ऊर्जा

Energy
File:The Sun in white light.jpg The Sun is the ultimate source of energy for most of life on Earth. यह मुख्य रूप से अपने मूल में परमाणु संलयन से अपनी ऊर्जा प्राप्त करता है, द्रव्यमान को ऊर्जा में परिवर्तित करता है क्योंकि प्रोटॉन हीलियम बनाने के लिए संयुक्त होते हैं। इस ऊर्जा को सूर्य की सतह पर ले जाया जाता है और अंतरिक्ष में छोड़ा जाता है (मुख्य रूप से उज्ज्वल (प्रकाश) ऊर्जा के रूप में)।

भौतिकी में, ऊर्जा मात्रात्मक गुण है जिसे तत्व या भौतिक प्रणाली में स्थानांतरित किया जाता है, कार्य के प्रदर्शन में गर्मी और प्रकाश के रूप में पहचानने योग्य होती है। ऊर्जा एक संरक्षित मात्रा है, ऊर्जा के संरक्षण का नियम कहता है कि ऊर्जा को किसी रूप में परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन इसे बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है। ऊर्जा के इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ यूनिट्स) (एसआई) में माप की इकाई जूल है, जो किसी वस्तु को एक न्यूटन के बल के खिलाफ एक मीटर की दूरी तक ले जाने के काम से स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा है।

ऊर्जा के सामान्य रूपों में गतिमान वस्तु की गतिज ऊर्जा, किसी वस्तु द्वारा संग्रहीत संभावित ऊर्जा(उदाहरण के लिए किसी क्षेत्र में उसकी स्थिति के कारण), ठोस वस्तुओं में संग्रहीत लोचदार ऊर्जा , रासायनिक प्रतिक्रियाओं से जुड़ी रासायनिक ऊर्जा, विकिरण विद्युत चुम्बकीय विकिरण द्वारा वहन की जाने वाली ऊर्जा, और थर्मोडायनामिक प्रणाली के भीतर निहित आंतरिक ऊर्जा। सभी जीवित जीव लगातार ऊर्जा लेते और छोड़ते हैं।

द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता के कारण, किसी भी वस्तु का द्रव्यमान होता है जब स्थिर (रेस्ट मास कहा जाता है) में भी ऊर्जा की एक समान मात्रा होती है, जिसका रूप विश्राम ऊर्जा कहलाता है, और कोई भी अतिरिक्त ऊर्जा (किसी भी रूप में) उस शेष ऊर्जा से ऊपर की वस्तु द्वारा प्राप्त की जाती है। जिस प्रकार वस्तु की कुल ऊर्जा में वृद्धि होती है, उसी प्रकार वस्तु के कुल द्रव्यमान में वृद्धि होगी। उदाहरण के लिए, किसी वस्तु को गर्म करने के बाद, उसकी ऊर्जा में वृद्धि को सैद्धांतिक रूप से एक संवेदनशील पर्याप्त पैमाने के साथ द्रव्यमान में एक छोटी वृद्धि के रूप में मापा जा सकता है।

जीवित जीवों को जीवित रहने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जैसे कि ऊर्जा मनुष्य को भोजन और ऑक्सीजन से मिलती है । मानव सभ्यता को कार्य करने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो इसे जीवाश्म ईंधन, परमाणु ईंधन या नवीकरणीय ऊर्जा जैसे ऊर्जा संसाधनों से प्राप्त होती है। पृथ्वी की जलवायु और पारिस्थितिकी तंत्र की प्रक्रियाएं पृथ्वी को सूर्य से प्राप्त होने वाली उज्ज्वल ऊर्जा और पृथ्वी के भीतर निहित भू-तापीय ऊर्जा द्वारा संचालित होती हैं।

शैली

एक प्रणाली की कुल ऊर्जा को विभिन्न तरीकों से संभावित ऊर्जा, गतिज ऊर्जा या दोनों के संयोजन में विभाजित और वर्गीकृत किया जा सकता है। गतिज ऊर्जा किसी वस्तु की गति से निर्धारित होती है या किसी वस्तु के घटकों की समग्र गति से और संभावित ऊर्जा किसी वस्तु की गति की क्षमता को दर्शाती है, और आमतौर पर एक कार्य को क्षेत्र के भीतर किसी वस्तु की स्थिति या क्षेत्र में ही रखा जा सकता है।

हालांकि ये दो श्रेणियां ऊर्जा के सभी रूपों का वर्णन करने के लिए पर्याप्त हैं, लेकिन संभावित और गतिज ऊर्जा के विशेष संयोजनों को अपने रूप में संदर्भित करना अक्सर सुविधाजनक होता है। उदाहरण के लिए, एक प्रणाली के भीतर स्थानांतरीय, घूर्णी गतिज और संभावित ऊर्जा के योग को यांत्रिक ऊर्जा के रूप में संदर्भित किया जाता है, जबकि परमाणु ऊर्जा अन्य उदाहरणों के साथ, परमाणु बल या कमजोर बल से परमाणु नाभिक के भीतर संयुक्त क्षमता को संदर्भित करती है।

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एक विशिष्ट बिजली की हड़ताल में, 500 मेगाजूल विद्युत संभावित ऊर्जा को अन्य रूपों में ऊर्जा की समान मात्रा में परिवर्तित किया जाता है, ज्यादातर प्रकाश ऊर्जा, ध्वनि ऊर्जा और तापीय ऊर्जा ।

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ऊष्मीय ऊर्जा पदार्थ के सूक्ष्म घटकों की ऊर्जा है, जिसमें गतिज और स्थितिज ऊर्जा दोनों शामिल हो सकते हैं।

इतिहास

ऊर्जा शब्द Ancient Greek: ἐνέργεια, romanized: energeia, lit. 'activity, operation' से निकला है रोमनकृत , जो संभवत: पहली बार चौथी शताब्दी ईसा पूर्व में अरस्तू के काम में दिखाई देता है। आधुनिक परिभाषा के विपरीत, एनर्जिया एक गुणात्मक दार्शनिक अवधारणा थी, जो खुशी और आनंद जैसे विचारों को शामिल करने के लिए पर्याप्त थी।

17 वीं शताब्दी के अंत में, गॉटफ्रीड लाइबनिज़ ने लैटिन के विचार का प्रस्ताव दिया या जीवित बल, जिसे किसी वस्तु के द्रव्यमान और उसके वेग के वर्ग के गुणनफल के रूप में परिभाषित किया गया है, उनका मानना था कि कुल विवा का संरक्षण किया गया था। घर्षण कि वजह से धीमा होने के कारण, लाइबनिज ने सिद्धांत दिया कि तापीय ऊर्जा में पदार्थ के घटक भागों की गति शामिल है, हालांकि यह आम तौर पर स्वीकार किए जाने तक एक शताब्दी से अधिक समय तक होगा। इस संपत्ति का आधुनिक एनालॉग, गतिज ऊर्जा, केवल दो के कारक से विवा से भिन्न होता है। 18 वीं शताब्दी की शुरुआत में, एमिली डु चैटलेट ने न्यूटन के प्रिंसिपिया मैथमैटिका के फ्रांसीसी भाषा अनुवाद के सीमांत में ऊर्जा के संरक्षण की अवधारणा का प्रस्ताव रखा, जो एक संरक्षित मापनीय मात्रा के पहले सूत्रीकरण का प्रतिनिधित्व करता था जो गति से अलग था, और जो बाद में होगा ऊर्जा कहा जा सकता है।

1807 में, थॉमस यंग संभवतः अपने आधुनिक अर्थों में विज़ वाइवा के स्थान पर ऊर्जा शब्द का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे। गुस्ताव-गैस्पर्ड कोरिओलिस ने 1829 में अपने आधुनिक अर्थों में गतिज ऊर्जा का वर्णन किया और 1853 में विलियम रैंकिन ने संभावित ऊर्जा शब्द गढ़ा। ऊर्जा के संरक्षण का नियम भी पहली बार 19वीं शताब्दी के प्रारंभ में प्रतिपादित किया गया था और यह किसी भी पृथक प्रणाली पर लागू होता है। कुछ वर्षों के लिए यह तर्क दिया गया था कि क्या गर्मी एक भौतिक पदार्थ है, जिसे कैलोरी कहा जाता है या केवल एक भौतिक मात्रा, जैसे गति । 1845 में जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने यांत्रिक कार्य और ऊष्मा उत्पन्न करने के बीच की कड़ी की खोज की।

इन विकासों ने ऊर्जा के संरक्षण के सिद्धांत को जन्म दिया, जिसे मोटे तौर पर विलियम थॉमसन ( लॉर्ड केल्विन ) ने ऊष्मागतिकी के क्षेत्र के रूप में औपचारिक रूप दिया। ऊष्मागतिकी ने रूडोल्फ क्लॉसियस, जोशिया विलार्ड गिब्स और वाल्थर नर्नस्ट द्वारा रासायनिक प्रक्रियाओं के स्पष्टीकरण के तेजी से विकास में सहायता की। इसने क्लॉसियस द्वारा एन्ट्रापी की अवधारणा के गणितीय सूत्रीकरण और जोसेफ स्टीफन द्वारा उज्ज्वल ऊर्जा के नियमों की शुरूआत की ओर अग्रसर किया। नोएदर के प्रमेय के अनुसार, ऊर्जा का संरक्षण इस तथ्य का परिणाम है कि भौतिकी के नियम समय के साथ नहीं बदलते हैं। इस प्रकार 1918 से, सिद्धांतकारों ने समझा है कि ऊर्जा के संरक्षण का नियम ऊर्जा के साथ संयुग्मित मात्रा अर्थात् समय के अनुवाद संबंधी समरूपता का प्रत्यक्ष गणितीय परिणाम है।

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थॉमस यंग, आधुनिक अर्थों में "ऊर्जा" शब्द का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे।

माप की इकाइयाँ

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ऊष्मा के यांत्रिक तुल्यांक को मापने के लिए जूल का उपकरण। एक स्ट्रिंग से जुड़ा एक अवरोही वजन पानी में डूबे हुए पैडल को घुमाने का कारण बनता है।

1843 में, जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने स्वतंत्र रूप से प्रयोगों की एक श्रृंखला में यांत्रिक समकक्ष की खोज की। उनमें से सबसे प्रसिद्ध ने जूल उपकरण का इस्तेमाल किया, एक स्ट्रिंग से जुड़ा एक अवरोही वजन, पानी में डूबे हुए पैडल के परिक्रमण का कारण बनता है, व्यावहारिक रूप से गर्मी हस्तांतरण से अछूता रहता है। इससे पता चला कि अवरोही में वजन द्वारा खोई गई गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा पैडल के साथ घर्षण के माध्यम से पानी द्वारा प्राप्त आंतरिक ऊर्जा के बराबर थी।

इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ यूनिट्स) (SI) में, ऊर्जा की इकाई जूल है, जिसका नाम जूल के नाम पर रखा गया है। यह एक व्युत्पन्न इकाई है । यह एक मीटर की दूरी से एक न्यूटन का बल लगाने में खर्च की गई ऊर्जा (या किए गए कार्य ) के बराबर है। हालांकि ऊर्जा कई अन्य इकाइयों में भी व्यक्त की जाती है जो एसआई का हिस्सा नहीं हैं, जैसे कि एर्ग, कैलोरी, ब्रिटिश थर्मल यूनिट, किलोवाट-घंटे और किलोकलरीज, जिन्हें एसआई इकाइयों में व्यक्त किए जाने पर रूपांतरण कारक की आवश्यकता होती है।

ऊर्जा दर (ऊर्जा प्रति इकाई समय) की एसआई इकाई वाट है, जो प्रति सेकंड एक जूल है। इस प्रकार, एक जूल एक वाट-सेकंड है, और 3600 जूल एक वाट-घंटे के बराबर है। सीजीएस ऊर्जा इकाई एर्ग है और इंपीरियल और यूएस प्रथागत इकाई फुट पाउंड है। अन्य ऊर्जा इकाइयाँ जैसे कि इलेक्ट्रॉनवोल्ट, खाद्य कैलोरी या ऊष्मागतिकी kcal (एक ताप प्रक्रिया में पानी के तापमान परिवर्तन के आधार पर), और BTU का उपयोग विज्ञान और वाणिज्य के विशिष्ट क्षेत्रों में किया जाता है।

वैज्ञानिक उपयोग

चिरसम्मत यांत्रिकी

चिरसम्मत यांत्रिकी में, ऊर्जा एक अवधारणात्मक और गणितीय रूप से उपयोगी गुण है, क्योंकि यह एक संरक्षित मात्रा है। मुख्य अवधारणा के रूप में ऊर्जा का उपयोग करके यांत्रिकी के कई सूत्र विकसित किए गए हैं।

कार्य, ऊर्जा का एक कार्य, बल गुणा दूरी है।

$W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

यह कहता है कि कार्य ( $W$ ) पथ C के अनुदिश बल F के समाकलन रेखा के बराबर है, विवरण के लिए यांत्रिक कार्य लेख देखें। कार्य और इस प्रकार ऊर्जा फ्रेम पर निर्भर है । उदाहरण के लिए, एक गेंद को बल्ले से टकराने पर विचार करें। सेंटर-ऑफ-मास संदर्भ फ्रेम में, बल्ला गेंद पर कोई काम नहीं करता है। लेकिन, बल्ले को स्विंग कराने वाले शख्स के रेफरेंस फ्रेम में गेंद पर काफी काम होता है.

विलियम रोवन हैमिल्टन के बाद एक प्रणाली की कुल ऊर्जा को कभी-कभी हैमिल्टनियन कहा जाता है। गति के शास्त्रीय समीकरणों को अत्यधिक जटिल या अमूर्त प्रणालियों के लिए भी हैमिल्टनियन के संदर्भ में लिखा जा सकता है। इन शास्त्रीय समीकरणों में गैर-सापेक्ष क्वांटम यांत्रिकी में उल्लेखनीय प्रत्यक्ष एनालॉग हैं।

जोसेफ-लुई लैग्रेंज के बाद ऊर्जा से संबंधित एक अन्य अवधारणा को लैग्रेंजियन कहा जाता है। यह औपचारिकता हैमिल्टन की तरह ही मौलिक है, और दोनों का उपयोग गति के समीकरणों को प्राप्त करने या उनसे प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। इसका आविष्कार चिरसम्मत यांत्रिकी के संदर्भ में किया गया था, लेकिन आमतौर पर आधुनिक भौतिकी में उपयोगी है। लैग्रेंजियन को गतिज ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है जो संभावित ऊर्जा को घटाती है। आमतौर पर, लैग्रेंज औपचारिकता गैर-रूढ़िवादी प्रणालियों (जैसे घर्षण वाले सिस्टम) के लिए हैमिल्टनियन की तुलना में गणितीय रूप से अधिक सुविधाजनक है।

नोएथर की प्रमेय (1918) में कहा गया है कि किसी भौतिक प्रणाली की क्रिया की किसी भी भिन्न समरूपता में एक समान संरक्षण कानून होता है। नोएथर का प्रमेय आधुनिक सैद्धांतिक भौतिकी और विविधताओं के कलन का एक मूलभूत उपकरण बन गया है। लैग्रेंजियन और हैमिल्टनियन यांत्रिकी (क्रमशः 1788 और 1833) में गति के स्थिरांक पर मौलिक योगों का एक सामान्यीकरण, यह उन प्रणालियों पर लागू नहीं होता है जिन्हें लैग्रैन्जियन के साथ मॉडल नहीं किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, निरंतर समरूपता वाले विघटनकारी प्रणालियों के लिए एक समान संरक्षण कानून की आवश्यकता नहीं होती है।

रसायन विज्ञान

रसायन विज्ञान के संदर्भ में, ऊर्जा किसी पदार्थ की परमाणु, आणविक, या समग्र संरचना के परिणाम के रूप में एक विशेषता है। चूंकि एक रासायनिक परिवर्तन के साथ इस प्रकार की एक या अधिक संरचना में परिवर्तन होता है, इसमें आमतौर पर शामिल पदार्थों की कुल ऊर्जा में कमी और कभी-कभी वृद्धि होती है। कुछ ऊर्जा को परिवेश और अभिकारकों के बीच ऊष्मा या प्रकाश के रूप में स्थानांतरित किया जा सकता है, इस प्रकार एक प्रतिक्रिया के उत्पादों में कभी-कभी अभिकारकों की तुलना में अधिक लेकिन आमतौर पर कम ऊर्जा होती है। एक प्रतिक्रिया को एक्ज़ोथिर्मिक(ऊष्माक्षेपी) या एक्सर्जोनिक(ऊर्जाक्षेपी) कहा जाता है। यदि अंतिम अवस्था प्रारंभिक अवस्था की तुलना में ऊर्जा पैमाने पर कम होती है, एंडोथर्मिक (ऊष्माशोषी) प्रतिक्रियाओं के कम सामान्य मामले में स्थिति विपरीत होती है। रासायनिक प्रतिक्रियाएं आमतौर पर तब तक संभव नहीं होती जब तक कि अभिकारक एक ऊर्जा अवरोध को सक्रिय न कर दें जिसे सक्रियण ऊर्जा के रूप में जाना जाता है। एक रासायनिक प्रतिक्रिया की गति (किसी दिए गए तापमान T पर ) सक्रियण ऊर्जा से संबंधित है। बोल्ट्ज़मैन के जनसंख्या कारक e−E/kT द्वारा सक्रियण ऊर्जा E से संबंधित है, अर्थात् किसी दिए गए तापमान T पर एक अणु की ऊर्जा E से अधिक या उसके बराबर होने की संभावना है। तापमान पर प्रतिक्रिया दर की इस घातीय निर्भरता को अरहेनियस समीकरण के रूप में जाना जाता है। रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक सक्रियण ऊर्जा तापीय ऊर्जा के रूप में प्रदान की जा सकती है।

जीवविज्ञान

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ऊर्जा और मानव जीवन का मूल अवलोकन।

जीव विज्ञान में, ऊर्जा जीवमंडल से लेकर सबसे छोटे जीवित जीव तक सभी जैविक प्रणालियों का एक गुण है। एक जीव के भीतर यह एक जैविक कोशिका या एक जैविक जीव के अंग के विकास और विकास के लिए जिम्मेदार होता है। श्वसन में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा ज्यादातर आणविक ऑक्सीजन में संग्रहित होती है और इसे कोशिकाओं द्वारा संग्रहीत कार्बोहाइड्रेट (शर्करा सहित), लिपिड और प्रोटीन जैसे पदार्थों के अणुओं के साथ प्रतिक्रियाओं द्वारा संग्रहीत किया जा सकता है। मानव शब्दों में, मानव समकक्ष (He) (मानव ऊर्जा रूपांतरण) इंगित करता है, ऊर्जा व्यय की एक निश्चित मात्रा के लिए, मानव चयापचय के लिए आवश्यक ऊर्जा की सापेक्ष मात्रा, एक मानक के रूप में 12,500 के औसत मानव ऊर्जा व्यय का उपयोग करते हुए। kJ प्रति दिन और बेसल चयापचय दर 80 वाट। उदाहरण के लिए, यदि हमारा शरीर (औसतन) 80 वाट पर चलता है, तो 100 वाट पर चलने वाला एक प्रकाश बल्ब 1.25 मानव समकक्ष (100 80) यानी 1.25 एच-ई पर चल रहा है। केवल कुछ सेकंड की अवधि के कठिन कार्य के लिए, एक व्यक्ति एक आधिकारिक अश्वशक्ति में हजारों वाट, कई गुना 746 वाट लगा सकता है। कुछ मिनटों तक चलने वाले कार्यों के लिए, एक फिट इंसान शायद 1,000 वाट उत्पन्न कर सकता है। एक गतिविधि के लिए जिसे एक घंटे तक जारी रखा जाना चाहिए, आउटपुट लगभग 300 तक गिर जाता है। पूरे दिन की गई गतिविधि के लिए 150 वाट अधिकतम के बारे में है। मानव समकक्ष ऊर्जा इकाइयों को मानवीय शब्दों में व्यक्त करके भौतिक और जैविक प्रणालियों में ऊर्जा प्रवाह को समझने में सहायता करता है। यह ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा के उपयोग के लिए अनुभव प्रदान करता है।

जब कार्बन डाइऑक्साइड और पानी (दो कम ऊर्जा वाले यौगिक) कार्बोहाइड्रेट, लिपिड, प्रोटीन और ऑक्सीजन और एटीपी जैसे उच्च-ऊर्जा यौगिकों में परिवर्तित हो जाते हैं, तो सूर्य के प्रकाश की उज्ज्वल ऊर्जा को प्रकाश संश्लेषण में रासायनिक संभावित ऊर्जा के रूप में पौधों द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और प्रोटीन ऑक्सीजन की ऊर्जा को छोड़ सकते हैं, जिसका उपयोग जीवित जीवों द्वारा इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में किया जाता है। प्रकाश संश्लेषण के दौरान गर्मी या प्रकाश के रूप में संग्रहीत ऊर्जा की रिहाई अचानक जंगल की आग में एक चिंगारी से शुरू हो सकती है, या इसे पशु या मानव चयापचय के लिए अधिक धीरे-धीरे उपलब्ध कराया जा सकता है जब कार्बनिक अणुओं को अंतर्ग्रहण किया जाता है और एंजाइम क्रिया द्वारा अपचय को ट्रिगर किया जाता है।

सभी जीवित प्राणी ऊर्जा के बाहरी स्रोत पर निर्भर करते हैं ताकि वे बढ़ने और पुन: उत्पन्न करने में सक्षम हों। हरे पौधों के मामले में सूर्य से उज्ज्वल ऊर्जा और जानवरों के मामले में रासायनिक ऊर्जा (किसी न किसी रूप में)। मानव वयस्क के लिए अनुशंसित दैनिक 1500-2000 कैलोरी (6–8 MJ) को भोजन के अणुओं के रूप में लिया जाता है, ज्यादातर कार्बोहाइड्रेट और वसा, जिनमें से ग्लूकोज (सी ₆ एच ₁₂ ओ ₆ ) और स्टीयरिन (सी ₅₇ एच ₁₁₀ ओ ₆ ) सुविधाजनक उदाहरण हैं। माइटोकॉन्ड्रिया में भोजन के अणु कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में ऑक्सीकृत हो जाते हैं।

कार्बोहाइड्रेट या वसा की शेष रासायनिक ऊर्जा गर्मी में परिवर्तित हो जाती है, एटीपी का उपयोग ऊर्जा मुद्रा के रूप में किया जाता है और इसमें शामिल कुछ रासायनिक ऊर्जा का उपयोग अन्य चयापचय के लिए किया जाता है जब एटीपी OH समूहों के साथ प्रतिक्रिया करता है और अंततः एडीपी और फॉस्फेट में विभाजित होता है (एक चयापचय पथ के प्रत्येक चरण में कुछ रासायनिक ऊर्जा गर्मी में परिवर्तित हो जाती है)। मूल रासायनिक ऊर्जा का केवल एक छोटा सा अंश ही काम के लिए उपयोग किया जाता है।

100 मीटर दौड़ के दौरान एक धावक की गतिज ऊर्जा में लाभ : 4 kJ.

2 मीटर के माध्यम से उठाए गए 150 किलो वजन की गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा में लाभ: 3 kJ

एक सामान्य वयस्क का दैनिक भोजन सेवन: 6–8 MJ

ऐसा प्रतीत होता है कि जीवित जीव अपने द्वारा प्राप्त ऊर्जा (रासायनिक या विकिरण ऊर्जा) के उपयोग में उल्लेखनीय रूप