Fizica puterii

Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

Calculați puterea calculând modificările de energie în timp.
Examinați consumul de energie și calculele costului energiei consumate.

Ce este Puterea?

Figura 1. Această rachetă puternică de pe Space Shuttle Endeavour a funcționat și a consumat energie la o rată foarte mare. (credit: NASA)

Puterea - cuvântul evocă numeroase imagini: un jucător de fotbal profesionist care își distruge adversarul, un dragster care răcnește de la linia de start, un vulcan care-și suflă lava în atmosferă sau o rachetă care aruncă, ca în Figura 1.

Aceste imagini ale puterii au în comun performanța rapidă a muncii, în concordanță cu definiția științifică a puterii (P) ca ritm la care se lucrează.

Putere

Puterea este rata la care se lucrează.

Unitatea SI pentru putere este wattul (W), unde 1 watt este egal cu 1 joule/secundă (1 W = 1 J/s).

Deoarece munca este transfer de energie, puterea este, de asemenea, rata la care se consumă energia. Un bec de 60 W, de exemplu, cheltuiește 60 J de energie pe secundă. Putere mare înseamnă o cantitate mare de muncă sau energie dezvoltată într-un timp scurt. De exemplu, atunci când o mașină puternică accelerează rapid, face o cantitate mare de muncă și consumă o cantitate mare de combustibil într-un timp scurt.

Calculul puterii din energie

Exemplul 1. Calculul puterii de urcare pe scări

Care este puterea de ieșire pentru o femeie de 60,0 kg care aleargă o scară înaltă de 3,00 m în 3,50 s, începând din repaus, dar având o viteză finală de 2,00 m/s? (Vezi Figura 2.)

Figura 2. Când această femeie aleargă la etaj începând de la odihnă, ea transformă energia chimică inițial din alimente în energie cinetică și energie potențială gravitațională. Puterea ei depinde de cât de repede face asta.

Strategie și concept

Lucrarea care intră în energie mecanică este W = KE + PE. În partea de jos a scărilor, luăm atât KE, cât și PEg ca inițial zero; astfel, [latex] W = \ text _> + \ text _> = \ fracmv _> ^ 2 + mgh \\ [/ latex], unde h este înălțimea verticală a scărilor. Deoarece toți termenii sunt dați, putem calcula W și apoi îl putem împărți la timp pentru a obține putere.

Soluţie

Înlocuind expresia lui W în definiția puterii dată în ecuația anterioară, [latex] P = \ frac \\ [/ latex] produce

Introducerea valorilor cunoscute produce

Discuţie

Femeia face 1764 J de muncă pentru a urca scările în comparație cu doar 120 J pentru a-și crește energia cinetică; astfel, cea mai mare parte a puterii sale este necesară pentru a urca mai degrabă decât pentru a accelera.

Este impresionant faptul că puterea utilă a acestei femei este puțin mai mică de 1 cai putere (1 CP = 746 W)! Oamenii pot genera mai mult de o putere cu mușchii picioarelor pentru perioade scurte de timp, transformând rapid zahărul din sânge și oxigenul disponibil în rezultatele de lucru. (Un cal poate scoate 1 CP timp de ore întregi.) Odată ce oxigenul este epuizat, puterea scade și persoana începe să respire rapid pentru a obține oxigen pentru a metaboliza mai multe alimente - aceasta este cunoscută sub numele de etapa aerobă a exercițiilor. Dacă femeia ar urca scările încet, atunci puterea ei ar fi mult mai mică, deși cantitatea de muncă depusă ar fi aceeași.

Realizarea conexiunilor: Investigații la domiciliu - Măsurați-vă puterea

Determinați-vă propriul rating de putere măsurând timpul necesar pentru a urca o scară. Vom ignora câștigul din energia cinetică, deoarece exemplul de mai sus a arătat că este o mică parte din câștigul de energie. Nu vă așteptați ca puterea dvs. să depășească aproximativ 0,5 CP.

Exemple de putere

Figura 3. Cantități extraordinare de energie electrică sunt generate de centrale electrice pe cărbune, cum ar fi aceasta în China, dar o cantitate și mai mare de energie este transferată de căldură în împrejurimi. Turnurile mari de răcire de aici sunt necesare pentru a transfera căldura la fel de rapid pe cât este produsă. Transferul de căldură nu este exclusiv centralelor de cărbune, ci este o consecință inevitabilă a generării de energie electrică din orice combustibil - nuclear, cărbune, petrol, gaz natural sau altele asemenea. (credit: Kleinolive, Wikimedia Commons)

Exemplele de putere sunt limitate doar de imaginație, deoarece există tot atâtea tipuri de forme de muncă și energie. (A se vedea tabelul 1 pentru câteva exemple.) Lumina soarelui care ajunge la suprafața Pământului are o putere maximă de aproximativ 1,3 kilowați pe metru pătrat (kW/m 2). O mică parte din aceasta este păstrată de Pământ pe termen lung. Rata noastră de consum de combustibili fosili este mult mai mare decât rata la care sunt depozitați, deci este inevitabil ca acestea să fie epuizate. Puterea implică faptul că energia este transferată, poate schimbând forma. Nu este niciodată posibil să schimbi o formă complet în alta fără a pierde o parte din ea ca energie termică. De exemplu, un bec incandescent de 60 W convertește doar 5 W putere electrică în lumină, cu 55 W disipându-se în energie termică.

În plus, centrala electrică tipică transformă doar 35-40% din combustibilul său în electricitate. Restul devine o cantitate uriașă de energie termică care trebuie dispersată ca transfer de căldură, la fel de repede pe măsură ce este creată. O centrală electrică pe cărbune poate produce 1000 de megawați; 1 megawatt (MW) este 10 6 W putere electrică. Însă centrala electrică consumă energie chimică la o rată de aproximativ 2500 MW, creând un transfer de căldură în împrejurimi la o rată de 1500 MW. (Vezi Figura 3.)