Unità SI | watt |
---|---|
Altre unità | potenza |
Dimensione | M · L 2 · T -3 |
Natura | Taglia scalare ampia |
Simbolo usuale | P |
Collegamento ad altre dimensioni | P = W |
Coniugare | tempo (fisico) |
In fisica , la potenza riflette la velocità con cui viene svolto il lavoro . È la quantità di energia per unità di tempo fornita da un sistema a un altro. È quindi una quantità scalare . Alla potenza corrisponde quindi un flusso di energia: se due sistemi di potenza diversa forniscono lo stesso lavoro , il più potente dei due è quello che è più veloce.
In generale, l' integrale della potenza erogata durante un periodo τ rappresenta il lavoro totale erogato:
.Quando la potenza P è costante, la capacità di un sistema di fornire lavoro W durante un periodo Δ t è espressa dal rapporto:
.Nel sistema internazionale di unità , una potenza è espressa in watt , che corrisponde a joule al secondo , o equivalente a kg ⋅ m 2 ⋅ s −3 . Una vecchia unità era di potenza , dove la capacità di trazione di un motore a vapore era paragonata a quella di un cavallo da lavoro .
In quanto quantità fisica, il potere riflette sia la nozione di cambiamento materiale nell'universo, sia il tempo necessario per effettuare questo cambiamento. Il potere si distingue in questo dal lavoro, che tiene conto solo del cambiamento, ma non della durata necessaria.
Quindi, ad esempio, lo stesso lavoro viene svolto quando un carico pesante viene trasportato su per le scale, sia che chi lo indossa lo stia facendo mentre cammina o corre; ma la potenza richiesta in questo secondo caso è molto maggiore, tanto più quanto minore è il tempo per il completamento di questo lavoro.
Un altro esempio paradossale è che il "combustione completa" di un chilogrammo di carbone produce più energia rispetto alla esplosione di un chilogrammo di TNT : combustione del carbone produce dell'ordine di 15 a 30 mega joule / kg , mentre l'esplosione TNT produce circa 4,7 MJ kg −1 . La differenza essenziale è infatti una differenza di potenza: l'esplosione del TNT essendo molto più veloce della combustione del carbone, la potenza del TNT è molto maggiore di quella del carbone a parità di peso, sebbene l'energia intrinseca del carbone sia superiore a quella del carbone TNT.
In generale, la potenza è il prodotto di una "variabile di forza" (forza, coppia, pressione, tensione, ecc.) Necessaria per mettere in moto contro la resistenza del sistema, da una "variabile di flusso". »(Velocità, velocità angolare , portata, intensità di corrente, ecc.) mantenute nonostante questa resistenza.
Così, ad esempio, la potenza richiesta per forzare un movimento su un veicolo è il prodotto della forza di trazione esercitata dalla velocità di movimento. La potenza di un motore rotativo è il prodotto della coppia che trasmette per la velocità di rotazione che è in grado di mantenere nonostante questa resistenza. Una lampadina converte l'energia elettrica in luce e calore e la potenza così consumata è il prodotto della tensione elettrica e dell'intensità della corrente elettrica che la attraversa.
Potenza media La potenza media P m è l'energia E erogata da un fenomeno divisa per la durata τ di questo fenomeno, deduciamo . Potenza istantanea La derivata dell'energia fornita rispetto al tempo è da dove .In alcuni casi, è necessaria molta potenza all'avvio (alta energia in un breve periodo di tempo) per mettere in movimento il sistema, ma una volta che il sistema è in movimento, un po 'di potenza è sufficiente per mantenere il movimento. Anzi, all'inizio, il potere deve combattere tutte le inerzie del sistema; mentre in modalità continua c'è solo da compensare l'elemento dissipativo generalmente dovuto all'attrito. Ciò è particolarmente vero quando è necessario superare un attrito a secco, una forza di inerzia o in caso di effetto soglia (esempi: la velocità minima di decollo di un aereo o di un razzo ).
Per esempio :
Per questo motivo la forza motrice deve poi essere sovradimensionata rispetto al rigoroso requisito derivante dalla velocità di crociera; e viceversa, il funzionamento dell'impianto deve prevedere la riduzione della potenza dopo l'avviamento, in modo da non portare l'impianto oltre il suo normale regime di funzionamento.
D'altra parte, la potenza erogata è quindi il prodotto di una forza variabile da una variabile di flusso, anche all'inizio di un sistema. Se quindi all'accensione viene imposta all'impianto tutta la potenza disponibile al suo valore nominale, la “variabile di forza” dovrebbe teoricamente assumere un valore infinito, per compensare una “variabile di portata” inizialmente nulla. Pertanto, in pratica, la potenza trasmessa a un sistema a riposo può aumentare solo gradualmente. Ma viceversa, un aumento troppo rapido della potenza può imporre un picco istantaneo alla “variabile di forza” sotto forma di shock , suscettibile di danneggiare il sistema.
L'unità SI di potenza è il watt (simbolo: W), che corrisponde a un joule al secondo.
Stranamente, la potenza è ancora utilizzata nel caso dei motori termici:
1 canale = 736 W circaPer abuso di linguaggio attribuiamo il potere all'oggetto che lo trasforma, ad esempio:
In questo caso può essere:
È un principio fondamentale in meccanica, mette in forma variazionale le equazioni tradizionali della meccanica. Consente inoltre di stabilire relazioni tra i poteri esterni di un meccanismo (e quindi di ottenere leggi di input / output, ad esempio).
Potere delle interazioni In particolare, in un collegamento perfetto, la potenza delle interazioni è zero. Si ottiene questa quantità calcolando il co-momento dei torsori cinematici e statici della connessione.Se il punto di applicazione di una forza (in N ) si muove alla velocità istantanea (in m / s ), allora vale la potenza istantanea (in watt ):
.Troviamo facilmente questo risultato derivando il lavoro di una forza .
Potere di coppia Se l'oggetto è in rotazione sotto l'azione di una coppia e ruota alla velocità angolare istantanea (in radianti al secondo ), la potenza istantanea è (in watt ) . Potenza dei torsoriLa potenza elettrica che spesso viene indicata con P e che ha l'unità Watt (simbolo W) è il prodotto della tensione ai capi della quale è collegata l'unità ( volt ) e l' intensità della corrente elettrica che la incrocia (in ampere ) per puramente resistiva dispositivi.
Regime continuoIn condizioni di tensione e corrente continua , con U e I i valori costanti della tensione ai capi del dipolo e dell'intensità della corrente attraverso il dipolo.
In particolare, se R è la resistenza di un dipolo, allora abbiamo:
.Questo porta all'espressione del potere:
.Da un punto di vista elettrico, possiamo modellare un dipolo attivo lineare (elettromotrice) con un modello Thévenin equivalente (MET). Nota: questo modello è molto sintetico e tiene conto solo della caduta di tensione sotto carico o delle potenze elettriche messe in gioco all'interno di un dominio di validità che deve essere sempre specificato. Nella convenzione del generatore (freccia della tensione e direzione della corrente nella stessa direzione), lo schema equivalente del dipolo è quindi il seguente:
Nella convenzione del generatore, la potenza fornita dal dipolo all'esterno è scritta per definizione:
.La potenza erogata P fornita dal dipolo attivo corrisponde quindi alla potenza fornita da un generatore di tensione ideale E che eroga una corrente I , parte della quale , viene dissipata per effetto Joule. Nel caso dei motori elettrici il termine EI è chiamato potenza elettromeccanica spesso notato .
Dieta alternativaSe la tensione e la corrente variano, la potenza istantanea consumata da un dipolo è uguale al prodotto dei valori istantanei della corrente che lo attraversa e della tensione ai suoi terminali.
con: p in watt , u in volt e i in ampere .
In regime sinusoidale , la corrente e la tensione sono espresse come:
dove U eff e I eff sono i valori rms della tensione e della corrente, e le è lo sfasamento della tensione rispetto alla corrente.
Il prodotto di queste due quantità ha per espressione:
La potenza media istantanea, chiamata potenza attiva , corrisponde alla potenza effettivamente consumata dal dipolo. Il secondo termine della somma corrisponde alla potenza fluttuante .
La potenza attiva vale:
dove cos (φ) è il fattore di potenza .
La "potenza fluttuante" è una potenza sinusoidale con una frequenza doppia rispetto a quella della corrente e della tensione. Per i convertitori elettrotermici, questa potenza fluttuante non ha effetto, l'inerzia termica del sistema consente di appianare completamente queste variazioni di potenza. D'altra parte, durante una conversione elettromeccanica, la macchina elettrica, motore o generatore, a causa della sua inerzia, ruota con una velocità meccanica pressoché costante e, in ogni momento, consuma o fornisce - quasi con le perdite - un'identica potenza meccanica . La potenza fluttuante è quindi responsabile delle oscillazioni di coppia che sono, per la maggior parte, assorbite dall'elasticità dell'albero di trasmissione. Per una macchina ad alta potenza, queste oscillazioni sono proibitive perché potrebbero causarne la distruzione. Questo è uno dei motivi per cui gli alternatori delle centrali elettriche ei motori di grandi dimensioni devono essere polifase e sono, molto spesso, macchine trifase .
La potenza termica (o potenza di riscaldamento) si riferisce alla quantità di calore (o trasferimento di calore) che passa attraverso una superficie isotermica per unità di tempo. Si tratta quindi di un flusso di calore che può essere espresso in watt , kilowatt o megawatt, essendo la quantità di calore espressa in joule e il tempo in secondi. La potenza termica è espressa anche in kilocalorie per ora (kcal / h) o therm per ora (th / h).
Ad esempio, la potenza termica di un radiatore è dell'ordine di 1000 watt (1 kW ), mentre la potenza termica di un reattore nucleare può raggiungere più di 3000 MW (3 GW ).
Secondo il primo principio della termodinamica , la potenza termica e la potenza meccanica sono equivalenti. Secondo il secondo principio della termodinamica , la trasformazione della potenza termica in potenza meccanica non è integrale, c'è sempre una potenza termica dissipata. L'energia termica scorre sempre dalle regioni più calde a quelle più fredde.
Nel caso di trasferimento di calore per conduzione, la densità del flusso di calore viene introdotta in modo unidimensionale:
.La legge di Fourier ha generalizzato questa densità di flusso in tutte le direzioni. Il vettore della densità del flusso termico è definito da:
.Questa espressione per la propagazione del calore ha due vantaggi:
La scelta delle coordinate dipende dalla simmetria del problema. Ad esempio, per studiare il calore prodotto da un fusibile (cilindrico), utilizziamo le coordinate cilindriche.
La potenza termica (nota P Q ) attraverso una superficie S è per definizione il flusso del vettore attraverso la superficie S , vale a dire:
.La potenza acustica, o potenza sonora, è la quantità di energia che un'onda sonora trasporta per unità di tempo attraverso una data superficie. Dipende dall'ampiezza di questa onda sonora e dalla superficie.
Nel caso generale, è dato dalla formula:
dove P è la potenza, I è l'intensità del suono ed S è l' elemento di superficie raggiunto dall'onda sonora.
Per una sorgente isolata, il calcolo della potenza acustica totale emessa corrisponde all'integrale di cui sopra esteso su una superficie chiusa.