Изчисляване с енергия и мощност

(Тази статия се появи в подобна форма в Energie & Umwelt 3/2006, списанието на Швейцарската фондация за енергия.)

Изчисляването с киловати и мегаджаули не е ракетна наука. Кратко въведение ще ви помогне да започнете и да избегнете грешки.

Често се чете информация като „Вятърната турбина доставя 350 kW годишно“; понякога те предоставят повече информация за границите на компетентността на автора, отколкото за въпроса. Усвояването на основите на изчисленията с енергия и мощ не само спестява неудобство, но преди всичко позволява интересни оценки и сравнения. Целта тук е да се обяснят някои от основите по разбираем начин и да се предаде усещане за размерите и номерата.

Основите

Необходимо е определено количество енергия за извършване на определена „работа“ във физически смисъл, напр. Б. трима души да вдигнат четири етажа или да транспортират кола срещу гравитацията и триенето над Алпите. Такава механична енергия може да се преобразува и в други форми на енергия, като топлина или електричество. При такива преобразувания няма загуба на енергия в по-тесен смисъл, но често има непълна конверсия, която ефективно става ефективна като загуба. За водача частта от топлинната енергия, генерирана от изгарянето, която не се превръща в механична енергия, а по-скоро загрява околната среда, е ефективно загубена. Ефективността е съотношението на енергията, която може да се преобразува в желаната форма.

Единици енергия

Енергията от всички форми може да бъде количествено определена с една и съща единица, което е изключително полезно за много изчисления. В днешната SI система от единици джаулът (J) е основната единица енергия. Няколко килоджаула (1 kJ = 1000 J) са достатъчни, за да накарате велосипед и ездач наистина да тръгнат. Пране на пране се измива с няколко мегаджаула (1 MJ = 1000 kJ = 1 милион джаула), а един литър отоплително масло осигурява приблизително 35 MJ топлина (без загуби в котела). Други общи единици за енергия са киловатчасът (1 kWh = 3 600 000 J) и калориите (1 cal = 4,19 J).

Мощност = количество енергия за единица време

Когато енергията се преобразува за определен период от време, мощността описва количеството енергия, преобразувано за единица време. Основната единица е вата (W); 1 ват съответства на един джаул в секунда и е достатъчен за задвижване на малък мотор за играчки. Един киловат (kW) съответства на 1 kJ в секунда или 3600 kJ = 3,6 MJ = 1 kWh на час. Сега разбираме киловатчаса (kWh) като количеството енергия, което устройство с мощност от един киловат преобразува за един час. Ако изпълнението е непълно, са възможни различни подробности: напр. Например за дизелов двигател при шофиране по магистралата или консумираната мощност (5 литра дизелово гориво на час съответства на 535 MJ на час, т.е. 175 MJ/(3600 s) = 49 kJ/s = 49 kW) или изходната мощност от 15 kW. Тук ефективността ще бъде 15 kW/49 kW = 0,31 = 31%.

За съжаление конските сили (HP) все още са общата единица на мощност за двигателите; 1 к.с. = 0,735 kW. Двигателят с мощност 1500 к.с. на корабна задвижваща система има мощност от 1100 kW = 1,1 MW, което в тази форма се сравнява добре с 300 MW на газова централа. Изходящата топлинна мощност на корабния двигател от около 2 MW би била достатъчна за отопление на 200 по-малки къщи в мразовити условия.

Примери

Киловатите и киловатчасите вече няма да се бъркат помежду си и ще се избягват други грешки. Гореспоменатата вятърна турбина може да произведе пикова мощност от 350 kW при пълен вятър. В зависимост от условията на вятъра на мястото, би било z. Б. 80 kW средно годишно, което би довело до годишно производство от 80 kW * 24 (часа на ден) * 365 (дни в годината) = 700800 kWh. Информацията във въведението обаче може също да се има предвид, че 350 kW е средната мощност, съответстваща на годишно производство от добри 3 милиона kWh. Можете да видите, че по-ясната информация е много желана.

кафе машина

Напълно автоматична кафе машина се нуждае от 24 секунди с 1500 вата, за да се загрее след включване. Това води до количество енергия от 1500 W · 24 s = 36 000 W s = 10 Wh = 0,01 kWh. Когато след това се изтегли кафе, се добавят допълнителни 13 Wh на чаша (150 ml). По принцип би могло да се очаква, че 150 g вода трябва да се нагреят от 20 ° C до 95 ° C (около 75 Kelvin), което се равнява на количество енергия от 4,19 J/g K · 150 g · 75 K = 47,1 kJ = 13 Wh. (Можем да пренебрегнем изискването за мощност на механичните задвижвания на кафемелачката, помпата и т.н.). Така че това се вписва точно и не може да стане по-добре; енергията се губи само когато се нагрява. Освен това има консумация в режим на готовност от 3,3 W (измерена); за 24 часа това води до 3.3 W · 24 h = 79 Wh. Това иначе би било достатъчно за още 6 чаши кафе на ден или за 8 пъти загряване.

Частно лице обикновено се справя с най-големите предимства във връзка с автомобила. Автомобилен двигател доставя напр. Б. максимум 50 kW (= 68 PS) задвижваща мощност от 180 kW чрез изгаряне на бензин, така че той отделя 130 kW като топлина. Тогава ефективността е 28%. При празен ход той не прави нищо (ефективност = 0) и въпреки това консумира 10 kW под формата на бензин (добър 1 литър на час), който отделя като топлина за околната среда. Тези 10 кВт биха били достатъчни, за да се поддържа топло изолирана къща през зимата.

Газова електроцентрала

Голяма газова електроцентрала доставя z. Б. 300 MW (1 MW = 1000 kW) електричество и излъчва подобна голяма мощност под формата на отпадъчна топлина за околната среда. Голям ядрен реактор доставя 3 GW = 3000 MW термично, което води до приблизително 1 GW електрически и 2 GW под формата на отпадъчна топлина. Толкова топлина на едно място е трудно да се оползотвори и следователно се изпуска предимно в атмосферата и/или реката.

Топла вода

Водата има топлинен капацитет от 4,19 kJ/(kg K) - така че имате нужда от 4,19 kJ, за да загреете един килограм вода с една степен. Ако през мивката преминават 15 литра (15 кг) на минута, които трябва да се нагреят с 50 градуса в отоплителната система, това съответства на количество енергия от 4,19 kJ · 50 · (15/60) = 52 kJ в секунда, т.е. Топлинна мощност от 52 kW. Ако сравните това z. Б. с 60 W осветление на тавана, разбира се защо косата на експерта се надига при вида на безполезна течаща струя гореща вода, докато десетте минути безполезно горяща светлина го оставят сравнително хладен.

Хладилна тръба

Охлаждащо устройство, например охладителна машина в климатична система, често доставя студа, генериран под формата на охладена вода. Подобно на горещата вода (виж по-горе), транспортираният капацитет за охлаждане може да се изчисли от произведението на обемния поток, специфичния топлинен капацитет и в този случай температурното разпределение (температурната разлика между изходящата и връщащата тръби). Пример: Обемен дебит на вода от 10 l/min (масов поток 10 kg/min) и температурно разпръскване от 20 K води до транспортиран охлаждащ капацитет от 10 kg/(60 s) · 4.19 kJ/(kg K) · 20 K = 14 kJ/s = 14 kW.

Енергийни разходи на човешкото тяло

Сравнете такива цифри със средния оборот на тялото на възрастен човек. В този контекст, поради исторически причини, единицата kcal (килокалории) е често срещана. Ежедневният прием на 2000 килокалории чрез храната съответства на 4,19 · 2000 kJ = 8,38 MJ. (Внимание: Това, което често се дава като „калории“, всъщност е килокалории; 1 kcal = 4,19 kJ.) Това води до мощност от приблизително 100 W (осреднено за деня и нощта).

Експлоатацията на автомобил на празен ход (с 10 kW) енергийно отговаря на задържането на 100 роби и 5 до 10 пъти повече при умерено бързо пътуване по магистрала.

Въпроси и коментари от читатели

Човек с тегло 80 кг се изкачва на 7-мия етаж на къща за 3 минути (височина на етаж 3 м). Каква работа върши и каква работи?

Работа: 80 kg 9,81 m/s 2 (7 3 m) = 16,5 kJ.

Мощност: 16,5 kJ/(3 x 60 s) = 92 W.

Скутер с водач тежи 100 кг и кара прав участък и наклон от 35 ° при 20 км/ч без съпротивление. Какво е представянето му?

100 kg 9,81 m/s 2 sin 35 ° 20 km/h 1000 m/km/(3600 s/h) = 3126 W.

Тук можете да предложите въпроси и коментари за публикуване и отговор. Авторът на RP-Energie-Lexikon ще вземе решение за приемането според определени критерии. По същество въпросът е, че въпросът е от широк интерес.

Ако получите помощ тук, може да искате да върнете услугата с дарение, с което подкрепяте по-нататъшното развитие на енергийния речник.

Защита на данните: Моля, не въвеждайте тук никакви лични данни. И без това не бихме ги публикували и скоро щяхме да ги изтрием. Вижте и нашата политика за поверителност.

Ако искате лична обратна връзка или съвет от автора, моля, пишете му по имейл.

С изпращането си давате съгласието си да публикувате вашите записи тук в съответствие с нашите правила.

Ако харесвате този уебсайт, моля, уведомете вашите приятели и колеги - д. Б. чрез социалните медии, като кликнете тук:

Тези бутони за споделяне са настроени по начин, удобен за защита на данните!

Следвайте енергийните коментари в Twitter!

В Twitter можете да намерите Dr. Paschotta от RP-Energie-Lexikon в @EnergieLexikon.

Станете последовател там, за да разберете повече, например:

Ретвитове на интересни публикации за енергията и околната среда
Коментари по актуални теми
нови статии в енергийния лексикон или в блога RP energy

Най-вече можете и вие активно участват - например с въпроси, коментари, ретуити, харесвания и т.н.!