Розрахунок за енергією та потужністю
(Ця стаття з’явилася у подібній формі в журналі Energie & Umwelt 3/2006, журнал Швейцарського енергетичного фонду.)
Розрахунок за кіловатами та мегаджаулями не є ракетознавством. Короткий вступ допоможе вам розпочати роботу та уникнути помилок.
Часто читається така інформація, як «Вітрогенератор забезпечує 350 кВт на рік»; іноді вони надають більше інформації про межі авторської компетенції, ніж про питання. Оволодіння основами обчислень за допомогою енергії та енергії не тільки економить збентеження, але перш за все дозволяє цікаві оцінки та порівняння. Мета тут - пояснити деякі основи зрозумілим чином і передати відчуття розмірів та цифр.
Основи
Для виконання певної «роботи» у фізичному сенсі необхідна певна кількість енергії, напр. Б. троє людей, щоб підняти чотири поверхи або перевезти автомобіль проти сили тяжіння та тертя над Альпами. Така механічна енергія також може бути перетворена в інші форми енергії, такі як теплова або електрична. При таких перетвореннях втрат енергії у вужчому розумінні не відбувається, але часто відбувається неповна конверсія, яка фактично стає ефективною як втрата. Для водія частина теплової енергії, що утворюється при згорянні, яка не перетворюється в механічну енергію, а нагріває навколишнє середовище, фактично втрачається. Ефективність - це частка енергії, яку можна перетворити в бажану форму.
Одиниці енергії
Енергію всіх форм можна кількісно визначити за допомогою однієї і тієї ж одиниці виміру, що надзвичайно корисно для багатьох обчислень. У сьогоднішній загальній системі одиниць СІ джоуль (J) є основною одиницею енергії. Достатньо кількох кілоджоулів (1 кДж = 1000 Дж), щоб по-справжньому запустити мотоцикл та вершника. Вантаж білизни відмивається кількома мегаджаулями (1 МДж = 1000 кДж = 1 мільйон джоулів), а один літр мазуту забезпечує приблизно 35 МДж тепла (без втрат у котлі). Іншими загальними одиницями вимірювання енергії є кіловат-година (1 кВт-год = 3600000 Дж) і калорія (1 кал = 4,19 Дж).
Потужність = кількість енергії за одиницю часу
Якщо енергія перетворюється за певний час, потужність описує перетворену кількість енергії за одиницю часу. Основною одиницею є ват (Вт); 1 Вт відповідає одному джоулю в секунду і достатньо для керування невеликим іграшковим мотором. Один кіловат (кВт) відповідає 1 кДж в секунду або 3600 кДж = 3,6 МДж = 1 кВт-год на годину. Тепер ми розуміємо кіловат-годину (кВт-год) як кількість енергії, яку пристрій з потужністю в один кіловат перетворює за одну годину. Якщо реалізація неповна, можливі різні деталі: напр. Наприклад, для дизельного двигуна під час руху по шосе або споживана потужність (5 літрів дизельного палива на годину відповідає 535 МДж на годину, тобто 175 МДж/(3600 с) = 49 кДж/с = 49 кВт) або вихідна потужність 15 кВт. Тут ККД буде 15 кВт/49 кВт = 0,31 = 31%.
На жаль, кінські сили (HP) все ще є загальною одиницею потужності для двигунів; 1 к.с. = 0,735 кВт. Морський силовий двигун потужністю 1500 к.с. має потужність 1100 кВт = 1,1 МВт, що в такому вигляді можна добре порівняти з 300 МВт газової електростанції. Витрат теплової енергії корабельного двигуна, можливо, 2 МВт, було б достатньо для обігріву 200 менших будинків у морозні умови.
Приклади
Кіловати та кіловат-години більше не будуть плутатись між собою, а інших помилок можна буде уникнути. Згадана вище вітряна турбіна може виробляти пікову потужність 350 кВт при повному вітрі. Залежно від вітрових умов у цьому місці, це буде z. B. 80 кВт в середньому на рік, що призведе до щорічного виробництва 80 кВт * 24 (години на день) * 365 (дні на рік) = 700800 кВт-год. Однак інформація, що міститься у вступі, може також розумітися таким чином, що 350 кВт - це середня потужність, що відповідає річному виробництву близько 3 мільйонів кВт-год. Ви бачите, що чіткіша інформація дуже бажана.
кавоварка
Повністю автоматичній кавоварці потрібно 24 секунди на 1500 Вт, щоб нагрітись після увімкнення. Це призводить до кількості енергії 1500 Вт · 24 с = 36 000 Вт с = 10 Втч = 0,01 кВт-год. Коли кава потім витягується, додається додатково 13 Вт/год на чашку (150 мл). В принципі можна було б очікувати, що 150 г води доведеться нагрівати від 20 ° C до 95 ° C (близько 75 Кельвінів), що дорівнює кількості енергії 4,19 Дж/г K · 150 г · 75 K = 47,1 кДж = 13 Вт. (Ми можемо нехтувати потребою енергії для механічних приводів кавомолки, насоса тощо). Отже, це точно підходить, і краще не може бути; енергія втрачається лише при нагріванні. Крім того, в режимі очікування споживається 3,3 Вт (вимірюється); за 24 години це призводить до 3,3 Вт · 24 год = 79 Втч. В іншому випадку цього було б достатньо для ще 6 чашок кави на день або для нагрівання 8 разів.
Приватна особа зазвичай отримує найбільші вигоди у зв'язку з автомобілем. Двигун автомобіля доставляє напр. Б. максимум 50 кВт (= 68 к.с.) приводної потужності від 180 кВт при спалюванні бензину, тому він виділяє 130 кВт як тепло. Тоді ККД становить 28%. На холостому ходу він нічого не робить (ККД = 0) і все одно споживає 10 кВт у вигляді бензину (добрий 1 літр на годину), який віддає як тепло для навколишнього середовища. Цих 10 кВт було б достатньо, щоб взимку зігріти дещо теплоізольований будинок.
Газова електростанція
Велика газова електростанція постачає z. Б. 300 МВт (1 МВт = 1000 кВт) електричної енергії і випромінює таку ж велику потужність у вигляді відпрацьованого тепла в навколишнє середовище. Великий ядерний реактор забезпечує теплову потужність 3 ГВт = 3000 МВт, що призводить до приблизно 1 ГВт електричного та 2 ГВт у вигляді відпрацьованого тепла. Стільки тепла в одному місці важко утилізувати, і тому переважно викидається в атмосферу та/або річку.
Гаряча вода
Вода має теплоємність 4,19 кДж/(кг К) - тому для нагрівання одного кг води на один градус потрібно 4,19 кДж. Якщо через умивальник проходить 15 літрів (15 кг) на хвилину, який в системі опалення потрібно нагріти на 50 градусів, це відповідає кількості енергії 4,19 кДж · 50 · (15/60) = 52 кДж в секунду, тобто одній Теплова потужність 52 кВт. Якщо порівняти цей z. Б. при 60 Вт стельового освітлення можна зрозуміти, чому у експерта волосся надибається при вигляді марної струменя струменя гарячої води, тоді як десять хвилин марно палаючого світла залишає його порівняно прохолодним.
Холодильна лінія
Охолоджувальний пристрій, наприклад, охолоджувальна машина в системі кондиціонування, часто подає холод, що утворюється у формі охолодженої води. Подібно до гарячої води (див. Вище), транспортовану охолоджуючу здатність можна розрахувати за добутком об'ємного потоку, питомої теплової потужності та, в цьому випадку, розкиду температури (різниці температур між вихідною та зворотною лініями). Приклад: Об'ємний витрата води 10 л/хв (масова витрата 10 кг/хв) і температурний розкид 20 К призводять до транспортуваної охолоджуючої здатності 10 кг/(60 с) · 4,19 кДж/(кг К) · 20 K = 14 кДж/с = 14 кВт.
Витрати енергії на організм людини
Порівняйте такі показники із середньою текучістю тіла дорослої людини. У цьому контексті з історичних причин одиниця ккал (кілокалорій) є загальною. Щоденне споживання 2000 кілокалорій через їжу відповідає 4,19 · 2000 кДж = 8,38 МДж. (Увага: Те, що часто дають як "калорії", насправді є кілокалоріями; 1 ккал = 4,19 кДж.) Це призводить до потужності приблизно 100 Вт (в середньому за день і ніч).
Експлуатація автомобіля в режимі холостого ходу (потужністю 10 кВт) енергетично відповідає утриманню 100 рабів і в 5-10 разів більше при помірно швидкій проїзді автострадою.
Запитання та коментарі читачів
Людина вагою 80 кг за 3 хвилини піднімається на 7 поверх будинку (висота на поверх 3 м). Яку роботу він виконує і яку роботу виконує?
Робота: 80 кг 9,81 м/с 2 (7 3 м) = 16,5 кДж.
Потужність: 16,5 кДж/(3 х 60 с) = 92 Вт.
Скутер з водієм важить 100 кг і рухається по прямій протяжності та нахилом 35 ° зі швидкістю 20 км/год без опору. Який його виступ?
100 кг 9,81 м/с 2 при 35 ° 20 км/год 1000 м/км/(3600 с/год) = 3126 Вт.
Тут ви можете запропонувати запитання та коментарі для публікації та відповіді. Автор RP-Energie-Lexikon прийме рішення про прийняття за певними критеріями. По суті, справа в тому, що справа представляє широкий інтерес.
Якщо ви отримаєте тут допомогу, ви можете повернути послугу пожертвою, за допомогою якої ви підтримаєте подальший розвиток енергетичного словника.
Захист даних: Будь ласка, не вводьте тут жодних особистих даних. Ми все одно не публікували б їх і незабаром видалили б. Дивіться також нашу політику конфіденційності.
Якщо ви хочете отримати особистий відгук або пораду від автора, напишіть йому електронною поштою.
Подаючи заявку, ви даєте згоду на публікацію своїх записів тут відповідно до наших правил.
Якщо вам подобається цей веб-сайт, повідомте про це своїм друзям та колегам - e. Б. через соціальні мережі, натиснувши тут:
Ці кнопки спільного доступу налаштовані на захист даних!
Слідкуйте за енергетичними коментарями у Twitter!
У Twitter ви можете знайти Dr. Пашотта з RP-Energie-Lexikon на @EnergieLexikon.
Станьте там фоловером, щоб дізнатися більше, наприклад:
- Ретвіти цікавих постів про енергію та навколишнє середовище
- Коментарі до актуальних тем
- нові статті в енергетичному лексиконі або в енергетичному блозі RP
Більше всього, ти теж можеш активно брати участь - наприклад, із запитаннями, коментарями, ретвітами, вподобаннями тощо.!