Chuyển đổi đơn vị vật lý là gì?
Đơn vị là độ lớn để đo một đại lượng vật lý, và chuyển đổi đơn vị là phép tính so sánh một độ lớn như vậy với một độ lớn khác. Chuẩn quốc tế từ năm 1960 là Hệ đơn vị quốc tế (SI), tổ chức quanh bảy đơn vị cơ sở — mét, kilôgam, giây, ampe, kelvin, mol và candela — từ đó mọi đơn vị khác được suy ra bằng nhân hoặc chia. Một hệ đơn vị mạch lạc có nghĩa tích hoặc thương của các đại lượng cho tích hoặc thương của các đơn vị của chúng, nên phương trình J = N·m hoạt động mà không cần chèn hằng số phép màu. Hệ không mạch lạc như CGS chèn các hằng số như vậy — hữu ích trong lịch sử, khó chịu trong thực tế. Bảng này giữ mọi thứ bằng thừa số SI: mỗi đơn vị được lưu thành một số (thừa số để đổi sang đơn vị cơ sở SI), và mọi đáp án là đơn_vị_SI ÷ đơn_vị_ra_SI, với định dạng do lớp hiển thị xử lý.
SI cho bạn một đơn vị cơ sở cho mỗi đại lượng; bảng này cho bạn mọi đơn vị khác như một thừa số: 1 km = 10³ m, 1 parsec = 3,0857×1016 m, 1 electron-volt = 1,602×10−19 J. Thừa số chuyển đổi là toàn bộ vật lý của phép chuyển đổi; mọi thứ khác chỉ là định dạng.
Chiều dài — từ Ångström đến parsec
Mười sáu mục chiều dài của bảng trải khoảng 26 bậc độ lớn, từ Ångström (10−10 m, quy mô liên kết hóa học và khoảng cách nguyên tử) đến parsec (3,0857×1016 m). Mét là đơn vị SI làm việc; mọi thứ khác chỉ là một quy ước đặt tên với thừa số cố định. Trong cùng dải độ lớn, đơn vị làm việc khác nhau theo ngành: nanômét cho bước sóng ánh sáng khả kiến (400–700 nm); micrômét cho sinh học tế bào; milimét cho cơ khí; centimét cho vật dụng hằng ngày; kilômét cho địa lý. Cho thang từ con người đến Trái Đất đến thiên hà, đơn vị thiên văn (1 AU = 1,496×1011 m, được định nghĩa chính xác là khoảng cách Trái Đất-Mặt Trời) và năm ánh sáng (1 ly = 9,461×1015 m, khoảng ánh sáng đi trong một năm Julian) nối hệ mặt trời với các ngôi sao gần nhất. Parsec là đơn vị thiên văn chuyên nghiệp, được định nghĩa là khoảng cách mà 1 AU chắn một góc giây cung: 1 pc ≈ 3,26 ly ≈ 206.265 AU.
Khối lượng — từ yoctogram đến khối lượng Mặt Trời
Mười hai mục khối lượng bao quát dải từ lượng tử đến thiên văn: đơn vị khối lượng nguyên tử (1,661×10−27 kg, một Dalton, khối lượng của một nucleon) cho hóa học, microgam và miligam cho hóa phân tích, kilôgam cho sử dụng hằng ngày, tấn cho lượng công nghiệp, pound avoirdupois (0,4536 kg, định nghĩa chính xác từ 1959 là 453,59237 g), và khối lượng Mặt Trời (1,989×1030 kg) cho các ngôi sao. Carat (đúng 200 mg) là đơn vị khối lượng cho đá quý; slug (14,594 kg) là đơn vị khối lượng hệ đo truyền thống cho F = ma bằng pound-lực mà không cần thừa số thêm — hữu ích nếu bạn phải làm việc theo hệ thông dụng của Mỹ. Lưu ý "trọng lượng" về kỹ thuật là một lực, không phải khối lượng; một kilôgam-lực là 9,81 N. Bảng này không nhầm lẫn hai thứ: mọi mục ở đây đều là khối lượng tính bằng kg.
Năng lượng — joule, eV, calo, BTU, kWh
Cột năng lượng trải khoảng cách giữa lượng tử (electron-volt, 1,602×10−19 J) và công nghiệp (kilôwatt-giờ, 3,6×106 J). Đơn vị SI là joule (1 J = 1 N·m = 1 kg·m²/s²); electron-volt là đơn vị nguyên tử tự nhiên (động năng electron nhận được khi đi qua 1 volt); calo (4,184 J, nhiệt hóa học) còn tồn tại trên nhãn dinh dưỡng; đơn vị nhiệt (1 BTU ≈ 1.055 J) còn sống trong xếp hạng HVAC và năng lượng của một que diêm gỗ; và kWh là thứ xuất hiện trên hóa đơn điện của bạn. E = mc² nối trực tiếp khối lượng và năng lượng: 1 kg khối lượng chứa 8,988×1016 J, đủ để vận hành toàn bộ nền kinh tế thế giới trong vài giây. Calo thực phẩm (lưu ý chữ C viết hoa) thực ra là kilocalo (1.000 cal = 4.184 J).
Áp suất — pascal, atm, bar, mmHg, psi
Áp suất có nhiều đơn vị hơn gần như bất kỳ đại lượng vật lý nào khác vì nó lớn lên trong ba truyền thống cùng lúc: khí tượng (milimét thủy ngân, mmHg, và milibar), kỹ thuật (pound trên inch vuông, psi), và vật lý (pascal, Pa = N/m²). Các con số neo: 1 atm = 101.325 Pa chính xác — đơn vị SI gốc là "khí quyển chuẩn"; 1 mmHg ≈ 133,322 Pa (chiều cao cột thủy ngân 1 mm ở trọng trường chuẩn); 1 bar = 100.000 Pa chính xác (một số tròn thực tế, hơi nhỏ hơn 1 atm); 1 psi ≈ 6.894,76 Pa. Tỷ số mmHg sang Pa là điều làm cho khí áp kế thủy ngân hoạt động: 760 mmHg = 1 atm. Huyết áp thường báo cáo bằng mmHg, khí quyển bằng hPa (hectopascal, bằng số với milibar), và áp suất lốp bằng psi.
Nhiệt độ là trường hợp đặc biệt
Chuyển đổi của mọi đại lượng khác chỉ là một thừa số nhân duy nhất. Nhiệt độ là ngoại lệ: các đơn vị của nó khác nhau bởi độ lệch lẫn tỷ lệ, vì số 0 của mỗi thang là một điểm khác nhau. Để đổi từ Celsius sang Kelvin, cộng 273,15; từ Fahrenheit sang Rankine, cộng 459,67; từ Celsius sang Fahrenheit, nhân 9/5 rồi cộng 32. Để đổi hiệu nhiệt độ chỉ dùng thừa số thang (1 K = 1°C = 9/5°F). Bảng xử lý việc này với tỷ lệ và độ lệch riêng theo nhóm sao cho 100°C hiển thị là 212°F (không phải 180°F, lỗi thường gặp). Nhầm lẫn hiệu nhiệt độ với nhiệt độ là lỗi phổ biến nhất trong chuyển đổi đơn vị.
Các mục khác: góc, điện tích, điện áp, tần số
Một vài chuyển đổi đáng để lưu ý vì bắt được ngay cả người có kinh nghiệm: radian và độ không chỉ là không thứ nguyên, chúng là cùng một không thứ nguyên — 2π radian = 360°, với một vòng tròn đầy đủ của một trong hai đơn vị là tỷ số chiều dài/bán kính cho ra một số thuần; đó là lý do ω trong các công thức góc có thể lấy một trong hai đơn vị. Tần số là nghịch đảo của thời gian: hertz = 1/s. Điện áp (một joule trên coulomb) và điện tích (coulomb) liên kết với dòng điện (ampe) bởi Q = I·t. Đơn vị cơ sở cho dòng điện, ampe, được định nghĩa là 6,241×1018 điện tích cơ bản mỗi giây; định nghĩa lại SI năm 2019 đã đổi nó thành giá trị cố định cho điện tích cơ bản và suy ra ampe. Bảng sử dụng các thừa số kỹ thuật thông thường xuyên suốt, khớp với các định nghĩa thực tế trong vòng một phần triệu cho hầu hết mục đích.
Những hiểu lầm phổ biến
- Nhiệt độ chỉ là một thang khác, giống như inch so với centimet. Các thang nhiệt độ có độ lệch lẫn tỷ lệ: 0°C = 273,15 K, không phải 0 K. Khoảng 1 K bằng khoảng 1°C, nhưng nhiệt độ tuyệt đối thì khác nhau. Nhầm lẫn các thứ này là lỗi phổ biến nhất trong chuyển đổi đơn vị liên quan đến nhiệt.
- Một pound là một kilôgam. Pound là đơn vị khối lượng trong hệ avoirdupois (đúng 0,45359237 kg từ năm 1959); pound-lực (lbf) là đơn vị lực (khoảng 4,45 N). Chúng khác nhau một thừa số g ≈ 9,81. Cân trọng lượng cơ thể báo pound-khối; động cơ tên lửa báo pound-lực; cả hai đều đúng trong bối cảnh của chúng.
- 1 kg trọng lượng được đổi bằng cách nhân 9,81 để ra Newton. 9,81 m/s² là gia tốc trọng trường bề mặt chuẩn, không phải thừa số chuyển đổi. 1 kg khối lượng nặng khoảng 9,81 N ở mực nước biển, nhưng cùng khối lượng là cùng một con số ở mọi nơi — trọng lượng (lực) mới phụ thuộc vào g địa phương.
- Electron-volt là đơn vị điện áp. Dù tên gọi vậy, eV là đơn vị năng lượng: năng lượng mà một electron nhận được khi đi qua một điện thế một volt. 1 eV = 1,602×10−19 J. Điều này khiến "volt" trong "eV" chỉ là tiện ích động học, không phải đơn vị lực.
Công cụ liên quan: Bảng hằng số cho các giá trị nằm sau các thừa số này, Nhiệt động lực học cho trường hợp nhiệt độ đặc biệt trong thực tế, và Máy tính cho đại số của phân tích thứ nguyên.
