Tema 3: Potencia eléctrica.

3.1 ¿Qué es potencia?

En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).

Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles  como calor, luz (lampara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. 

Una definición más fácil de comprender es que la  tensión entre dos puntos que no causa flujo de corriente es similar al resorte tenso que no se mueve y, por lo tanto, no produce trabajo. Siempre que la tensión provoca movimiento de electrones, se realiza un trabajo al desplazar a los electrones de un punto a otro. La rapidez con que este trabajo se realiza se denomina como potencia eléctrica.

La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto concuerda con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión

Eso explica la fórmula:

P= V.I

I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como:

P= V²/R

recordando que a mayor corriente, menor voltaje.

3.2 ¿Qué es un vatio?

El vatio (en inglés y también en español: watt) es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades. Su símbolo es W.

Es el equivalente a 1 julio sobre segundo (1 J/s) y es una de las unidades derivadas. Expresado en unidades utilizadas en electricidad.

La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en vatios, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW) que equivale a 1000 vatios.

La unidad de potencia recibe su nombre en honor al escocés James Watt, un ingeniero nacido en el siglo XVIII que, de una manera u otra –porque hay bastantes discusiones acerca de su mérito y el de otros inventores de la época– contribuyó de manera fundamental al desarrollo de la máquina de vapor y, con ella, a la llegada de la revolución industrial. Como ves, nada que ver con la electricidad. Aquí tienes su definición oficial, que probablemente te deje frío:

·      -   Un vatio o watt (W) es igual a un julio de energía cada segundo.

No dice mucho salvo que ya sepas Física, ¿verdad? Si te has quedado como estabas, no te preocupes, porque podemos dar una definición alternativa –extraoficial, ya que se basa en unidades que derivan oficialmente de ella, pero bueno– que probablemente tenga bastante más sentido si has entendido lo de la rueda, la pila, la gasolinera y la bombilla:

·         - Un vatio (W) es la potencia generada, transportada o consumida cuando la intensidad de corriente es de un amperio y el voltaje es de un voltio.

Es de sentido común, ¿no? Dado que la potencia es proporcional a la tensión y la intensidad, la unidad de potencia eléctrica se da cuando tanto el voltaje como la intensidad de corriente tienen el valor unidad. De modo que si, por ejemplo, una pila proporciona una tensión entre sus electrodos de 1 V, y la intensidad de corriente es 1 A, la potencia que nos está dando la pila es de 1 W.

3.3 Energía.

El término energía (actividad, operación; fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.

En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo.

 E=P.T

Energía eléctrica (Kw.h)= Potencia(Vatios)*Tiempo (horas)

Energía eléctrica: Energía eléctrica consumida por un aparato que está funcionando durante un tiempo “t” determinado. Se mide en  Kw.h

3.4 Trabajo.

Se denomina trabajo al desplazamiento de una fuerza en la propia dirección de la fuerza, y su valor es, precisamente, el producto de la fuerza por el desplazamiento.

Obtención: Trabajo= Fuerza x Distancia.

T= F.D

Ejemplo: Si una persona alza una cubeta de 30 litros de agua 10 metros ¿Cuál es el trabajo?

Datos:                                 Formula.            

F= 30 Kg = 300N                T=F.D               T= 300N.10m = 3000Nm

D= 10 m

¡Ojo! Potencia ≠ energía

Aunque sea repetitivo, hay tal confusión entre mucha gente sobre la diferencia de potencia y energía que quiero hacer énfasis al respecto. 10 kW no es una energía: es una potencia. Es decir, 10 kW da una idea de cómo de grande es el flujo de energía que está entrando en mi casa cada segundo. La potencia es, en cierto sentido, análoga a la velocidad de un coche: un coche que se mueve a 200 km/h no ha recorrido una distancia grande o pequeña, simplemente va rápido. Al igual que la velocidad no es la distancia recorrida, sino el ritmo al que se recorre, la potencia no es la energía consumida (o generada, o transportada), sino el ritmo al que se consume, transporta o genera.

Tabla de unidades.

EQUIVALENCIAS ENTRE UNIDADES

Potencia

1 caballo de fuerza (hp) = 745,7 watios (W)

1 caballo de fuerza (hp) = 178,2 calorías/segundo (cal/s)

1 caballo de fuerza (hp) = 2546 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

1 caballo de fuerza (hp) = 550 pies libra/segundo (ft.lb/s)

1 caloría/segundo (cal/s) = 4,184 watios (W)

1 caloría/segundo (cal/s) = 5,611 x 10-3  hp

1 caloría/segundo (cal/s) = 3,086 x 10-4 pies libra/segundo (ft.lb/s)

1 caloría/segundo (cal/s) = 14,29 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

1 julio/segundo (J/s) = 1 watio (W)

1 kilowatio (kW) = 103 watios (W)

1 kilowatio (kW) x hora (h) = 1000 watios (W) x 3600 segundos (s)

1 kilowatio (kW) x hora (h) = 3,6 x 106 julios (J)

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 1.356 watios (W)

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 0,3240 calorías/segundo (cal/s)

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 1,818 x 10-3  hp

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 4,629 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

1 watio (W) = 1 julio/segundo (J/s)

1 watio (W) = 0,7376 pie libra/segundo (ft.lb/s)

1 watio (W) = 0,239 caloría/segundo (cal/s)

1 watio (W) = 1,341 x 10-3  hp

1 watio (W) = 3,414 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

Ejercicios.

I Resuelve los siguientes planteamientos.

1.- Si en circuito se tiene una resistencia de 10 Ohm y un Voltaje de 112 Volts ¿Cual es la potencia?

Datos:                              Fórmula.

V= 112 V                         P= V²/R                             P= (112V²) / 10 Ohms.

R= 10 Ohms.                                                            P= 1254.4 W

2.- Calcula la potencia eléctrica de una bombilla alimentada a un voltaje de 220voltios y que tiene una resistencia de 10 Ohms. Calcula la energía eléctrica consumida por la bombilla si ha estado encendida durante 2 horas. En KWh

Datos:                              Fórmula.

V= 220 V                        P= V²/R                              P= (220 V²) / 10 Ohms.

R= 10 Ohms.                  E= P.T                                P= 4840 W = 4.84 KW

T= 2 horas.                     E= 4.84 W x 2 h                 E= 9.68 KWh

3.- Calcula la potencia eléctrica de un calefactor eléctrico alimentado a un voltaje de 120 Volts y que tiene una resistencia de 50 Ohms. Calcula la energía eléctrica consumida por el motor si ha estado funcionando durante 15 minutos. En KWh

Datos:                              Fórmula.

V= 120 V                         P= V²/R                             P= (120 V²) / 50 Ohms.

R= 50 Ohms.                  E= P.T                               P= 288 W = .288KW

T= 15 min.= .25h           E= .288 KW x .25 h            E= .072 KWh

4.- Calcula la potencia eléctrica de un motor eléctrico por el que pasa una intensidad de corriente de 3A y que tiene una resistencia de 200 Ohms. Calcula la energía eléctrica consumida por el motor si ha estado funcionando durante 10 minutos.

Datos:                              Fórmula.

I= 3A                               P= I² x R                           P= (3A²) X 200 Ohms.

R= 200 Ohms.                E= P.T                              P= 1800 W = 1.8 Kw

T= 10 min.= .166h          E= 1.8 KW x .166 h          E= .3 KWh

5.- Calcule el tiempo de consumo de energía en un refrigerador que consumió 8 KWh si el refrigerador tiene una resistencia de 85 Ohms y una diferencia de potencial de 120  Volts.  

Datos:                              Fórmula.

V= 120 V                        P= V²/ R                            P= (120²) / 85 Ohms.

R= 85 Ohms.             si  E= P.T                              P= 169.41 W = .169 Kw

E= 8 KWh                       T= E/P                              T= 8KWh/ .169 KW

T= 47.22 h

II Conversiones de unidades.

6.- Convertir 90 HP a KW.

1HP = 745.7 W

90HP x 745.7 W/1HP = 67113 W/1000 = 67.113 KW

7.- Convertir 85.3 ft.lb/s a HP.

1 ft.lb/s = 1356 W

1 HP = 745.7 W

85.3 ft.lb/s x 1356 W  /  1 ft.lb/s x 1HP / 745.7 W = 155.11 HP

8.- Convertir 78.2 J/s a ft.lb/s.

1 J/s = 1W

1 lb.ft/s = 1356 W

78.2 J/s x 1 ft.lb/s  / 1356 J/s ( es igual a 1 W)= .00073 lb.ft/s

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