القوة هي كمية مادية قياسية تقاس بـ واط (ث). يمكن تعريفه على أنه معدل إتمام الوظيفة كل ثانية أو كإستهلاك للطاقة في الثانية. تساوي وحدة طاقة النظام الدولي للوحدات (SI) الواط 1 جول في الثانية.
نرى أيضا:ما هو العمل الميكانيكي؟
ملخص القوة والعائد
القوة هي معدلفيالاختلاف كمية الطاقة التي يوفرها النظام أو تخلى عنها خلال فترة زمنية.
وحدة الطاقة في النظام الدولي للوحدات (SI) هي الواط: 1 واط يساوي 1 جول في الثانية.
إذا كانت إحدى الأجهزة قادرة على القيام بنفس المهمة التي تقوم بها آلة أخرى في فترة زمنية أقصر ، فإن قوتها تعتبر أكبر من قدرة الجهاز الآخر.
يتم تحديد كفاءة النظام من خلال النسبة بين القوة المفيدة والقوة الإجمالية.
تسمى القوة غير المفيدة للنظام الفاعليةتتبدد.
ما هي القوة في الفيزياء؟
قوة هي كمية مادية تستخدم لحساب مقدار طاقة الممنوحة أو المستهلكة لكل وحدة زمنية. بمعنى آخر ، إنه معدل الاختلاف للطاقة كدالة للوقت. تُعد القوة مفيدة لقياس مدى سرعة تحويل شكل من أشكال الطاقة عن طريق إجراء الشغل.
| نقول إن الآلة أقوى من الآلات الأخرى عندما تكون قادرة على فعل الشيء نفسه مهمة في وقت أقصر أو حتى أداء عدد أكبر من المهام في نفس الفترة الزمنية زمن. |
تعريف الفاعليةمعدل يُعطى من خلال العمل المنجز كدالة لتغير الوقت:
العنوان الفرعي:
ص - متوسط القدرة (W)
τ - العمل (J)
ر - فترات زمنية)
وحدة قياس الطاقة المعتمدة من قبل SI هي واط (W) ، وحدة تعادل الجوللكلثانيا (J / s). الوحدة واط تم اعتماده من عام 1882 كشكل من أشكال التكريم للأعمال التي طورها جوامعواط التي كانت ذات صلة كبيرة بتطوير المحركات البخارية.
في الفيزياء ، العمل هو قياس تحول شكل الطاقة في أشكال أخرى من الطاقة من خلال طلبفيواحدالخضوع ل. وبالتالي ، قد يكون تعريف القوة مرتبطًا بـ أي شكل من أشكال الطاقة ، مثل: الطاقة علم الميكانيكا، طاقة القدرهكهربائي والطاقة حراري.
حساب القوة
يمكننا تحديد القوة المحققة من خلال تطبيق القوة F الذي يزيح كتلة الجسم م على مسافة د. يشاهد:
في الحالة الموصوفة أعلاه ، يمكننا حساب قوة الحركة من خلال تحديد متوسط القوة:
لذلك ، علينا أن نتذكر أن ملف الشغلمتفوق بالقوة F يمكن حسابها باستخدام الصيغة التالية:
العنوان الفرعي:
F - القوة المطبقة (N)
د - المسافة المقطوعة (م)
θ - تشكلت الزاوية بين F و d (º)
بدمج المعادلتين السابقتين في واحدة ، سيكون لدينا المعادلة التالية لحساب القوة المرتبطة بصيغة طاقةأي:
في الحالات التي تكون فيها القوة المطبقة موازية للمسافة التي يقطعها الجسم ، جيب تمام الزاوية θ سيكون لها قيمته القصوى (cos 0º = 1). لذلك ، يمكن حساب متوسط القوة من العلاقة التالية:
العنوان الفرعي:
الخامس - سرعة الجسم (م / ث)
وفقًا للحساب الموضح أعلاه ، من الممكن حساب القوة التي يتم بها تحويل الطاقة الموجودة في الجسم. هذا ممكن إذا عرفنا مقياس القوة الناتجة ، والتي يجب ضربها في ● السرعةمعدل يقطعه الجسم على مسافة د. ومع ذلك ، من الضروري أن نتذكر أن التعريف الوارد أعلاه صالح فقط للقيم الثابتة لـ F.
نرى أيضا: تمارين على القوة الميكانيكية والأداء
→ قوة فورية
قوةفوري هو مقياس مقدار العمل المنجز في عملية خلال فترة زمنية صغيرة جدًا (متناهية الصغر). يمكننا القول إذن إن القوة اللحظية هي معدل تغير كمية الشغل خلال فترة زمنية تميل إلى الصفر.
العنوان الفرعي:
صيحث – القوة اللحظية (W)
Δτ - عمل متناهي الصغر (J)
Δt - فترة (فترات) زمنية متناهية الصغر
تُستخدم القوة اللحظية لحساب المعدل الذي يتم به إنجاز العمل في كل لحظة ، وليس أثناء عملية طويلة. لذلك ، كلما كانت الفترات الزمنية أقصر Δt ، زادت دقة قياسات الفاعليةفوريا.
الطاقة الميكانيكية
قوةعلم الميكانيكا يتم تعريفه على أنه معدل التغيير في أشكال الطاقة المتعلقة بـ حالةفيحركة من الجسد. يمكننا حساب القوة الميكانيكية لجسم متحرك خلال الاختلافات في الطاقة الحركية الخاصة بك ولك الطاقة الكامنة (الجاذبية أو المرونة ، على سبيل المثال). ومع ذلك ، فإن القوة المرتبطة بتحويل الطاقة الميكانيكية تنطبق فقط على الأنظمةمشتت (التي بها احتكاك), منذ ذلك الحين ، في غيابفياحتكاك و اخرين القواتمشتت ال تظل الطاقة الميكانيكية للأجسام ثابتة.
بالنسبة الى نظرية العمل والطاقة، فمن الممكن حساب مقدار العمل المطبق على الجسم بواسطة الاختلاف يعطي طاقةحركية حصل عليه.
الجسم الشامل م الموضح في الشكل أدناه يتم تسريعها بفعل قوة F، حيث اختلفت سرعته من الخامس0 حتى الخامسF:
العنوان الفرعي:
الخامس0 - السرعة الأولية (م / ث)
الخامسF - السرعة النهائية (م / ث)
بالنسبة الى نظرية العمل والطاقة، يتم تنفيذ العمل على الجسم من خلال:
العنوان الفرعي:
ΔK - تغير الطاقة الحركية (J)
كF –الطاقة الحركية النهائية (J)
كأنا -الطاقة الحركية الأولية (J)
م - كتلة الجسم (كجم)
وهكذا ، فإن الفاعليةعلم الميكانيكا المتعلقة بهذه الحركة يمكن حسابها باستخدام المعادلة التالية:
الطاقة الكهربائية
ال الفاعليةكهربائي إنه إجراء مهم يجب تحليله عند شراء جهاز منزلي. تقيس الطاقة الكهربائية لأي جهاز مقدار الطاقة الكهربائية التي يستطيع الجهاز تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة كل ثانية. على سبيل المثال ، خلاط بقوة 600 واط قادر على التحويل 600J من الكهرباء كل ثانية في طاقةحركيةالبث الحرارة،اهتزاز و أمواججهوري لمعاولك.
كما نعلم ، بشكل عام ، يمكن حساب القدرة من خلال النسبة بين العمل المنجز والفاصل الزمني المنقضي أثناء أدائه. لذلك ، سوف نستخدم تعريف العمل بالقوةكهربائي:
العنوان الفرعي:
τغال- عمل الطاقة الكهربائية (J)
ماذا او ما - وحدة الحمل الكهربائي (C)
ΔU - فرق الجهد (V)
ص - الطاقة الكهربائية (W)
يوب و يوال -الجهد الكهربائي عند النقطتين A و B (V)
Δt - الفاصل الزمني لحركة الحمل
أنا - وحدة التيار الكهربائي (أ)
تعمل الطاقة الكهربائية على النحو التالي: عندما نقوم بتوصيل جهاز في المقبس ، أ فرقفيالقدره (ΔU) بين المحطات الخاصة بك. عندما فرق محتمل (يو) على مادة موصلة ، أ الكميهفيالشغل(τغال)يتم تنفيذه على الأحمالكهربائي (ف) في دوائر الجهاز ، مما يؤدي إلى تحريك هذه الأحمال ، أي تخصيصها طاقةحركية. ال حركةالتابعالأحمال في الاتجاه المفضل يسمى سلسلةكهربائي (ط). ال الفاعليةكهربائي (ف)، بدوره ، هو مقياس الكميهفيالشغل(τغال) التي تم تنفيذها بواسطة الأحمال ل كلثانيا (ر) تشغيل الجهاز.
وبالتالي ، يتم تحديد استهلاك الكهرباء بواسطة الفاعلية من الأجهزة المتصلة بالشبكة الكهربائية وبواسطة زمن في عملية.
بالإضافة إلى الصيغة المذكورة أعلاه ، هناك اختلافات يمكن كتابتها من قانون أوم الأول. هل هم:
ثلاث طرق ممكنة لحساب الطاقة الكهربائية
العنوان الفرعي:
يو - الجهد الكهربائي (V)
ص - المقاومة الكهربائية (Ω)
نظرةأيضا: تبددت الطاقة في المقاوم
← استهلاك الكهرباء
كمية كهرباء يتم قياس المستهلكة في وحدة تسمى كيلووات في ساعة وحدة كهربائية (كيلوواط ساعة). هذه وحدة بديلة لوحدة الطاقة في النظام الدولي للوحدات ، الجول. يتم استخدام الكيلووات في الساعة بسبب عمليتها. إذا تم قياس الكهرباء بالجول ، فستكون الأرقام المستخدمة للتعبير عن استهلاكها تسربت وغير عملي.
كيلوواط ساعة هو مقدار الطاقة المستهلكة (أو الشغل تم تنفيذ) بواسطة جهاز 1000 واط (1 كيلوواط) خلال الفاصل الزمني 1 ساعة (3600 ثانية). بضرب هذه الكميات ، نصل إلى استنتاج مفاده أن كل منها كيلووات في ساعة وحدة كهربائية يساوي 3.6.106 ي (ثلاثةملايين و ستمائةألفجول).
لحساب استهلاك جهاز إلكتروني ، نقوم ببساطة بضرب قوته في وقت تشغيله.
مثال
ضع في اعتبارك جهاز طاقة يساوي 100 واط (0.1 كيلو واط) التي تعمل خلال 30 دقيقة في اليوم (0.5 ساعة). ماذا سيكون لك استهلاكشهريًا (30 يومًا) من الكهرباء؟
وفقًا لحساباتنا ، سيستهلك هذا الجهاز 1.5 كيلو واط ساعة شهريا ، ما يعادل 5,4.106 ج. إذا كان كيلوواط ساعة من تكلفة المنطقة 0.65 ريال برازيلي، السعر الذي سيتم دفعه في نهاية الشهر لتشغيل هذا الجهاز سيكون 0.97 ريال برازيلي.
نظرةأيضا: المولدات الكهربائية والطاقة الكهربائية
حل ممارسة الطاقة الكهربائية والمردود
عند توصيلها بدائرة كهربائية ، تنتج بطارية ذات قوة دافعة كهربائية تساوي 20.0 فولت ومقاومة داخلية تبلغ 1.0 current تيارًا كهربائيًا قدره 1.5 أمبير. فيما يتعلق بهذه البطارية ، حدد:
أ) فرق الجهد الكهربائي المحدد بين أطراف هذا المقاوم.
ب) الطاقة الكهربائية التي توفرها البطارية.
ج) الطاقة الكهربائية المشتتة بسبب المقاومة الداخلية للبطارية.
د) أداء هذه البطارية.
القرار
في البداية ، سنقوم بإدراج البيانات التي يوفرها التمرين.
البيانات:
يوتي= 20.0 فولت - القوة الدافعة الكهربائية للبطارية أو الجهد الكلي
ص = 1.0 Ω - مقاومة البطارية الداخلية
أنا = 1.5 أ - التيار الكهربائي
أ) لتحديد فرق الجهد المتكون بين نهايات المقاوم ، نستخدم قانون أوم الأول.
العنوان الفرعي:
يود - الجهد الكهربائي المشتت في المقاوم (V)
ب) يمكن حساب الطاقة الكهربائية التي توفرها البطارية باستخدام الصيغة أدناه:
العنوان الفرعي:
يوتي - إجمالي الجهد الكهربائي أو القوة الدافعة الكهربائية للبطارية (V)
ج) لنحسب الطاقة الكهربائية التي يبددها المقاوم. لهذا ، نستخدم فقط إحدى صيغ الفاعلية التي نعرفها بالفعل:
العنوان الفرعي:
صد - قوة مشتتة (W)
د) يمكن حساب دخل هذا المولد باستخدام النسبة بين الفاعليةصالح للإستعمال و ال الفاعليةمجموع من البطارية. من الحسابات التي تم إجراؤها في العناصر السابقة ، حددنا أن إجمالي الطاقة التي توفرها البطارية كانت 30 وات ، بينما كانت الطاقة المشتتة بسبب مقاومتها الداخلية 2.25 وات. لذلك ، تُعطى القوة الصالحة للاستخدام من خلال الفرق بين هاتين القوتين وتساوي 27.75 وات. من خلال تحديد النسبة بين الطاقة القابلة للاستخدام والقوة الإجمالية ، سيكون لدينا:
وفقًا للحسابات التي تم إجراؤها ، يبلغ إنتاج طاقة البطارية 92.5٪.
قوة الديناميكا الحرارية
يمكن حساب القدرة الديناميكية الحرارية عن طريق تحديد الكميه في الشغل التي يتم إجراؤها بواسطة (أو أكثر) من الغاز أثناء توسع أو ضغطمتساوى الضغط (ضغط مستمر) لفترة من الزمن.
من الممكن أيضًا حساب الفاعلية من أ مصدرفيالحرارة المتعلقة بكمية الحرارة المعقولة أو الكامنة المنبعثة من الفاصل الزمني.
→ قوة العمل الذي يؤديه الغاز
في التحويلات متساوية الضغط ، من الممكن تحديد الطاقة التي يتم توفيرها أو نقلها بواسطة الغاز. للقيام بذلك ، علينا أن نأخذ في الاعتبار الصيغة المستخدمة لحساب الشغلالديناميكا الحرارية تشارك في تحويلمتساوى الضغط:
العنوان الفرعي:
صص - الضغط (باسكال)
صبعد التمديد - الطاقة (W)
ΔV - تغير الحجم (m³)
في التحولات الديناميكية الحرارية متساوية الضغط ، يحول الغاز بعض طاقته الداخلية إلى عمل عن طريق دفع مكبس.
نظرةأيضا: تاريخ الآلات الحرارية
→ الطاقة والحرارة
يمكننا تحديد الفاعلية التي يتم توفيرها بواسطة لهب أو الطاقة المنبعثة من المقاوم المسخن نتيجة صنعت منجول عن طريق حساب كمية الحرارة التي تبددها هذه المصادر كل ثانية. للقيام بذلك ، ما عليك سوى إجراء الحساب التالي:
لحساب القدرة المنبعثة من مصدر في شكل الحرارة، فقط حدد ما إذا كانت هذه الحرارة من النوع حساس (Q = mcΔT) أو من النوع كامن (س = مل). هذه درجات الحرارة موجودة حصريًا في التغييراتفيدرجة الحرارة وفي التغييراتفيحالةفيزيائي، على التوالى.
أداء
أداء إنه متغير مهم لدراسة الأنظمة غير المحافظة ، أي تلك التي تسبب فقد الطاقة ، كما هو الحال في الحالات غير المثالية في حياتنا اليومية. جميع الآلات والأجهزة التي نعرفها هي أنظمة غير قادرة على تسخير كل الطاقة المقدمة لها. وبالتالي ، فإنهم "يهدرون" جزءًا من الطاقة في أشكال أخرى أقل فائدة من الطاقة ، مثل الحرارة،اهتزاز و ضوضاء.
يمكن إعطاء أحد التعريفات الأكثر عمومية للكفاءة من خلال قسمة القوة المفيدة على إجمالي الطاقة المتلقاة أثناء بعض العمليات:
العنوان الفرعي:
η - أثمر
صيو - قوة مفيدة (W)
صتي - القدرة الكلية (W)
غلة الآلة
ا أثمر الأجهزة الحرارية تقيس كفاءتها في استخدام الطاقة ، أي النسبة المئوية للطاقة التي تستطيع هذه الآلات استخدامها لأداء عمل مفيد (τ). تعمل جميع الآلات الحرارية بطريقة مماثلة: فهي تتلقى الحرارة من مصدر ساخن (سماذا او ما) ورفض جزءًا من هذه الحرارة وتبديدها إلى مصدر بارد (سF).
يمكننا حساب أثمر من أي آلة حرارية من الصيغة التالية:
العنوان الفرعي:
η - كفاءة الآلة الحرارية
τ - عمل الآلة الحرارية (J)
سماذا او ما - الحرارة المنبعثة من المصدر الساخن (J)
يمكن كتابة القائمة أعلاه بطريقة أخرى. لهذا ، نفترض فقط أن العمل المفيد (τ) اعطي من قبل فرق بين كمية الحرارة التي يتخلى عنها مصدرالحار (سماذا او ما) وكمية الحرارة المشتتة إلى مصدرالبرد (سF):
العنوان الفرعي:
سF - الحرارة المنبعثة من مصدر البرودة (J)
→ أداء آلة كارنو
ا دورةفيكارنو إنها دورة ديناميكية حرارية مثالي من أكبرأثمرممكن. وبالتالي ، لا يمكن أن يكون لديك آلة حرارية تعمل بنفس درجات الحرارة مثل المصادر الحار و البرد مع عائد أكبر من عائد دورة كارنو.
يمكن حساب أداء الماكينة بناءً على دورة كارنو باستخدام الصيغة التالية:
العنوان الفرعي:
تيس - درجة حرارة المصدر الساخن (K)
تيF- درجة حرارة المصدر البارد (K)
نظرةأيضا: ماكينات كارنو
من جانبي رافائيل هيلربروك
