Đây là mặt trước của một công tơ cảm ứng, loại vẫn còn treo ở cầu thang nhiều tòa nhà. Bên trái, một đĩa nhôm quay, và vạch đỏ trên đĩa hết lần này đến lần khác đi qua cửa sổ nhỏ — sáu trăm vòng là một kilowatt giờ. Dưới đĩa, hai đường xanh nhịp nhàng: đó là dòng điện tải làm đĩa quay. Bên phải là bộ đếm con lăn, ô cuối cùng màu đỏ như mọi công tơ đếm hàng phần mười, và chữ số trong đó đang lăn sang số tiếp theo. Dưới bộ đếm có một dải: phần tô đỏ chạy từ trái sang phải đến vạch 1,00 — đó là lượng tích lũy trong một giờ nếu tải đúng bằng một kilowatt. Chữ lớn bên phải là ký hiệu, giống nhau trong mọi ngôn ngữ, và bên dưới ghi một kilowatt giờ bằng bao nhiêu theo đơn vị SI.
Năng lượng · gia đình, giá điện và ngành điện
Kilowatt giờ
Đơn vị ghép ngoài SI · đại lượng: năng lượng · 1 kWh đúng bằng 3,6 MJ
Joule ta biết từ sách giáo khoa, còn kilowatt giờ biết từ hóa đơn, vì thế nó là đơn vị nổi tiếng nhất không thuộc Hệ đơn vị quốc tế. Nó được xây dựng đơn giản hết mức: lấy công suất bằng kilowatt, nhân với thời gian bằng giờ — toàn bộ phép tính chỉ có vậy. Chính sự thẳng thắn ấy đã biến nó thành ngôn ngữ hằng ngày của năng lượng: người bán điện không phải bán năng lượng trừu tượng, mà bán công của các thiết bị theo thời gian, nên đã chọn một đơn vị mà cả hai phần đều nhìn thấy bằng mắt thường.
Dưới góc nhìn đo lường học, nó là một điều kỳ lạ: đơn vị ghép từ tiền tố SI, watt của SI và giờ nằm ngoài SI, được Ủy ban Quốc tế về Cân đo chấp nhận sử dụng nhưng không đưa vào SI. Dẫu vậy, phép quy đổi vẫn chính xác đến chữ số cuối cùng, vì một giờ đúng bằng ba nghìn sáu trăm giây, nên một kilowatt giờ đúng bằng ba phẩy sáu megajoule, không làm tròn chút nào.
Đơn vị này không chỉ sống trên hóa đơn. Dung lượng pin kéo được ghi bằng kilowatt giờ, sản lượng nhà máy điện bằng megawatt giờ và terawatt giờ, mức tiêu thụ của cả một quốc gia bằng petawatt giờ, và ở mọi bậc ấy vẫn giữ nguyên sự tiện lợi: con số cho biết ngay có thể hoạt động bao lâu với công suất bao nhiêu. Sự nhầm lẫn lớn nhất trong đời thường nảy sinh ở chỗ người ta viết phân số thay cho tích: «kW/h» trong quảng cáo lò sưởi chẳng phải năng lượng cũng chẳng phải công suất, mà chẳng là gì cả.
Ký hiệu là kWh: tiền tố «k» viết thường, «W» viết hoa, «h» viết thường. Dấu chấm nhân trong dạng đầy đủ kW·h có thể bỏ, nhưng không bao giờ được thay bằng gạch chéo — dấu chấm là tích, gạch chéo là thương. «h» không có dấu chấm ở cuối, vì đó là ký hiệu đơn vị chứ không phải chữ viết tắt. Tên đầy đủ của đơn vị là kilowatt giờ, trong đời thường còn gọi là «số điện».
Kilowatt giờ là năng lượng, kilowatt là công suất, và cái này không thay được cái kia: một lò sưởi có công suất hai kilowatt và trong một buổi tối tiêu thụ tám kilowatt giờ. «kW/h» hoàn toàn không tồn tại: công suất chia cho thời gian sẽ cho tốc độ thay đổi của công suất, một đại lượng vô nghĩa trong gia đình. Còn ampe giờ lại là thứ khác nữa: nó đếm điện tích chứ không phải năng lượng, và chỉ thành watt giờ sau khi nhân với điện áp.
01 · Định nghĩa
công suất nhân thời gianKilowatt giờ là năng lượng mà một nguồn có công suất một kilowatt cung cấp hoặc tiêu thụ trong một giờ hoạt động liên tục. Vì một giờ có ba nghìn sáu trăm giây và một watt là một joule mỗi giây, nên một kilowatt giờ bằng ba phẩy sáu megajoule — đẳng thức chính xác chứ không phải xấp xỉ.
Điều quan trọng là tích của công suất và thời gian có thể tạo ra theo vô số cách, và tất cả đều cho cùng một năng lượng. Ấm siêu tốc hai kilowatt trong nửa giờ, máy giặt nửa kilowatt trong hai giờ và tủ lạnh bốn mươi watt trong một ngày đều tiêu thụ cùng một kilowatt giờ, dù cảm giác hoàn toàn khác nhau: cái đầu gầm lên và đun sôi, cái cuối rì rầm lặng lẽ và chẳng ai để ý. Công tơ không quan tâm đến những ấn tượng ấy — nó cộng dồn các tích.
Từ đó mà có giá trị thực tiễn chính của đơn vị: nó trả lời hai câu hỏi cùng lúc. Biết năng lượng và công suất, ta có thời gian hoạt động — pin sáu mươi kilowatt giờ dùng được bốn giờ ở mức tải mười lăm kilowatt; biết năng lượng và thời gian, ta có công suất — hai trăm năm mươi kilowatt giờ mỗi tháng nghĩa là trung bình dùng hơn ba trăm bốn mươi watt một chút suốt ngày đêm.
Nói cho chính xác, công tơ không đo tích mà đo tích phân: công suất trong căn hộ thay đổi từng phút, và thiết bị không ngừng cộng dồn các phần tăng của nó. Công tơ cảm ứng làm việc này bằng cơ khí — công suất càng lớn đĩa quay càng nhanh, và số vòng quay chính là năng lượng tích lũy —, còn công tơ điện tử thì đếm xung. Nhưng cả hai đều cho cùng một con số, sau đó được nhân với giá điện.
Ấm siêu tốc và tủ lạnh trong cùng một ô
Cảnh được vẽ đúng như đơn vị được xây dựng: chiều ngang là thời gian, chiều dọc là công suất, và hình chữ nhật đỏ giữa chúng là năng lượng. Lưới xám chia thành các ô đúng một kilowatt giờ mỗi ô, nên có thể đếm năng lượng bằng mắt: hình chữ nhật phủ bao nhiêu ô thì đã tích lũy bấy nhiêu kilowatt giờ. Kéo các thanh trượt, dễ dàng có cùng diện tích từ những hình dạng hoàn toàn khác nhau — cao và hẹp như ấm siêu tốc, hay thấp và dài như tủ lạnh —, và công tơ không phân biệt được chúng. Đường nét đứt đánh dấu mức một kilowatt giờ, còn bốn nút đặt các hình chữ nhật của thiết bị thật, để có cái mà so sánh.
02 · Quy đổi
đơn vị năng lượng · hóa đơn · công suất và thời gianTừ hóa đơn sang joule và ngược lại
Mọi phép quy đổi ở đây đều chính xác: một giờ đúng ba nghìn sáu trăm giây và tiền tố «kilo» đúng một nghìn, nên trong chuỗi không có chỗ làm tròn nào. Chỉ những đơn vị tự chúng được định nghĩa qua nhiệt trị của nhiên liệu quy ước mới là gần đúng.
Thẻ thứ hai tính hóa đơn tiền điện và công suất trung bình, thẻ thứ ba gỡ rối sự nhầm lẫn muôn thuở giữa kilowatt và kilowatt giờ.
Tấn than quy ước và tấn dầu quy đổi là những đơn vị quy ước: được ấn định lần lượt là bảy nghìn và mười nghìn kilocalo trên mỗi kilôgam, trong khi than hay dầu thật khi nhiều khi ít. Vì vậy các phép quy đổi qua chúng hợp với báo cáo và lập kế hoạch, nhưng không hợp để tính một lò cụ thể.
| Đại lượng | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Dụng cụ đo
đĩa · xung · ampe kìm · kiểm địnhCộng các tích bằng gì
Công tơ đĩa nhôm
Hai cuộn dây — cuộn dòng và cuộn áp — cảm ứng dòng điện xoáy trong đĩa nhôm, và đĩa quay với tốc độ tỉ lệ với công suất; một nam châm vĩnh cửu bên cạnh làm nhiệm vụ phanh, khiến tốc độ tỉ lệ một cách chính xác chứ không tùy tiện. Phần còn lại là cơ khí thuần túy: số vòng được bộ đếm cộng dồn, và trên nhãn ghi bao nhiêu vòng thì được một kilowatt giờ. Thiết bị tính tích phân của công suất theo thời gian mà bên trong không có một bộ phận tính toán nào, và chính điều đó làm nó đẹp.
Công tơ điện tử có đầu ra xung
Thiết bị hiện đại nhân giá trị tức thời của điện áp và dòng điện một nghìn lần mỗi giây, cộng dồn kết quả và phát xung ra ngoài: thường là một nghìn xung cho mỗi kilowatt giờ, con số này cũng được in trên vỏ. Đầu ra như vậy tiện cho cả kiểm định lẫn nhà thông minh — chỉ cần đếm xung trong một phút là biết công suất tức thời. Ngoài ra công tơ còn làm được điều mà đĩa không làm được: chia năng lượng theo khung giờ, ghi lại biểu đồ phụ tải và gửi chỉ số qua đường dây.
Ampe kìm, oát kế và đồng hồ bấm giờ
Khi cần mức tiêu thụ của một thiết bị chứ không phải cả căn hộ, người ta làm theo định nghĩa: đo công suất rồi nhân với thời gian. Ampe kìm bắt dòng điện mà không cần cắt dây, oát kế tính đến hệ số công suất — thiếu nó, máy bơm hay đèn LED sẽ cho kết quả bị thổi phồng —, sau đó chỉ cần một đồng hồ bấm giờ. Cách này hợp với thiết bị có tải ổn định, và không hợp với những thiết bị chạy theo chu kỳ: tủ lạnh thì phải theo dõi cả ngày, lúc đó dùng ổ cắm đo điện đơn giản hơn.
Bàn kiểm định có công tơ chuẩn
Công tơ gia đình được kiểm định bằng cách so sánh: cho cùng một năng lượng đi qua nó và qua một thiết bị chuẩn ở các dòng điện khác nhau — từ vài phần trăm dòng định mức đến đầy tải — và ở mỗi bậc đọc độ lệch. Độ lệch phải nằm trong dung sai của cấp chính xác, thường là một hoặc hai phần trăm, và lạ thay, khó nhất với thiết bị lại là những dòng nhỏ nhất, khi mô-men trên đĩa nhỏ mà ma sát vẫn còn. Vì thế công tơ cũ thường đếm thiếu điện chờ nhiều hơn là đếm thừa chỉ số.
05 · Quy tắc viết
dấu chấm nhân, tiền tố, chữ hoaDấu chấm, không phải phân số
Đơn vị là đơn vị ghép, nên toàn bộ cách viết của nó dựa trên phép nhân giữa các phần. Tiền tố chỉ gắn vào watt, giờ không có tiền tố, và chữ hoa chữ thường theo lệ thường: tiền tố «k» viết thường, watt viết hoa, giờ viết thường.
Lỗi thứ nhất phổ biến nhất: gạch phân số biến tích thành thương, và cách viết không còn nghĩa gì nữa. Lỗi thứ hai và thứ năm nhầm năng lượng với công suất theo cả hai chiều — công suất lò sưởi ghi bằng kilowatt, lượng dự trữ của pin ghi bằng kilowatt giờ. Lỗi thứ ba bỏ hẳn giờ đi, và thay vì mức tiêu thụ lại ra một công suất, mà còn phi lý: hai trăm năm mươi kilowatt là công suất đấu nối của một xưởng nhỏ. Lỗi thứ tư vi phạm chữ hoa chữ thường: «K» hoa là kelvin, «H» hoa là henry.
06 · Các đơn vị lân cận
joule · watt · ampe giờKilowatt giờ có ba người họ hàng gần, và chính với họ mà nó bị nhầm: joule là cùng đại lượng ấy theo đơn vị SI, watt là một thừa số, còn ampe giờ là đơn vị ghép trông giống nhưng dành cho điện tích.
Đơn vị năng lượng của Hệ đơn vị quốc tế. Một kilowatt giờ chứa đúng ba phẩy sáu megajoule, nên chuyển qua lại giữa hai đơn vị chỉ là một phép nhân đơn giản không mất độ chính xác.
Thừa số hay bị nhầm với tích nhất. Watt trả lời «nhanh đến đâu», kilowatt giờ trả lời «tổng cộng bao nhiêu»; cái trước in trên nhãn thiết bị, cái sau đến cùng hóa đơn.
Được xây theo cùng một khuôn nên dễ đánh lừa: nó không đếm năng lượng mà đếm điện tích, và chỉ thành watt giờ sau khi nhân với điện áp. Vì thế so sánh hai pin bằng ampe giờ là vô nghĩa nếu điện áp của chúng khác nhau.
Trong các thẻ của Simetrium, joule, watt, ampe giờ và tấn than quy ước đứng cạnh nhau — toàn bộ số học của một hóa đơn năng lượng được dựng từ chúng.
07 · Phần lịch sử
lưu trữ · 1882 → 1889 → 1960 → nayNgười bán điện đã nghĩ ra một đơn vị như thế nào
{title}
{text}
Hình đỏ là chiếc ấm siêu tốc hai kilowatt chạy ba mươi sáu phút; hình xanh là máy bơm bốn trăm năm mươi watt chạy hai giờ bốn mươi phút. Diện tích bằng nhau, và trong cả hai trường hợp công tơ sẽ hiện cùng mức tăng một phẩy hai kilowatt giờ. Mỗi ô lưới bằng một phần mười kilowatt giờ, nên năng lượng hiện ra ngay trong các ô chứ không nằm trong chú thích, và chính sự trực quan ấy đã giữ đơn vị này trong đời sống hằng ngày suốt một thế kỷ rưỡi.
Vì sao joule chưa bao giờ thay thế được nó
Ủy ban Quốc tế về Cân đo xếp kilowatt giờ vào những đơn vị không thuộc hệ nhưng được phép sử dụng, và giải thích đúng như thực tế: đơn vị này đã bén rễ quá sâu vào đời sống kinh tế đến mức không thể bãi bỏ. Suốt một thế kỷ rưỡi, biểu giá, hợp đồng, thống kê quốc gia và tài liệu kỹ thuật đều dựa vào nó, và thay thế nó sẽ tốn kém hơn bất kỳ sự ngăn nắp đo lường nào, mà chẳng đem lại gì cho ai.
Cũng không chỉ là quán tính. Kilowatt giờ tiện lợi chính vì cả hai thừa số đều hiện ra trong nó: đọc thấy pin có sáu mươi kilowatt giờ, người lái xe tính ngay được rằng ở mức tải mười lăm kilowatt nó đủ cho bốn giờ chạy, trong khi hai trăm mười sáu megajoule chẳng nói lên điều gì. Một đơn vị giữ trong mình cấu trúc của phép tính phục vụ con người tốt hơn một đơn vị ngăn nắp hơn về hình thức.
Đo lường học cũng được lợi. Vì giờ được định nghĩa chính xác, phép quy đổi không gây sai số, và các phép tính hỗn hợp — công tơ bằng kilowatt giờ, kỹ thuật nhiệt bằng megajoule — ra kết quả không dư. Thế là đơn vị ghép nổi tiếng nhất, làm từ tiền tố SI, watt của SI và giờ nằm ngoài SI, sống yên ổn: nó không tranh cãi với hệ đơn vị, chỉ là dễ dùng hơn khi nói chuyện với người tiêu dùng.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và các đại lượng ngoài hệ, thiếu chúng thì kỹ thuật lẫn lịch đều không chạy.
Năng lượng, công suất và hóa đơn
phiếu đang mở được làm nổiĐơn vị cơ bản của SI
được làm nổi bật là những đơn vị tạo nên kilowatt giờThiết bị trong căn hộ
năng lượng, tiền và megajoule do thẻ tính ra| Thiết bị | công suất | thời gian | mỗi lần | mỗi tháng | MJ mỗi tháng | theo giá điện | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {p} | {t} | {once} | {month} | {mj} | {cost} | {note} |
Mọi cột trừ ba cột đầu đều tính từ công suất và thời gian, và bảng cho thấy rõ một điều thường gây bất ngờ: chiếc ấm siêu tốc hơn hai kilowatt mỗi tháng lại tốn ít điện hơn tủ lạnh bốn mươi lăm watt, vì cái trước chỉ chạy vài phút, còn cái sau chạy trọn bảy trăm ba mươi giờ. Đơn vị nói đúng điều đó: quan trọng không phải thiết bị mạnh đến đâu, mà là nó phủ bao nhiêu diện tích trên mặt phẳng «công suất — thời gian».