Энергия и мощность: почему батарея и чайник измеряются по-разному
Энергия показывает общий запас или расход, а мощность - скорость передачи энергии. Поэтому батарею измеряют в ватт-часах, а чайник в ваттах.
Дальше вы разберётесь в ваттах и ватт-часах, узнаете, кто такие Джеймс Уатт и Джеймс Джоуль, посчитаете расход чайника и время работы батареи.
В статье вы узнаете:
Энергия похожа на воду в баке, мощность на напор из крана
В баке есть 60 литров воды. Это запас. Если вода вытекает по 2 литра в минуту, её хватит на 30 минут. Если открыть кран сильнее и выпускать по 6 литров в минуту, тот же бак опустеет за 10 минут.
Энергия отвечает на вопрос «сколько всего есть или потрачено». Мощность отвечает на вопрос «как быстро энергия поступает или расходуется».
Их связывает время:
P обозначает мощность, E энергию, t время. Если прибор работает дольше, он тратит больше энергии. Если нужно сделать ту же работу быстрее, обычно требуется большая мощность.
Поэтому надпись «2000 Вт» на чайнике не говорит, сколько электричества он потратит за месяц. Чайник работает несколько минут. Обогреватель такой же мощности может работать много часов и потратить в десятки раз больше.
Энергия показывает общий запас или расход. Мощность показывает скорость передачи энергии. Один и тот же запас можно расходовать медленно или быстро.
Уатт сравнивал двигатели, Джоуль связывал движение и тепло
Фамилию инженера по-русски пишут «Уатт», а единицу «ватт». Министерство энергетики США определяет ватт как один джоуль в секунду и указывает, что единица названа в честь Джеймса Уатта. [U.S. Department of Energy, Watt]
В честь Джоуля назвали единицу энергии. Один джоуль невелик: примерно столько энергии нужно, чтобы поднять небольшое яблоко на высоту около одного метра. Это грубый образ, но он помогает почувствовать масштаб.
Получилось логично. Джоуль отвечает за количество энергии, ватт за скорость её передачи. Чайник мощностью 2000 Вт получает около 2000 Дж каждую секунду.
Ватт и ватт-час измеряют разные вещи
Ватт измеряет мощность. Один ватт означает передачу одного джоуля энергии за одну секунду:
Ватт-час измеряет энергию. Это энергия, которую прибор мощностью один ватт потратит за один час:
В одном часе 3600 секунд, поэтому и получается 3600 джоулей. Один киловатт-час равен 1000 ватт-часов, или 3,6 млн джоулей.
Знак между ваттами и часами означает умножение. Запись кВт·ч читается как «киловатт умножить на час». Запись кВт/ч означала бы совсем другую величину: насколько мощность меняется за час.
Перевести джоули, калории и киловатт-часы можно в калькуляторе единиц энергии. Ватты, лошадиные силы и другие единицы сравнивает калькулятор единиц мощности. Нельзя перевести энергию в мощность, пока неизвестно время.
Чайник мощностью 2 кВт за три минуты тратит около 0,1 кВт·ч
Надпись 2000 Вт означает, что включённый чайник получает энергию со скоростью около 2000 Дж в секунду. Если он работал три минуты, то есть 0,05 часа, расход составит:
2 кВт × 0,05 ч = 0,1 кВт·ч
Более мощный чайник не обязательно тратит больше энергии на одну чашку. Он может просто нагреть воду быстрее. Чайник на 1 кВт будет работать примерно вдвое дольше, чем чайник на 2 кВт, если потери одинаковы.
На практике часть энергии нагревает корпус и воздух, часть уходит с паром. Долгий нагрев оставляет больше времени для потерь, поэтому слабый прибор не гарантирует экономию.
Один литр воды от 20 до 100 °C требует в идеальном расчёте около 0,093 кВт·ч. Чайник на 2 кВт передал бы эту энергию меньше чем за три минуты, если бы ничего не терял. Реальный результат будет немного больше.
Калькулятор времени нагрева воды учитывает объём, начальную и конечную температуру, мощность и КПД. Если известны напряжение и ток, калькулятор электрической мощности поможет найти ватты.
Батарея на 60 Вт·ч может питать устройство на 10 Вт около шести часов
Батарея хранит запас энергии. Устройство определяет, как быстро этот запас расходуется. Идеальное время работы равно энергии батареи, делённой на мощность устройства:
Ноутбук потребляет 10 Вт, батарея хранит 60 Вт·ч. Получаем 60 / 10 = 6 часов. Если ноутбук начнёт игру и потребление вырастет до 30 Вт, тот же запас закончится примерно за два часа.
В реальности время будет немного меньше. Часть энергии теряется в электронике, батарея стареет, холод уменьшает доступный запас, а потребление постоянно меняется.
Ампер-час на батарее измеряет электрический заряд, а не готовую энергию. Чтобы приблизительно получить ватт-часы, нужно знать напряжение:
Батареи на 10 А·ч с напряжением 3,7 и 12 В хранят разный запас: около 37 и 120 Вт·ч. Поэтому сравнивать одни ампер-часы без напряжения нельзя.
Калькулятор времени зарядки аккумулятора учитывает ёмкость, мощность и потери. Результат останется оценкой, потому что ближе к полному заряду устройства обычно снижают ток.
В квитанции считают энергию, а проводка выдерживает мощность
Электросчётчик складывает весь расход энергии. Если обогреватель мощностью 2 кВт работал три часа, он потратил 6 кВт·ч. Если повторить это 20 дней, получится 120 кВт·ч.
Стоимость равна расходу, умноженному на тариф. Это можно посчитать в калькуляторе стоимости электроэнергии.
Проводка решает другую задачу. Она должна выдержать мощность всех приборов, которые включены одновременно. Чайник, духовка и обогреватель могут перегрузить автомат за одну минуту, хотя за эту минуту счётчик ещё не успеет насчитать много киловатт-часов.
Так что на шильдике прибора ищите ватты, на батарее ватт-часы, в квитанции киловатт-часы. Мощность говорит, насколько быстро идёт работа. Энергия говорит, сколько всего ушло или осталось. Добавьте время, и две величины перестанут путаться.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.