Энергия и человек. Ряд случайных сравнений +23

- такой же как Forbes, только лучше.

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.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (50):

  1. Mnemone
    /#10273089 / +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.

    • Telegazik
      /#10273231

      150*9,8*2/2=1470 Вт = 1,97 л.с

      • Fragster
        /#10273959 / +1

        Метрическая лошадиная сила ? 75 кгс·м/с по определению, соответственно, ответ ровно 2

    • voyager-1
      /#10273749 / +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):

      • BigBeaver
        /#10273767 / +1

        Справедливости ради это только полезная работа на видео. Общий тепловой выход намного больше. Тем не менее, очень показательно, да.

  2. quqdron
    /#10273131

    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. :)

    • vics001
      /#10273403

      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.

    • BigBeaver
      /#10273487

      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.

  3. ooptimum
    /#10273145

    1 киловатт-час = 3600000 ватт-секунда, а не 1, как у вас — ошибка на 6 порядков.

  4. NeGO
    /#10273151

    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

    • NeGO
      /#10273173 / +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

      • vics001
        /#10273361 / +1

        Исправил, ошибка в самом начале наборы формулы номер 3, но вроде не в вычислениях.

  5. Serge78rus
    /#10273179 / +1

    Обозначение единицы измерения энергии кВт*ч. Поправьте, пожалуйста Ваши Квт*ч, Квтч, КВт-час, КВт*ч, и т. д.

    • Mnemone
      /#10273225

      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.»

      • vics001
        /#10273347

        Цель сравнить с приборами, а приборы люди гораздо лучше ориентируются в кВт*ч: батареи, мощность электросети

        • x67
          /#10273479 / +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.

          • BigBeaver
            /#10273491

            И время бы еще в десятичных пропорциях от секунды сделать.

          • impetus
            /#10273849 / +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 ;) :) )

            • x67
              /#10274249

              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)

              • impetus
                /#10276601

                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).

          • vics001
            /#10274811

            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.

    • vics001
      /#10273345

      Подчистил, если еще где-то пишите.

  6. hdfan2
    /#10273191 / +2

    Надо было на КДПВ поставить:
    image

  7. chieftain_yu
    /#10273215 / -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.

    • vics001
      /#10273393

      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).

      • chieftain_yu
        /#10273439

        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?

        • vics001
          /#10273463

          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.

        • x67
          /#10273593

          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

    • impetus
      /#10273859 / +1

      В первую очередь они должны требовать вентиляции по СанПиН-ам.
      Кстати, тогда не очень-то и «надышится»…

      • chieftain_yu
        /#10273917

        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.

        • impetus
          /#10276589 / +1

          При 8 человеках проветриваине уже не периодическое, а непрерывное получается.

  8. Griboks
    /#10273363 / +1

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

    • vics001
      /#10273371

      Человек многопиксельная камера тоже интересная статья только она уже написана. Статья намекает можно ли использовать киберсистемы и как они отличаются от текущих электросистем.

    • Boomburum
      /#10273717

      Да и принтер из человека тоже так себе )

      • hullaballoo
        /#10274325 / +1

        При этом копир из человека (особенно в прошлом) — очень неплох.

  9. MUTbKA98
    /#10274327

    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.

    • BigBeaver
      /#10274347

      100W это не базальный, а среднесуточный при умеренной активности.

  10. Pythonpy
    /#10274329

    А ещё есть энергия покоя ;)

  11. trapwalker
    /#10274357 / -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.

    • BigBeaver
      /#10274361 / +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.

  12. molnij
    /#10274619

    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.

  13. Arxitektor
    /#10274657

    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.

    • vics001
      /#10274815

      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 :)

  14. halfhope
    /#10274813

    Вся жизнь работает на свободных электронах. Мы лишь система уравнений с положительной суммой. Как и все создаваемое нами.

  15. ns3230
    /#10274999

    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.