Мощность

Мощность
P, N
Размерность	L2MT−3
Единицы измерения
СИ	Вт
СГС	эрг·с−1

Мо́щность — скалярная физическая величина, характеризующая мгновенную скорость передачи энергии от одной физической системы к другой в процессе её (энергии) использования и в общем случае определяемая через соотношение переданной энергии к времени передачи. В системе СИ единицей измерения мощности является ватт, равный энергии в 1 джоуль, переданной за время в 1 секунду (1 Вт ≡ 1 Дж/с), а любое числовое значение мощности, указываемое в каких-либо информационных источниках, по умолчанию подразумевает именно такой секундный временной промежуток.

Смысл понятия на примерах

Электрическая лампочка мощностью 100 Вт для своей работы по освещению ежесекундно расходует 100 Дж энергии, за 1 час — 0,1 кВт·ч (360 000 Дж).

Электродвигатель заявленной мощностью 1 кВт для совершения работы способен ежесекундно передавать посредством вращения 1 кДж энергии, чего должно хватать для подъёма груза массой 100 кг на высоту 1 метр за 1 секунду. При этом электрическая мощность этого двигателя будет выше 1 кВт, так как КПД электродвигателя всегда ниже 100 % и не вся электрическая мощность может быть преобразована в работу на валу.

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания нетто-мощностью 100 кВт (136 л. с.) способен ежесекундно передавать автомобилю энергию в 100 кДж., что обычно позволяет современному легковому автомобилю разгоняться до скорости порядка 200 км/ч. При этом не имеют значения ни тип двигателя (бензиновый или дизельный), ни его рабочий объём, ни особенности его внешней скоростной характеристики.

Значение мощности в 6000 МВт у Красноярской ГЭС означает, что данная ГЭС способна ежесекундно вырабатывать энергию в 6000 МДж, что эквивалентно энергии, получаемой от работы 60 тысяч автомобильных двигателей, работающих на режиме максимальной мощности из примера выше и что без учёта потерь на передачу и трансформацию электроэнергии позволяет обеспечить электроэнергией 60 миллионов 100-ваттных электрических ламп.

Используемые обозначения

Актуальные международные стандарты серии ISO/IEC 80000 предписывают обозначать мощность символом P прописной буквой как для формул механики, так и для формул электродинамики. Этимология обозначения — либо от лат. potestas, либо от англ. power.

В русскоязычной литературе по физике мощность в формулах механики и гидродинамики может обозначаться символом N, но этимология данного обозначения точно не ясна.

Основные формулы

Основное определение мощности:

[math]\displaystyle{ P = \frac{dE}{dt} }[/math] (где P — мощность, E — энергия, t — время).

Определение среднего значения мощности за промежуток времени [math]\displaystyle{ \Delta t }[/math]:

[math]\displaystyle{ P = \frac{\Delta E}{\Delta t}, }[/math]

Интеграл по времени от мгновенной мощности за промежуток времени равен полной переданной энергии за это время:

[math]\displaystyle{ \int^{t_1}_{t_0}Pdt = E. }[/math]

Единицы измерения

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт (Вт), равный одному джоулю в секунду (Дж/с).

В теоретической физике, астрофизике, в качестве единицы для мощности часто используют эрг в секунду (эрг/с), являющуюся внесистемной.

Распространённой единицей измерения мощности автомобильных, локомотивных и судовых ДВС является лошадиная сила. Однако в своих рекомендациях Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) относит лошадиную силу к числу единиц измерения, «которые должны быть изъяты из обращения как можно скорее там, где они используются в настоящее время, и которые не должны вводиться, если они не используются».

Соотношения между единицами мощности

Единицы	Вт	кВт	МВт	кгс·м/с	эрг/с	л. с.(мет.)	л. с.(анг.)
1 ватт	1	10−3	10−6	0,102	107	1,36⋅10−3	1,34⋅10−3
1 киловатт	103	1	10−3	102	1010	1,36	1,34
1 мегаватт	106	103	1	102⋅103	1013	1,36⋅103	1,34⋅103
1 килограмм-сила-метр в секунду	9,81	9,81⋅10−3	9,81⋅10−6	1	9,81⋅107	1,33⋅10−2	1,31⋅10−2
1 эрг в секунду	10−7	10−10	10−13	1,02⋅10−8	1	1,36⋅10−10	1,34⋅10−10
1 лошадиная сила (метрическая)	735,5	735,5⋅10−3	735,5⋅10−6	75	7,355⋅109	1	0,9863
1 лошадиная сила (английская)	745,7	745,7⋅10−3	745,7⋅10−6	76,04	7,457⋅109	1,014	1

Мощность в механике

Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело:

[math]\displaystyle{ N = \mathbf F \cdot \mathbf v = F \cdot v \cdot \cos\alpha, }[/math]

где [math]\displaystyle{ \mathbf{F} }[/math] — вектор силы;

[math]\displaystyle{ \mathbf{v} }[/math] — вектор скорости;

[math]\displaystyle{ \alpha }[/math] — угол между вектором скорости и силы;

[math]\displaystyle{ F }[/math] — модуль вектора силы;

[math]\displaystyle{ v }[/math] — модуль вектора скорости.

Частный случай мощности при вращательном движении:

[math]\displaystyle{ N = \mathbf M \cdot \mathbf \omega = \frac {2\pi \cdot \mathbf M \cdot \mathbf n} {60}, }[/math]

где [math]\displaystyle{ \mathbf{M} }[/math] — момент силы (Н·м);

[math]\displaystyle{ \mathbf{\omega} }[/math] — угловая скорость (рад/с);

[math]\displaystyle{ n }[/math] — частота вращения (число оборотов в минуту, об/мин).

Электрическая мощность

Основная статья: Электрическая мощность

Электри́ческая мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Мгновенная электрическая мощность [math]\displaystyle{ P(t) }[/math] участка электрической цепи:

[math]\displaystyle{ P(t) = I(t) \cdot U(t) \, }[/math]

где [math]\displaystyle{ I(t) }[/math] — мгновенный ток через участок цепи;

[math]\displaystyle{ U(t) }[/math] — мгновенное напряжение на этом участке.

При изучении сетей переменного тока, помимо мгновенной мощности, соответствующей общефизическому определению, вводятся также понятия:

• активной мощности, равной среднему за период значению мгновенной мощности,
  • мгновенная активная мощность:

[math]\displaystyle{ p(t)={1 \over 2} \cdot U_m \cdot I_m \cdot \cos\varphi - {1 \over 2} \cdot U_m \cdot I_m \cdot \cos\varphi\cos(2\omega t). }[/math]

• реактивной мощности, которая соответствует энергии, циркулирующей без диссипации от источника к потребителю и обратно,
  • мгновенная реактивная мощность:

при [math]\displaystyle{ \varphi\gt 0{:} }[/math]

[math]\displaystyle{ q(t)=\frac{1}{2} \cdot U_m \cdot I_m \cdot \sin\varphi \cdot \cos\Bigl(2\omega t+\frac{\pi}{2}\Bigr), }[/math]

при [math]\displaystyle{ \varphi\lt 0{:} }[/math]

[math]\displaystyle{ q(t)=\frac{1}{2} \cdot U_m \cdot I_m \cdot \sin\varphi \cdot \cos\Bigl(2\omega t-\frac{\pi}{2}\Bigr). }[/math]

• полной мощности, вычисляемой как произведение действующих значений тока и напряжения без учёта сдвига фаз.
  • мгновенная полная мощность:

[math]\displaystyle{ s(t)={1 \over 2} \cdot U_m \cdot I_m \cdot \cos\varphi - {1 \over 2} \cdot U_m \cdot I_m \cdot cos\Bigl( 2\omega t- \varphi \Bigr), }[/math]

где [math]\displaystyle{ I_m }[/math] — амплитуда тока;

[math]\displaystyle{ U_m }[/math] — амплитуда напряжения;

[math]\displaystyle{ \varphi }[/math] — угол между начальным углом напряжения [math]\displaystyle{ \psi_u }[/math] и начальным углом силы тока [math]\displaystyle{ \psi_i }[/math] — [math]\displaystyle{ (\varphi=\psi_u-\psi_i){;} }[/math]

[math]\displaystyle{ \omega }[/math] — угловая скорость;

[math]\displaystyle{ t }[/math] — время.

Приборы для измерения электрической мощности и мощности излучения

Аналоговый стрелочный ваттметр

• Ваттметры (в том числе варметры) — измерительные приборы, предназначенные для определения мощности электрического тока или электромагнитного излучения.

По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три категории — низкочастотные (и постоянного тока), радиочастотные и оптические.

Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и её вывода оператору ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

Гидравлическая мощность

Мощность гидромашины или гидроцилиндра равна произведению перепада давления на машине (разности давлений на входе и выходе) на расход жидкости:

[math]\displaystyle{ N_H = Q_H \cdot P_H, }[/math]

где [math]\displaystyle{ Q_H }[/math] — расход жидкости, м³/с;

[math]\displaystyle{ P_H }[/math] — перепад давления, Па.

К примеру, насос НП-89Д, стоящий на Су-24, Ту-134 и Ту-154, имеет производительность 55 л/мин (~0,000917 м³/с) при давлении 210 кгс/см² (21 МПа) — следовательно, его гидравлическая мощность составляет примерно 19,25 кВт.

См. также

Видеоурок: мощность

• Удельная мощность
• Активная мощность
• Реактивная мощность
• Светимость
• Энергия
• Мощность взрывного устройства
• Мощность звука
• Усилитель мощности

Литература

• ГОСТ 8.417-2002. «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин». — Москва: Стандартинформ, 2002. — 39 с.
• Орир Дж. Физика, полный курс = Physics by Jay Orear, Cornell University / пер. с англ. и научная редактура Ю. Г. Рудого и А. В. Беркова. — 2-е. — Москва: «Издательство «КДУ», 2010. — С. 100—101. — 752 с. — ISBN 978-5-98227-366-6.

Ссылки

• Электрическая работа и мощность
• Влияние формы электрического тока на его действие. Журнал «Радио», номер 6, 1999 г. Архивная копия от 11 июня 2008 на Wayback Machine
• Гидравлическая мощность и КПД центробежных насосов