{18}\ Электрон\cdotвольт $
    $ 1\ кВт\cdotч = 3.6·10^{6}\ Дж = 3.6·10^{6}\ Вт\cdotс = 8.60·10^5\ Калория $
    $ 1\ Ккалория = 1.163·10^{-3}\ кВт\cdotч$

    Disclaimer: все вычисления могут быть не точны и главная цель показать порядок чисел.

    Человек — потребитель энергии. 2 кВт*ч, 100 Вт


    Человек в среднем потребляет около 2000 ккалорий в день, что дает около 2 кВт*ч или около 100 Ватт, средней мощности. Можно представить, что человек ест, как одна большая лампочка на накаливания на 100 Ватт.

    Энергопотребление человека сравнительно небольшое по сравнению с приборами, которые нас окружают. Можно сказать, что человек произвел техническую революцию. Человек принимает «в себя» меньше энергии, чем он использует «для себя» даже только в домашних условиях (средний расчет больше 100 кВт*ч в месяц).

    Человек — вычислительная машина. 30 Вт


    Распространены оценки, что мозг съедает от 200 до 1000 Ккал (стрессовые ситуации), то есть от 20%-40% энергии, что дает оценку средней мощности 30 Вт.

    Мозг — крайне эффективная система. Да современные ноутбуки производят операции гораздо лучше нас и средняя мощность находится около 30 Вт, а телефоны вообще 0.5-1 Вт. Зато современные видеокарты потребляют в среднем от 250 Вт и все равно не могут сравниться с мозгом по скорости и точности обработки визуальной информации. Так что, человек очень неплохой процессор, правда только для специфических задач.

    Человек — аккумулятор. 10 кВт*ч


    Говорят, человек может не есть 3-7 дней. Понятно, что не питаясь, человек начнет потреблять меньше энергии на внутренние и на внешние нужды. Можно положить, что съев двойную суточную норму, человек будет активен 2 дня (при наличии воды), что дает грубую оценку 10 кВт*ч.

    Если посчитать, энергоемкость человека, то мы можем получить крайне разные цифры, вес людей, которые могут прожить N-е количество дней и произвести какую-то полезную работу, крайне разнится от 50 кг — 150 кг. Скорее всего, средняя энергоемкость равна 0.1 кВт*ч/кг, что не так и хорошо и не так плохо. Мы находимся между бензином (10 кВт*ч/кг) и Liion (0.1 кВт*ч/кг), ближе к аккумуляторам.

    Человек — потребитель солнечной энергии. 1-2 солнечные панели


    Сегодняшняя солнечная панель дает около 300 Ватт в пике, в умеренных широтах средний КИУМ до 20% (солнце светит только днем и слабо). Мы знаем, что человек недолговечный, но все-таки аккумулятор, поэтому в среднем 2 панелей достаточно, чтобы человек питался только солнцем.

    Если отбросить условности и сделать небольшие прорывы в технологиях (использование дорогих элементов позволяет достигать до 40% КПД в панелях), человеку будет достаточно носить «солнечную одежду» для того, чтобы получать всю необходимую энергию.

    Человек — обогреватель


    Процитирую статью про одежду: в покое человеческое тело вырабатывает 80 ватт тепла, а теряет при этом за счет дыхания 10 ватт, теплового излучения — 30 ватт, теплопроводности и конвекции — 20 ватта, испарения влаги — 20 ватт.

    Получается человек крайне «слабый» обогреватель. Домашние обогреватели потребляют по 1 кВт и они покрывают нужды на обогрев только частично. Подогрев воды и обогрев помещений в принципе является самым большим энергопотреблением домашнего хозяйства. Приведу свой годовой расклад:

    — Перемещение (транспорт, топливо): 8 000 кВт*ч за год.
    — Электричество: 2 500 кВт*ч за год.
    — Подогрев воды и обогрев: 30 000 кВт*ч за год.

    Получается на средний ежедневный подогрев воды и обогрев уходит до 100 кВт*ч в день, что в 50 раз больше, чем человек в принципе потребляет.

    Человек — средство передвижения (автомобиль, пешеход, велосипед)


    Человек как активное живое существо может перемещаться в пространстве. Допустим человек может переместиться на 30 км за день пешком и на 120 км за день на велосипеде. Это не максимальные значения, конечно, спортсмены пробегают до 100 км и проезжают до 1000 км за день.

    Попробуем сравнить человека как эффективную систему передвижения человека.

    — Автомобиль с ДВС тратит в среднем 5 л на 100 км, 1 литр = 10 кВт*ч, что дает 500 Втч на км
    — Электромобиль — 150-200 Вт*ч на км
    — Пешеход — 2 кВт*ч разделить на 10-50 км, 50-200 Вт*ч на км
    — Медленный/маленький электромобиль — 50-100 Вт*ч на км
    — Электровелосипед — 10 Вт*ч/км (средняя скорость 10-15 кмч)
    — Велосипедист — 2 кВт*ч разделить на 100-1000 км, 2-20 Вт*ч на км

    Знаете еще интересные совпадения — пишите в комментариях.
    Спасибо за внимание.
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 51
    • +1
      В детстве впечатлила задача из учебника по физике.
      Штангист рывком поднимает штангу массой 150кг на высоту 2 метра за 2 секунды.
      Какую мощность он выдает? Ответ надо было дать в лошадиных силах.
      И вот это сравнение человека с «лошадями» занятна.
      • 0
        150*9,8*2/2=1470 Вт = 1,97 л.с
        • +1
          Метрическая лошадиная сила ≡ 75 кгс·м/с по определению, соответственно, ответ ровно 2
        • +1
          И вот это сравнение человека с «лошадями» занятна.
          Просто обычная лошадь в пике может 10 л.с. развить). А одна лошадиная сила — это то, что средняя лошадь может развивать практически непрерывно, а вот мы — от силы 1,5 минуты (и то не все):


          Это не максимальные значения, конечно, спортсмены пробегают до 100 км и проезжают до 1000 км за день.
          Пробежать за сутки можно больше 250 км. На самом деле наш организм «заточен» под длинные дистанции, а у кого-то — особенно.

          Ещё про речевого аппарат можно сказать: обычно приводят оценки, что за примерно 80 лет непрерывного крика, выделяется достаточно энергии для нагрева стакана воды до кипения.
          • +1
            Справедливости ради это только полезная работа на видео. Общий тепловой выход намного больше. Тем не менее, очень показательно, да.
        • 0
          Не много не в тему
          Меня всегда смущала технология определения калорийности пищи.
          Не учитывается КПД преобразования, при сжигании в калориметре калория глюкозы =калории белков бобов, при сжигании в организме?
          А по теме: сравнить КПД ДВС и человека на примере бензина «калоша»?
          Как то по ошибке выпил грам 150 = детонации, увеличении мощности не заметил. :)
          • 0
            КПД ДВС зависит от полезной работы передвижение или тепловыделение. Про передвижение, то эффективность получается совсем низкой при 500 Вт*ч на км для среднего автомобиля, даже у мопедов будет 100-200 Вт*ч на км, а человек на велосипеде 20 Вт*ч на км, может и меньше.
            • 0
              при сжигании в калориметре калория глюкозы =калории белков бобов, при сжигании в организме?
              Тоже равны. Тепловой выход реакции не зависит от промежуточных этапов.

              Разница лишь в том, что энергия некоторых источников (типа белка бобов) частично недоступна для совершения работы. То есть, какая-то ее доля (порядка 30%) перейдет в тепло на стадии пищеварения. Это называется термогенный эффект пищи — он разный для разных продуктов и примерно известен. Логично, что эта энергия также не может быть запасена в виде жира. Но это не значит, что ее нужно вообще отбросить при подсчете калорийности рациона.
            • 0
              1 киловатт-час = 3600000 ватт-секунда, а не 1, как у вас — ошибка на 6 порядков.
              • 0
                Что-то не бьется у вас по размерностям:
                Если 1ккал = 1.163 квт-ч, а далее по тексту:
                Человек в среднем потребляет около 2000 ккалорий в день, что дает около 2 Квт-час

                должно превратиться в 2320 Квт-час. Где-то ошибка на 3 порядка
                • +1
                  1 J = 2.78e-7 kWh = 1Ws = 0.239 cal = 6.241e+18 eV
                  1kWh = 3.6e+3 J = 3.6e+3 Ws = 8.6e+5 cal
                  1 ccal = 1.163e-3 kWh
                  • +1
                    Исправил, ошибка в самом начале наборы формулы номер 3, но вроде не в вычислениях.
                  • +1
                    1,163 кВт*ч — это мегакалория.
                  • +1
                    Обозначение единицы измерения энергии кВт*ч. Поправьте, пожалуйста Ваши Квт*ч, Квтч, КВт-час, КВт*ч, и т. д.
                    • 0
                      Да ладно, вообще все стоит заменить на Джоули, ибо: «Внесистемные единицы величин допускается применять только в случаях, когда количественные значения величин невозможно или нецелесообразно выражать в единицах СИ.»
                      • 0
                        Цель сравнить с приборами, а приборы люди гораздо лучше ориентируются в кВт*ч: батареи, мощность электросети
                        • +2
                          Очень удобно было бы, если бы люди стали измерять все в МДж, с этими кВт*ч постоянно проблемы и ошибки, то с мощностью сравнивают, то на часы делят, иногда с А*ч путают.
                          • 0
                            И время бы еще в десятичных пропорциях от секунды сделать.
                            • +1
                              в 90-х, как ссср кончился — была попытка перейти на Джоули с приставками во всей энергии, вместо этих калорий и кВт*ч (а ещё «тут»ы ходят) — глава госстандарта тогда на конференции встал стеной против этого, заявив: «я в этих ваших попугаях не понимаю» и заблокировал все подвижки в ту сторону наглухо.
                              Так и живём с этими идиотскими лошадиными силами, гигакалориями и килоВатт-часами.
                              Эх… ещё бы метры до конца узаконить, что б никаких «тысяч км.» — а только «Мегаметры». (И Мегаграммы (Мг) вместо тонн ;) :) )
                              • 0
                                Хахах, это байка наверное) Не верится, что от главы госстандарта приняли бы такой аргумент)
                                Нет, ну мощность в Вт оставить вполне можно, но калории и лошадиные силы (еще и зависимые от области применения) явно лишние на этом празднике жизни)
                                • 0
                                  Там некому было «принимать» аргумент — он сам своей властью не дал хода превратися обсуждению в документ, (вообще-то он ранг минстра имел если что).
                                  Я это от непосредсвенного участника той конференции слышал и у меня нет оснований тому человеку не доверять (метрологи они такие — въедливые, точные в мелочах и дотошные донельзя — мне это с датами и фамилиями рассказывали, но мне они тогда были ниочём и я их не запомнил)
                                  — там не только калории и лошадиные силы (она мощность а не энергия, но на время все можить-делить умеют) а и килоВатт-часы… Т.е в стране выработка-потребление электричества учитывается в килоВатт-часах, а тепла — в ГигаКалориях, при том что системаня Джоуль. Тогда как раз начиналсь тема массовых теплосчётчиков вообще как таковая и конфренция была по учёту тепла как основная тема, (и учёту электричества дополнительная).
                              • 0
                                Дж в принципе это Вт*с, что крайне удобно и понятно, кВт*с тоже близко. А вот с кВт*ч и Вт*с, мы получаем ситуацию как км/ч и м/c, по роду деятельности я уже давно научился умножать и делить на 3.6, что, конечно, неудобно, но такова жизнь.
                          • 0
                            Подчистил, если еще где-то пишите.
                          • +2
                            Надо было на КДПВ поставить:
                            image
                          • –1
                            1) Человек без еды может жить до месяца.
                            2) Тепловыделение посчитано неверно. Человек выделяет намного больше тепла, даже по работам категории 1а — и тепловыделение очень сильно зависит от температуры воздуха. С примерно 90 ватт при +35 до 160 при +10 — и это в состоянии покоя, даже не работы.
                            3) Калорийность энергетических запасов человека (в первую очередь — жира) — порядка 8000 ккал/кг, или около 9 кВт*ч/кг. Мы резко передвинулись к бензину.
                            4) Человек — достаточно мощный обогреватель компактных помещений. Эффект «надышим» весьма велик.
                            Запихните 8 человек на 32 квадрата хорошо термоизолированного помещения — и за несколько часов они вам там догонят температуру до весьма некомфортной. И начнут требовать кондиционер.
                            • 0
                              2) Тепловыделение 80 Ватт взял из статьи и да не в состоянии работы. Если брать среднюю мощность больше, то тогда получится, что человек меньше ест (100 Ватт), чем выводит тепла, а еще и мозг работает. Получается, что когда человек долго выделяет энергию на тепловыделение, то он должен гораздо больше есть, чем на 2000 ккалорий.
                              3) Согласен, есть «бензин» в человеке. Но надо же брать всю систему, а не только самую энергоемкую, и здесь в человеке много потребителей на массу. Кстати, вопрос, который меня тревожит, может ли человек расходовать весь свой жир. Грубо говоря человек с ожирением должен прожить гораздо дольше без еды.
                              4) «Надышим», по источнику, что я брал только 20%. Следовательно «надышим» — это скорее создание парникового эффекта (выделяется CO^2).
                              • 0
                                2) Хорошо.
                                Вот поработал мозг. Куда эта энергия делась? Она излучилась в чем-то вне ИК-диапазона? Или полностью перешла в тепло?

                                И кто вам сказал, что затраты — всегда 2000 ккал?
                                Они же сильно зависят от массы и образа жизни. Барышня-блоггер в 50 кг и двухметровый спортсмен весом в центнер, очевидно, тратят разное количество энергии.
                                Приведенные мной табличные данные — это, если я не путаю, для 80-кг мужчины. Снижаете вес — снижаете требуемое количество энергии.

                                3) Отлично. Давайте тогда считать для всей системы.
                                Возьмем, ну скажем, Ладу Калину хетчбек.
                                50 литров бензина, пусть будет плотность 0,75 кг/л, или примерно 38 кг. Плюс 1160 килограммов машины — ну пусть 1200 кило будет.
                                Запас энергии — 46*38=1748 МДж. Итого плотность энергии у автомобиля — порядка 1,5 кДж/кг. У человека (ну если верить вашим прикидкам) — порядка 360. Хм. А человек покруче будет раз в 200 с лишним!

                                Расход запасов у человека крайне нелинеен и вообще весьма сложен. Туда просто так лучше не соваться.
                                4) Гм.
                                А как у вас этот самый парниковый эффект влияет на градусник и что вы под этим эффектом понимаете?
                                • 0
                                  В основном я хотел показать порядок чисел, точные числа сильно отличаются от детей до спортсменов (спортсмены могут и до 6000 ккал потреблять)
                                  4) Надышать можно в комнате, на улице как-то не надышишь. Имею в виду, что если у нас замкнутая система, то работа на обогрев остается внутри системы и соответственно совершать работу на обогрев надо меньше. Так что если сравнивать, то нужен эксперимент как быстро надышат 5 человек по сравнению с 1 кВт электрообогревателем.
                                  • 0
                                    Расход запасов у человека крайне нелинеен и вообще весьма сложен. Туда просто так лучше не соваться

                                    У ДВС и у электродвигателей расход также весьма нелинеен и зависит от многих факторов, при том что и ДВС и электродвигатель — относительно простые системы
                                • +1
                                  В первую очередь они должны требовать вентиляции по СанПиН-ам.
                                  Кстати, тогда не очень-то и «надышится»…
                                  • 0
                                    Что еще захотят?
                                    Может, еще и сокращение рабочего времени при выходе температуры за вилку комфортной из СанПиН 2.2.548-96 в соответствии с его приложением 3 таблицей 1? Обустройства комнаты приема пищи? И далее по списку?
                                    Так никаких деньжищ не напасешься!

                                    Надышишь. Все равно.
                                    Человек за компьютером выделяет 150-200 ватт, причем собственно человек выделяет обычно больше половины. Периодическое проветривание все равно не спасает от роста температуры.
                                    • +1
                                      При 8 человеках проветриваине уже не периодическое, а непрерывное получается.
                                  • 0
                                    Человек без еды может жить гораздо больше, зависит от массы тела и «сценария использования». Собственно, жир дает энергию, другие ткани дают материал для «ремонта» и многой биохимии.

                                    Идеальный сценарий — человек с большой мышечной массой и жировой, борец сумо, который месяц выполняет очень легкую работу в комфортной температуре. Протянет гораздо больше месяца. И прецеденты есть.

                                    Вы очень переоцениваете / недооцениваете эффект голодания ИМХО. Это не то, что убьет вас за месяц в нормальных условиях. Но длительное недоедание производит очень серьезный эффект.
                                  • +1

                                    Прикольная бесполезная статья. Можно добавить, что человек — многопиксельная камера.

                                    • 0
                                      Человек многопиксельная камера тоже интересная статья только она уже написана. Статья намекает можно ли использовать киберсистемы и как они отличаются от текущих электросистем.
                                      • 0
                                        Да и принтер из человека тоже так себе )
                                        • 0
                                          Зато 3D
                                          • +1
                                            При этом копир из человека (особенно в прошлом) — очень неплох.
                                        • 0

                                          Автор не учитывает расход энергии на мышечную деятельность, чтобы переместиться из п. А в п. Б. Базальный метаболизм — да, около 100w, но более-менее подготовленный велосипедист вполне уверенно выдаст на длинной дистанции еще 200-220w сверху (и это только механической мощности). И тепла при этом рассеивается еще в 3 раза больше.

                                          • 0
                                            100W это не базальный, а среднесуточный при умеренной активности.
                                          • 0
                                            А ещё есть энергия покоя ;)
                                            • –1
                                              Надо посчитать как-нибудь на досуге сколько грамм углерода можно выдохнуть за ночь. А-то спор тут у нас возник, можно ли сбросить вес во сне, если не ходил в туалет. Ну еще влага там, конечно, теряется, но, вот, не понятно сколько именно.
                                              • +2
                                                Грамм 400-700 можно спокойно потерять за ночь. Это все вода.
                                                Выдыхаемый углерод заменяется поглощаемым в примерно том же количестве кислородом, а потому не ведет к потере веса.
                                              • 0
                                                Распространены оценки, что мозг съедает от 200 до 1000 Ккал (стрессовые ситуации), то есть от 20%-40% энергии, что дает оценку средней мощности 30 Вт.

                                                А можно узнать откуда такие оценки? А то я некоторое время назад искал подобную информацию — найти ничего близкого похожего на достоверный источник с конкретными цифрами так и не удалось — море перепостов в околофитоняшечной среде и всё.
                                              • 0
                                                Интересно если научить человека фотосинтезу…
                                                Можно ли будет вообще не есть? хватит ли поверхности тела?
                                                Предположим фотосинтез прокачать как следует?
                                                А то такая идея была в одном аниме.
                                                Там на космическом корабле была проблема с едой и всех генетически модифицировали на способность к фотосинтезу )
                                                Да и для полётов в космос и на Марс отличная идея. Реактор на нужную мощность всяко легче той же провизии на год.
                                                • 0
                                                  Вода понадобится в любом случае, а вот энергии вроде хватает текущих возможностей фотовольтаики (солнечных ячеек), правда как эту энергию перевести в питательные вещества для человека причем без потерь непонятно, скорее всего невозможно :)
                                                • 0
                                                  Вся жизнь работает на свободных электронах. Мы лишь система уравнений с положительной суммой. Как и все создаваемое нами.
                                                  • 0

                                                    Как бы это странно не звучало, но главным открытием из статьи для меня стало вступление) Оказывается, джоули легко переводятся в киловатт-часы, а 1 Дж = 1 Вт*с. А вот многое из того, что сказано в статье, и так знал.

                                                    Нет, я не какой-то дурак с двумя классами церковно-приходской школ. Просто я очень часто прогуливал школу, информацию, которую тогда не использовал в практическом применении, запоминал поверхностно (например, учил стих непосредственно перед уроком за 10 минут, а на следующий день большую часть забывал, или аналогично запоминал формулы перед контрольной), а пробелы в физике или математике восполнял уже после школы, из интереса или потому, что эти знания становились нужны на практике. Когда мне что-то надо было делать с расчетами по физике, электрике и т.д. — было тяжеловато оценить те же джоули и ватт-часы, что ставило в тупик. Тут вспоминаю аналогию с школьными годами: класса до 6 я не умел делить столбиком, потому что когда в 3 или 4 классе мы это проходили — я прогуливал, читая дома книжки, а на уроках потом делил большие числа в уме. И только когда классе в 6 математичка мне объяснила, как это делать. Тогда она после контрольной спросила, почему в задачах я не привел расчеты, а только указал готовые (правильные) результаты. Ну я и признался. Тогда она мне все за 2 минуты объяснила и я научился. Правда, за 7 лет после окончания школы я опять разучился, так как телефон с калькулятором под рукой всегда, а бумажка и ручка — нет.

                                                    • 0
                                                      офигенная история

                                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                    Самое читаемое