งาน กำลัง และการใช้พลังงาน

หลอดระบุ 10 W แต่มิเตอร์แสดง kWh เหตุใดจึงเปรียบเทียบตัวเลขนี้โดยตรงไม่ได้? ลองรวมแนวคิดที่รู้แล้ว คือพลังงานต่อคูลอมบ์กับคูลอมบ์ต่อวินาที

ที่แรงดัน U สนามทำงาน U จูลต่อคูลอมบ์ที่ผ่าน สำหรับประจุ q งานเป็น A = Uq มีหน่วยจูล เมื่อแรงดันเท่าเดิม ประจุผ่านสองเท่าจะถ่ายโอนพลังงานสองเท่า หากไม่มีประจุผ่านในช่วงนั้น งานส่วนนี้เป็นศูนย์ อุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานเป็นความร้อน การเคลื่อนที่ แสง หรือพลังงานเคมี ประจุยังอนุรักษ์ อุปกรณ์ได้รับพลังงาน ไม่ได้ใช้อิเล็กตรอนเป็นเชื้อเพลิง

หาพลังงานในเวลา t โดยใช้กระแสคงตัว: q = It แทนใน A = Uq ได้ A = UIt เมื่อ U คงที่ เพิ่มเวลาสองเท่าจะได้พลังงานสองเท่า ลดกระแสครึ่งหนึ่งในเวลาเดิม ประจุผ่านและพลังงานถ่ายโอนจะเหลือครึ่งหนึ่ง ตรวจหน่วยได้ В·А·с = (Дж/Кл)·(Кл/с)·с = Дж หากสภาวะทำงานเปลี่ยน จะใช้ผลคูณค่าคงที่ชุดเดียวอธิบายทั้งช่วงไม่ได้

นำพลังงานที่ถ่ายโอนหารด้วยเวลา เมื่อแรงดันกับกระแสคงที่ กำลังเป็น P = A/t = UI หนึ่งวัตต์คือหนึ่งจูลต่อวินาที: 1 Вт = 1 Дж/с เพิ่ม U ที่ I เท่าเดิมทำให้พลังงานต่อคูลอมบ์มากขึ้น เพิ่ม I ที่ U เท่าเดิมทำให้มีคูลอมบ์ผ่านต่อวินาทีมากขึ้น ทั้งสองอย่างเพิ่มกำลัง เมื่อกระแสเป็นศูนย์ กำลังส่วนนี้เป็นศูนย์แม้มีแรงดัน

กำลังเท่ากันไม่ได้หมายถึงใช้พลังงานต่อวันเท่ากัน เพราะ A = Pt ขึ้นกับเวลาทำงานด้วย อุปกรณ์กำลังสูงกว่าที่ทำงานสั้นกว่าอาจใช้พลังงานเท่ากัน หากเครื่องทำความร้อนเปิดครึ่งชั่วโมงและปิดอีกครึ่งชั่วโมง จะคูณกำลังขณะเปิดด้วยเวลาทั้งชั่วโมงไม่ได้ ต้องรวมพลังงานแต่ละช่วงหรือใช้กำลังเฉลี่ยตลอดช่วง ค่าบนป้ายอ้างถึงโหมดที่กำหนด ซึ่งไม่จำเป็นต้องทำงานต่อเนื่องตลอดเวลา

มิเตอร์ไฟฟ้ารวมพลังงานที่ถ่ายโอนสู่อุปกรณ์ใช้ไฟฟ้า หน่วยจึงต้องรวมกำลังกับเวลา อุปกรณ์ 1 kW ทำงาน 1 h ใช้พลังงาน 1 kWh และ 2 kW นานครึ่งชั่วโมงให้ผลเดียวกัน กิโลวัตต์ชั่วโมงเป็นหน่วยพลังงานเหมือนจูล แต่สะดวกกับปริมาณในบ้านมากกว่า รู้กำลังอย่างเดียวโดยไม่มีเวลายังบอกไม่ได้ว่าค่ามิเตอร์จะเพิ่มเท่าใด

แปลงเป็น SI: 1 кВт·ч = 1000 Вт·3600 с = 3 600 000 Дж = 3,6 МДж ดังนั้นครึ่งกิโลวัตต์ชั่วโมงคือครึ่งหนึ่งของพลังงานนี้ ใน A = Pt ใช้ kW กับชั่วโมงเพื่อได้ kWh หรือใช้ W กับวินาทีเพื่อได้ J การเขียน kW/h คือหารกำลังด้วยเวลาและหมายถึงปริมาณอื่น ใช้แทนผลคูณ kWh ไม่ได้

ที่ผ่านมา U กับ I คงที่ ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทั้งค่าและบางครั้งทิศทางเปลี่ยนไป กำลังเฉลี่ยจึงขึ้นกับว่าการเปลี่ยนเหล่านี้สอดคล้องกันตามเวลาอย่างไร ผลคูณค่า RMS ของแรงดันและกระแสให้กำลังเฉลี่ยของเครื่องทำความร้อนแบบความต้านทาน แต่ไม่ใช่มอเตอร์หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด เราจะเรียนไฟฟ้ากระแสสลับภายหลัง ตอนนี้อย่านำกฎสภาวะคงที่ไปใช้กับค่าที่อ่านได้ทุกคู่โดยไม่ตรวจเงื่อนไข

เครื่องทำความร้อนใช้กำลังเฉลี่ยคงที่ 1.5 kW นาน 20 min จงหาพลังงานเป็น kWh และ J

กำลังเฉลี่ยคงที่ตลอดช่วง แปลงเวลา: 20 мин = 1/3 ч จากนั้น A = Pt = 1,5·1/3 = 0,5 кВт·ч

เมื่อคิดเป็นจูล ได้ 0,5·3 600 000 = 1 800 000 Дж หรือ 1.8 MJ

ตรวจด้วยหน่วยอีกชุด: 1500 Вт·1200 с = 1 800 000 Дж ในหนึ่งในสามชั่วโมง อุปกรณ์ได้รับพลังงานหนึ่งในสามของที่ใช้ในหนึ่งชั่วโมง

0,5 кВт·ч = 1 800 000 Дж = 1,8 МДж การทำงานนี้ทำให้ค่ามิเตอร์เพิ่มครึ่งกิโลวัตต์ชั่วโมง

ในสภาวะคงที่ P = UI รวมพลังงานต่อประจุกับประจุที่ผ่านต่อวินาที ส่วน A = UIt ให้พลังงานในช่วงเวลา

กิโลวัตต์ชั่วโมงและจูลวัดพลังงาน วัตต์วัดอัตราการถ่ายโอนพลังงาน

การใช้พลังงานขึ้นกับเวลาและโหมดทำงานจริง ไม่ใช่เพียงกำลังที่เขียนบนตัวเครื่อง

พลังงานไฟฟ้าบางส่วนทำให้สายร้อน ต่อไปจะศึกษาว่าความร้อนขึ้นกับกระแสอย่างไรและเหตุใดต้องมีอุปกรณ์ป้องกัน