功率(Power)是指單位時間內傳遞或轉換的能量,用以衡量體系做功的快慢,在國際單位制(SI)下,其單位為瓦特(Watt,W)。功率是一個標量,只用來衡量做功快慢,和力這些矢量不同,其正負號并不代表方向,而常來表示體系是接受外界做功還是對外做功。其定義式為做功與所用時間的比值由定義式可知,功率的單位可表示為J/s。功率單位——瓦特是在1960年第11屆國際計量大會上通過采用的。在電學中,電功率是指電流在單位時間內做的功。在聲學中,聲功率是聲源在一個周期內,平均每單位時間內發射出的聲能。
根據國際權度大會決定,1978年起將實行新的統一的國際制計量單位(代號:SI)。國際制規定拖拉機的功率單位采用千瓦(KW)表示。過去英美等國用英制馬力(HP),西德等國用公制馬力(PS),(1千瓦=1.36PS;1千瓦=1341HP)。對于發動機功率而言,PS(相當于〔公制〕馬力)是其常用非法定計量單位,屬非Sl;KW(其名稱為:千瓦)是其常用法定計量單位,屬SI。
功率在日常生活中非常常見,日常生活中用的家用電器都有相對應的功率,比如電吹風的功率為(350~550W),冰箱功率為(60~130W)。又如,21世紀,國際市場的太陽能電池價格始終居高不下,該采用怎樣的方式來提高電池組件的輸出功率,一直是各個廠家所密切關注、研究的一個重要課題。在中國的風力發電技術上,對未來不同時間尺度下風電功率進行預測,是降低風電隨機波動影響、提升風電消納能力的有效技術手段。
歷史
瓦特生平
瓦特(1736~1819)是世界公認的蒸汽機發明家,1736年,瓦特出生在英國功格蘭拉斯歌市附近的一個小鎮格里諾克,他的父親是一個經驗豐富的木匠,少年時代的瓦特,曾就讀于格里諾克的文法學院,數學成績特別優秀。但由于家境貧苦和體弱多病,沒有畢業退學了,始終沒有受過完整的正規教育,后在父母的教導下,自學成才。他當過徒工、工人,從1764年到1790 年,經過26年努力,終于把紐科門蒸汽機演變為瓦特蒸汽機。1819年8月5日,瓦特在希思菲爾德郡的家里去世,后人為了紀念這位會居的發明家,把功率單位定為瓦特(W)。
瓦特SI單位起源與采用
功率單位——瓦特(W),在1s鐘內做1J的功所需要的功率。以英國發明家瓦特(James Watt,1736-1819)的名字命名。其表示式為。由于法文中使用字母W困難,到1848年國際瓦特廢除不用時,以絕對瓦特來取代。這兩者的關系為1國際瓦特=1.00019絕對瓦特。1960年,第十一屆國際計量大會正式將絕對瓦特作為功率單位納入國際單位制(SI)。瓦特是1882年維爾納·馮·西門子在英國科學進展協會以主席身份致辭時提出的。1889年第2屆國際電學家會議上,確定“瓦特”作為電功率的量度單位。其值由安培和伏特的國際基準來確定。即當電壓為1 V,電流為1A時的直流電所具有的功率為1 W,或1 s時間內在電壓為1V的兩點間,移動1C電量的電荷所做的功為1 W。
定義
功
功是指當在物體上施加一定的作用力時, 物體在力的作用方向上運動而通過的距離。功是一種標量,同時功也是有正負之分的,當力做的功使得物體的機械能得到增加時, 這時的力做的功就是正功,同樣地,當力做的功使得物體的機械能減少時,就是負功,這里功的正負是對力所做的功的效果的一種表示,它反映的是做功與能量變化之間的關系。
功率
力學
功率是指物體在受到作用力時,單位時間內所做的功的大小,它所反映的是物體做功的速度快慢的問題,因此可以得出一個結論,物體的功率越大則表示該物體做功的速度越快,也就是機械的工作效率比較高。
光學
光源在1s時間輻射出1J能量定為瓦特。輻射通量也可稱為輻射功率或輻射能。
熱力學
瓦特(功率單位)——是在1s 內發生1J能量的功率。其表示式為
電學
電功率是指電流在單位時間內做的功。是反映電流做功快慢的物理量。當電壓為1 V,電流為1A時的直流電所具有的功率為1 W,或1 s時間內在電壓為1V的兩點間,移動1C電量的電荷所做的功為1 W。
聲學
在聲學中,聲功率一般是指聲源的聲功率。它是聲源在一個周期內,平均每單位時間內發射出的聲能。對于在某一指定面積上一個周期內平均每單位時間通過的聲能,稱為聲能通量。它們的單位是瓦特(W),與力學中功率的單位相同。
影響因素
對于影響功率大小的因素,根據功率的計算公式來推斷,物體所做的功和時間是決定功率大小的關鍵性因素。對于功率的大小,可以用來度量,但功率與功、時間之間并不存在比例關系。因此如果假設物體在受到作用力運動做功的過程中,它所做出的功的大小是恒定的,那么當物體做功所用的時間越短時,功率就越大;相應的當假設物體做功的時間相同,那么在相同時間里所做的功越多的物體的功率就越大。
在閉合電路中,電源提供的功率等于內外電路消耗的功率之和,對于含有可變電阻的純電阻電路,可變電阻的阻值變化直接影響著電源的總功率,也影響著閉合電路中各部分的功率分配。
功率因數
有功電流與線路電壓的乘積稱為有功功率;無功電流與線路電壓的乘積稱為無功功率;線路電壓與線路電流的乘積稱為視在功率。圖1表示有功功率、無功功率及視在功率之間的相互關系,習慣上稱其為功率三角形圖。它們之間的關系:。功率因數是有功功率與視在功率的比率,俗稱力率。
物理單位
功率最基本的單位是“瓦”,也就是“瓦特”,符號為W。瓦特的定義是1焦耳/秒(1J/s),即每秒鐘轉換,使用或耗散的(以焦耳為量度的)能量的速率。
瓦特(Watt)是電功率單位,簡稱瓦:
1千瓦(KW)= 瓦,
1兆瓦(MW) =瓦=1000千瓦,
1吉瓦(GW) =瓦=100萬千瓦,
1吉瓦大體上與一個大型核電站的功率相當。
公制單位的功率用千克力每秒( kgf·m/ s )或馬力(hp)。21世紀在市場上有些產品仍以馬力做功率單位,比如空調機是幾匹(馬力)的,汽車的發動機是多少匹(馬力),中國從英美進口的鍋爐也是多少匹(馬力)等。他們之間的換算如下:
1KW=102kgf·m / s
1KW=1.36匹(米制馬力)
1匹(米制馬力)=75 kgf·m/ s
1 匹=0.7355KW
每1t/ h 飽和蒸汽鍋爐的熱功率約為0.77MW,相當100匹馬力。馬力又分公制馬力和英制馬力,1匹(英制馬力)=1.014匹(米制馬力)。
相關計算
電功率
電功率是指電流在單位時間內做的功。是反映電流做功快慢的物理量。用公式表示為。電流做功多的,電功率不一定就大;同樣,電流做功時間長的,電功率也不一定就小。若已知消耗的電能和所用時間,則可以通過電功率的定義式來計算。
電路吸收(或消耗)的功率等于單位時間內電路吸收(或消耗)的能量。由此可定義為(1)在直流電路中,電流、電壓均為恒定量,故(2)在式(1)和式(2)中,電流和電壓為關聯參考方向,計算的功率為電路吸收(或消耗)的功率。當某段電路上電流和電壓為非關聯參考方向時,這段電路吸收(或消耗)的功率為或。
根據實際情況,電路吸收(或消耗)的功率有以下幾種情況:
p>0,說明該段電路吸收(或消耗)功率為p;
p=0,說明該段電路不吸收(或消耗)功率;
p<0,說明該段電路實際上是輸出(或提供)功率,輸出(或提供)的功率為-p。
機械功率
(1)平均功率:,(是平均速度)。
(2)瞬時功率: (v是瞬時速度,是力F與瞬時速度之間的夾角)。重力的瞬時功率即重力的瞬時功率等于重力和物體在該時刻的豎直分速度的乘積。
平均功率
在電學和力學中,平均功率計算公式普遍適用(W為時間T內做的功)。在電學中,上述平均功率P也稱有功功率,作為有功功率計算公式普遍適用。 在電學中,公式還可用積分方式表示有功功率計算公式(其中,T為周期交流電信號的周期、或直流電的任意一段時間、或非周期交流電的任意一段時間,u(t)、i(t)指瞬時電壓和瞬時電流)。
瞬時功率
在電學中,瞬時功率計算公式普遍適用。在力學中,瞬時功率計算公式普遍適用。
無功功率
通常無功功率是由于電路網絡中電抗負載的存在,電源與網絡間進行磁場能量和電場能量的轉面形成的。變壓器、電動機等,都是典型的感性負載,在運行中需要建立交變磁場,在一個周期內收又釋放功率,其吸收和釋放的功率相等,這個功率就是無功功率。沒有無功功率,感性負載就不自產生交變磁場,不能產生勵磁,變壓器就不能變壓,電動機不能正常運轉。
正弦系統中無功功率的定義
當有效值為U的交流電壓加到一個負載為Z的純阻性負載時,做功的大小就等于W。但是當負載不為純阻性負載時,電壓U和電流I之間就產生了夾角,此時的電壓U可以分解成兩個分量:第一個分量第二個分量。
通常把從電源輸入的功率W稱為視在功率,而且用S來表示。顯然有
(1)
其中第一項U1I由于U1和I為同向矢量,因而它是做功的,通常稱之為有功功率,并用P來表示。而第二項U2I由于U2和I為正交矢量,因此它是不做功的,通常稱為無功功率,并用Q來表示。這樣式(1)就可以寫成這就是有名的功率直角三角形。
非正弦系統中無功功率的定義
無功功率產生的原因是由于負荷的非純電阻性,因此首先反映在電流上。把電流看成是兩個部份組成,即(2)
這里是電流中一個與電壓具有同相位的分量,因此稱它為有功電流。另一分量則為無功電流,它與在相位上相差90°。由于這兩個量互為正交關系,因而從式(2)可以得出總電流,進而得到,因而有無功功率也就是說它同樣滿足的直角三角形關系。
測量
測量儀器
測量方法
在直流或低頻段可使用直接按瓦特(W)刻度的瓦特表。在射頻和微波段常采用量熱計法、測熱電阻法、微量熱計法和熱電法等。
1、量熱計法。將電磁能量轉換成熱能來測量。變換器是感應、吸收電磁能量的負載,稱為量熱體。負載吸收功率,使之轉換成熱能,從而量熱體溫度上升,檢測其溫差熱電勢,根據功率和熱電勢間的關系來確定被測功率。
2、測熱電阻法(測輻射熱器法)。利用某些對溫度敏感的電阻元件在吸收電磁能量后阻值變化的特性來測量功率。常用自動平衡電橋的直流或音頻功率來替代測量射頻或微波功率(圖1)。
3、微量熱計法。用測熱電阻元件作為量熱體,用量熱計法原理高準確度確定測熱電阻座的有效功率,然后用測熱電阻座配以高準確度的電橋來單獨測量功率。這種方法的優點是準確度高,速度快和使用方便。許多國家都用它建立小功率國家標準,準確度達。
4、熱電法。借助于熱電元件將電磁能量變為熱能并測量由于發熱所形成的熱電勢,熱電勢與熱電元件所耗散的射頻與微波功率成正比。熱電元件是耗散射頻或微波能量的負載,又是將射頻或微波能量轉換成直流熱電勢的熱電偶器件。新型的熱電敏感器和熱電薄膜功率計已獲得廣泛應用。
應用領域
太陽能電池
太陽能電池屬太陽能光電技術當中,最為常見且基礎的光電轉換裝置。它的構成結構并不復雜,只需將一個太陽能電池置于平板玻璃上加以排列,同時根據導電材料將其連接即可,這就是我們所常見的太陽能電池組件。21世紀,國際市場的太陽能電池價格始終居高不下,該采用怎樣的方式來提高電池組件的輸出功率,一直是各個廠家所密切關注、研究的一個重要課題。由公認的理論來看,對于光的吸收加以改善,能夠顯著提升射入太陽能電池組件當中的光能,如果在光電轉化效率對等的條件下,則能顯著提升太陽能電池組件的輸出功率。
大功率速調管
大功率速調管是一種基于速度調制原理將電子注能量轉換成微波能量的微波真空器件。在大功率速調管中,由于電子注的產生和形成,電子注與微波場的相互作用,電子剩余能量的耗散和微波能量的輸出是在相互分離的空間中進行的,而且其高頻互作用系統是分離的諧振腔,因而它具有高功率,高增益,高效率,高穩定性和長壽命等優點。21世紀后,大功率速調管的峰值功率已超過200MW,連續波輸出功率超過1MW,是微波真空電子器件中脈沖功率和平均功率最高的器件。
風力發電
中國風力發電(簡稱風電)裝機容量已穩居世界首位。風電具有隨機性和波動性,隨機波動的風電大規模并入電網,給電力系統的發、輸、用電實時平衡帶來了嚴峻挑戰。對未來不同時間尺度下風電功率進行預測,是降低風電隨機波動影響、提升風電消納能力的有效技術手段。
參考資料 >
power.britannica.2024-01-06
功率的計算公式.電工基礎學習網.2024-01-08
功率測量.中國大百科全書.2024-01-06