Calculând cu energie și putere
(Acest articol a apărut într-o formă similară în revista Energie & Umwelt 3/2006, revista Swiss Energy Foundation.)
Calculul cu kilowați și megajouli nu este o știință a rachetelor. O scurtă introducere vă va ajuta să începeți și să evitați greșelile.
Informații precum „Turbina eoliană livrează 350 kW pe an” sunt adesea citite; uneori oferă mai multe informații despre limitele competenței autorului decât despre problemă. Stăpânirea elementelor de bază ale calculului cu energie și putere nu numai că economisește jenă, dar, mai presus de toate, permite estimări și comparații interesante. Scopul aici este de a explica unele elemente de bază într-un mod ușor de înțeles și de a transmite un sentiment pentru dimensiunile și numerele implicate.
Cele elementare
O anumită cantitate de energie este necesară pentru a face o anumită „muncă” în sens fizic, de ex. B. trei persoane să ridice patru etaje sau să mute o mașină împotriva gravitației și fricțiunii peste Alpi. O astfel de energie mecanică poate fi transformată și în alte forme de energie, cum ar fi căldura sau electricitatea. Nu există pierderi de energie în sens restrâns în astfel de conversii, dar există adesea o conversie incompletă care devine efectivă ca o pierdere. Pentru șofer, partea energiei termice generate de combustie care nu este convertită în energie mecanică, ci mai degrabă încălzește mediul, se pierde efectiv. Eficiența este proporția energiei care poate fi convertită în forma dorită.
Unități de energie
Energia tuturor formelor poate fi cuantificată cu aceeași unitate, ceea ce este extrem de util pentru multe calcule. În sistemul SI actual de unități, joul (J) este unitatea de bază a energiei. Câteva kilojoule (1 kJ = 1000 J) sunt suficiente pentru a pune bicicleta și un călăreț într-adevăr. O încărcătură de rufe este spălată cu câțiva megajuli (1 MJ = 1000 kJ = 1 milion de jouli), iar un litru de ulei de încălzire asigură aproximativ 35 MJ de căldură (fără pierderi în cazan). Alte unități obișnuite pentru energie sunt kilowatt-ora (1 kWh = 3 600 000 J) și caloriile (1 cal = 4,19 J).
Puterea = cantitatea de energie pe unitate de timp
Dacă energia este convertită într-un anumit timp, puterea descrie cantitatea convertită de energie pe unitate de timp. Unitatea de bază este wattul (W); 1 watt corespunde unui joule pe secundă și este suficient pentru a conduce un motor mic de jucărie. Un kilowatt (kW) corespunde 1 kJ pe secundă sau 3600 kJ = 3,6 MJ = 1 kWh pe oră. Acum înțelegem kilowatul oră (kWh) ca cantitatea de energie pe care un dispozitiv cu o putere de un kilowat o convertește într-o oră. Dacă implementarea este incompletă, sunt posibile diverse detalii: de ex. De exemplu, pentru un motor diesel când circulați pe autostradă, fie puterea consumată (5 litri de motorină pe oră corespunde cu 535 MJ pe oră, adică 175 MJ/(3600 s) = 49 kJ/s = 49 kW), fie puterea de 15 kW. Aici randamentul ar fi de 15 kW/49 kW = 0,31 = 31%.
Din păcate, puterea (HP) este încă unitatea comună de putere pentru motoare; 1 CP = 0,735 kW. Un motor de 1500 CP al unui sistem de propulsie pentru nave are o putere de 1100 kW = 1,1 MW, care în această formă se compară bine cu cei 300 MW ai unei centrale electrice pe gaz. Puterea de căldură uzată a motorului navei de 2 MW ar fi suficientă pentru a încălzi 200 de case mai mici în condiții de îngheț.
Exemple
Kilowatul și kilowatul oră nu vor mai fi confundați între ei și vor fi evitate alte greșeli. Turbina eoliană menționată mai sus poate produce o putere maximă de 350 kW în vânt complet. În funcție de condițiile de vânt din locație, ar fi z. B. 80 kW în medie anuală, ceea ce ar duce la o producție anuală de 80 kW · 24 (ore pe zi) · 365 (zile pe an) = 700800 kWh. Informațiile din introducere ar putea fi, totuși, menite să însemne că 350 kW este puterea medie, corespunzătoare unei producții anuale de 3 milioane kWh. Puteți vedea că informații mai clare sunt foarte de dorit.
Automat de cafea
Un aparat de cafea complet automat are nevoie de 24 de secunde, cu 1500 de wați pentru a se încălzi după ce a fost pornit. Rezultă astfel o cantitate de energie de 1500 W · 24 s = 36.000 W s = 10 Wh = 0,01 kWh. Atunci când se scoate cafeaua, se adaugă încă 13 Wh per cană (150 ml). În principiu, ne-am fi așteptat ca 150 g de apă să fie încălzite de la 20 ° C la 95 ° C (aproximativ 75 Kelvin), ceea ce echivalează cu o cantitate de energie de 4,19 J/g K · 150 g · 75 K = 47,1 kJ = 13 Wh. (Putem neglija necesarul de putere pentru acționările mecanice pentru râșnița de cafea, pompa etc.). Deci, asta se potrivește exact și nu se poate îmbunătăți; energia se pierde numai atunci când este încălzită. În plus, există un consum de așteptare de 3,3 W (măsurat); în 24 de ore, rezultă 3,3 W · 24 h = 79 Wh. În caz contrar, ar fi fost suficient pentru încă 6 căni de cafea pe zi sau pentru încălzire de 8 ori.
O persoană particulară se ocupă de obicei de cele mai mari beneficii în legătură cu mașina. Un motor auto oferă z. B. o putere maximă de 50 kW (= 68 CP) de la 180 kW prin arderea benzinei, deci emite 130 kW ca căldură. Eficiența este apoi de 28%. Când este la ralanti, nu face nimic (eficiență = 0) și consumă în continuare 10 kW sub formă de benzină (un litru bun pe oră), pe care o dă ca căldură mediului înconjurător. Aceste 10 kW ar fi suficiente pentru a menține o casă oarecum izolată termic la cald iarna.
Centrală pe gaz
O mare centrală electrică pe gaz furnizează z. B. 300 MW (1 MW = 1000 kW) electric și emite o putere similară mare sub formă de căldură reziduală pentru mediu. Un reactor nuclear mare furnizează termic 3 GW = 3000 MW, ceea ce duce la aproximativ 1 GW electric și 2 GW sub formă de căldură uzată. Atât de multă căldură într-un singur loc este dificil de utilizat și, prin urmare, este degajată mai ales în atmosferă și/sau într-un râu.
Apa fierbinte
Apa are o capacitate termică de 4,19 kJ/(kg K) - deci aveți nevoie de 4,19 kJ pentru a încălzi un kg de apă cu un grad. Dacă 15 l (15 kg) pe minut trec prin chiuvetă, care trebuie încălzite cu 50 de grade în sistemul de încălzire, aceasta corespunde unei cantități de energie de 4,19 kJ · 50 · (15/60) = 52 kJ pe secundă, adică una Putere termică de 52 kW. Dacă comparați acest z. De exemplu, cu lumina de 60 W a tavanului, se înțelege de ce părul expertului se oprește la vederea unui jet de apă fierbinte care funcționează inutil, în timp ce cele zece minute de lumină care arde inutil îl lasă relativ rece.
Linie de refrigerare
Un dispozitiv de răcire, de exemplu o mașină de răcire într-un sistem de aer condiționat, alimentează adesea frigul generat sub formă de apă răcită. Similar cu apa fierbinte (vezi mai sus), capacitatea de răcire transportată poate fi calculată din produsul debitului volumic, capacității de căldură specifice și, în acest caz, diferenței de temperatură (diferența de temperatură între liniile de ieșire și de retur). Exemplu: Un debit volumic de apă de 10 l/min (debit masic 10 kg/min) și o temperatură de 20 K are ca rezultat o capacitate de răcire transportată de 10 kg/(60 s) · 4,19 kJ/(kg K) · 20 K = 14 kJ/s = 14 kW.
Cheltuielile de energie ale corpului uman
Comparați astfel de cifre cu cifra de afaceri medie a unui corp uman adult. În acest context, din motive istorice, unitatea kcal (kilocalorii) este comună. Un aport zilnic de 2000 kilocalorii prin alimente corespunde cu 4,19 · 2000 kJ = 8,38 MJ. (Atenție: ceea ce este adesea dat ca „calorii” este de fapt kilocalorii; 1 kcal = 4,19 kJ.) Acest lucru are ca rezultat o putere de aproximativ 100 W (în medie zi și noapte).
Funcționarea unei mașini la ralanti (cu 10 kW) corespunde energetic păstrării a 100 de sclavi și de 5 până la 10 ori mai mult la deplasarea moderată rapidă pe autostradă.
Întrebări și comentarii de la cititori
O persoană care cântărește 80 kg urcă la etajul 7 al unei case în 3 minute (înălțime pe etaj 3 m). Ce muncă face și ce muncă face?
Lucru: 80 kg 9,81 m/s 2 (7 3 m) = 16,5 kJ.
Putere: 16,5 kJ/(3 x 60 s) = 92 W.
Un scuter cu șofer cântărește 100 kg și conduce o întindere dreaptă și o înclinație de 35 ° la 20 km/h fără rezistență. Care este performanța lui?
100 kg 9,81 m/s 2 fără 35 ° 20 km/h 1000 m/km/(3600 s/h) = 3126 W.
Aici puteți sugera întrebări și comentarii pentru publicare și răspuns. Autorul RP-Energie-Lexikon va decide acceptarea conform anumitor criterii. În esență, ideea este că problema prezintă un interes larg.
Dacă primiți ajutor aici, s-ar putea să doriți să vă întoarceți favoarea cu o donație cu care susțineți dezvoltarea în continuare a dicționarului energetic.
Protecția datelor: Vă rugăm să nu introduceți aici date personale. Nu le-am publica oricum și le-am șterge în curând. Consultați și politica noastră de confidențialitate.
Dacă doriți feedback personal sau sfaturi din partea autorului, vă rugăm să îi scrieți prin e-mail.
Prin trimiterea vă dați consimțământul de a publica intrările dvs. aici în conformitate cu regulile noastre.
Dacă vă place acest site web, vă rugăm să informați prietenii și colegii - e. B. prin intermediul rețelelor sociale făcând clic aici:
Aceste butoane de partajare sunt configurate într-o manieră prietenoasă pentru protecția datelor!
Urmăriți comentariile energetice de pe Twitter!
Pe Twitter îl găsiți pe Dr. Paschotta de la RP-Energie-Lexikon la @EnergieLexikon.
Deveniți un adept acolo pentru a afla mai multe, de exemplu:
- Retweet-uri de postări interesante despre energie și mediu
- Comentarii despre subiecte actuale
- articole noi în lexiconul energetic sau în blogul RP energy
Mai presus de toate, poți și tu participă activ - de exemplu cu întrebări, comentarii, retweets, aprecieri etc.!