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功率

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功率(英語:power)定義為能量转换或使用的速率,以單位時間的能量大小來表示,即是作。功率的國際標準制單位是瓦特(W),名稱是得名於十八世紀的蒸汽引擎設計者詹姆斯·瓦特。燈泡在單位時間內,電能轉換為熱能及光能的量就可以用功率表示,瓦特數越高表示單位時間用的能力(或電力)越高[1][2][3]

能量转换可以作,功率也是作功的速率。當一個人搬著一重物爬了一層的樓梯,不論他是慢慢的走上樓梯或是快跑上樓梯,對重物作的功是相等的,但若考慮其功率,快跑上樓梯會在較短的時間內對物體作相同大小的功,因此其功率較大。馬達的輸出功率是其馬達產生的轉矩及馬達角速度的乘積,而車輛前進的功率是輪子上的牽引力及車輛速度的乘積。

單位

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功率是能量除以時間。國際標準制的功率單位是瓦特(W),等於一焦耳每秒。其他功率單位包括爾格每秒(erg/s)、馬力(hp)、公制馬力及英尺-磅力英语foot-pound force每分。一馬力等於33,000英尺-磅力每分,也就是一秒鐘將550的重物提高一英尺所需的功率,約等於746瓦特。其他單位包括:

平均功率

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考慮一個簡單的例子,燃燒一公斤的放出的能量比引爆一公斤的三硝基甲苯要高[4],但因為引三硝基甲苯釋放能量的速率比燃燒煤要快很多,因此其產生的功率較大。若令ΔW{\displaystyle \Delta W}是在Δt{\displaystyle \Delta t}时间内所做的功,则这段时间内的平均功率Pavg{\displaystyle P_{\text{avg}}}由下式给出:

Pavg=ΔWΔt{\displaystyle P_{\text{avg}}={\frac {\Delta W}{\Delta t}}}

其中P為功率,W為功,t為時間。

瞬时功率是指时间Δt{\displaystyle \Delta t}趋近于0时的平均功率:

P=limΔt0ΔWΔt=dWdt{\displaystyle P=\lim _{\Delta t\to 0}{\frac {\Delta W}{\Delta t}}={\frac {{\rm {d}}W}{{\rm {d}}t}}}

若瞬时功率P{\displaystyle P}為定值,則一段長度為T{\displaystyle T}的時間之內所作的功可以用下式表示:

W=PT.{\displaystyle W=PT\,.}

在讨论能量转换问题时,有时用字母E{\displaystyle E}代替W{\displaystyle W}

力學

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在力学中,在某物体上力所做的由下式给出:

W=Fd{\displaystyle W=\mathbf {F} \cdot \mathbf {d} }

其中F为作用力,d位移矢量。

功对时间求导即得到瞬时功率,也即速度点积

P(t)=F(t)v(t){\displaystyle P(t)=\mathbf {F} (t)\cdot \mathbf {v} (t)}

故平均功率為:

Pavg=1ΔtFvdt{\displaystyle P_{avg}={\frac {1}{\Delta t}}\int \mathbf {F} \cdot \mathbf {v} \;\mathrm {d} t}

在转動運動的系统中,功率与力矩角速度有关:

P(t)=τω{\displaystyle P(t)={\boldsymbol {\tau }}\cdot {\boldsymbol {\omega }}}

故此时平均功率为

Pavg=1Δtτωdt{\displaystyle P_{avg}={\frac {1}{\Delta t}}\int {\boldsymbol {\tau }}\cdot {\boldsymbol {\omega }}\mathrm {d} t}.

流体力学中,功率与压强体积流量有关:

P=pQ{\displaystyle P=p\cdot Q}

其中p是压强(以帕斯卡作为单位),Q是体积流量(以m3/s立方米每秒作为单位)。

機械效益

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若力学系統沒有損失,則其輸入功率等於輸出功率,因此可以推導系統的機械效益,也就是輸出力和輸入力的比值。

令系統的輸入功率為大小為FA的力,作用在一個移動速度為vA的點,而其輸出功率為大小為FB的力,作用在一個移動速度為vB的點,假設系統無損失,則

P=FAvA=FBvB,{\displaystyle P=F_{A}v_{A}=F_{B}v_{B},\!}

系統的機械效益為

MA=FBFA=vAvB.{\displaystyle \mathrm {MA} ={\frac {F_{B}}{F_{A}}}={\frac {v_{A}}{v_{B}}}.}

在旋轉系統中也可以推得類似的公式,其中TAωA為輸入到系統的轉矩及角速度,TBωB為系統輸出的轉矩及角速度,假設系統無損失,則

P=TAωA=TBωB,{\displaystyle P=T_{A}\omega _{A}=T_{B}\omega _{B},\!}

因此機械效益為

MA=TBTA=ωAωB.{\displaystyle \mathrm {MA} ={\frac {T_{B}}{T_{A}}}={\frac {\omega _{A}}{\omega _{B}}}.}

上述關係的重要性在於可以根據系統的尺寸推算其速度比,再依速度比定義最佳性能,像齒輪比就是一個例子。

光學

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光學辐射度量学中,功率有時會指辐射通量,由電磁輻射傳遞能量的平均速率,單位也是瓦特

在光學中的光學倍率(Optical power)有時也會簡稱power,是指透镜或其他光學儀器屈光的能力,單位是屈光度(反米),等於光學儀器焦距的反比。

电功率

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主条目:电功率交流电功率功率因素

一个元件的瞬时电功率由下式给出:

P(t)=V(t)I(t){\displaystyle P(t)=V(t)I(t)}

其中I(t){\displaystyle I(t)}I{\displaystyle I}电流V(t){\displaystyle V(t)}V{\displaystyle V} 为元件两端的电势差[5]

若元件为线性元件,即电压电流之比不随时间变化,也即服从欧姆定律,则有:

P=VI=I2R=V2R{\displaystyle P=VI=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}

其中R=VI{\displaystyle R={V \over I}}为元件的电阻。[5]

对于交流电的情况,参见交流电功率

峰值功率及占空比

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在理想脈波中,瞬时功率是時間的週期函數。脈波持續時間的比例等於平均功率除以峰值功率的比例,此比例稱為占空比

若是週期為T{\displaystyle T}的週期信號s(t){\displaystyle s(t)},像是一連串的理想脈波,其瞬时功率p(t)=|s(t)|2{\displaystyle p(t)=|s(t)|^{2}}也是週期為T{\displaystyle T}的週期函數。其峰值功率為:

P0=max[p(t)]{\displaystyle P_{0}=\max[p(t)]}.

峰值功率不是持續量測的物理量,儀器比較方便量測的是平均功率Pavg{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }}。若定義單位脈衝的功率為:

ϵpulse=0Tp(t)dt{\displaystyle \epsilon _{\mathrm {pulse} }=\int _{0}^{T}p(t)\mathrm {d} t\,}

則平均功率為:

Pavg=1T0Tp(t)dt=ϵpulseT{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}p(t)\mathrm {d} t={\frac {\epsilon _{\mathrm {pulse} }}{T}}\,}

也可以定義脈衝長度τ{\displaystyle \tau }使得P0τ=ϵpulse{\displaystyle P_{0}\tau =\epsilon _{\mathrm {pulse} }},因此以下的比值

PavgP0=τT{\displaystyle {\frac {P_{\mathrm {avg} }}{P_{0}}}={\frac {\tau }{T}}\,}

會相等。此比值即為脈衝的占空比

参见

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参考

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  1. ^Halliday and Resnick. 6. Power. Fundamentals of Physics. 1974. 
  2. ^Chapter 13, § 3, pp 13-2,3The Feynman Lectures on Physics Volume I, 1963
  3. ^Chapter 6 § 7Power Halliday and Resnick,Fundamentals of Physics 1974.
  4. ^燒一公斤的煤會放出每公斤15-30百萬焦耳的能量,而引爆一公斤的三硝基甲苯會產生4.7百萬焦耳的能量,有關煤的熱值,可以參考Fisher, Juliya.Energy Density of Coal. The Physics Factbook. 2003 [30 May 2011]. (原始内容存档于2006-11-07). 有關三硝基甲苯的熱值,可以參考爆炸当量條目。
  5. ^5.05.1Electric Power and Energy. [2010-05-18]. [永久失效連結]
线性(平动)的量角度(转动)的量
量纲LL2量纲
T时间:t
s
位移积分:A
m s英语meter second
T时间:t
s
距离:d,位矢:r,s,x,位移
m
面积:A
m2
角度:θ,角移:θ
rad
立體角:Ω
rad2, sr
T−1頻率:f
s−1英语inverse second,Hz
速率:v,速度:v
m s−1
面積速率:ν
m2 s−1
T−1頻率:f
s−1英语inverse second,Hz
角速率:ω,角速度:ω
rad s−1
T−2加速度:a
m s−2
T−2角加速度:α
rad s−2
T−3加加速度:j
m s−3
T−3角加加速度:ζ
rad s−3
M质量:m
kg
ML2轉動慣量I
kg m2
MT−1动量:p,冲量:J
kg m s−1,N s英语newton second
作用量:𝒮,actergy:
kg m2 s−1,J s英语joule-second
ML2T−1角动量:L,角衝量:ι
kg m2 s−1
作用量:𝒮,actergy:
kg m2 s−1,J s英语joule-second
MT−2:F,重量:Fg
kg m s−2,N
能量:E,:W
kg m2 s−2,J
ML2T−2力矩:τ,moment英语Moment (physics):M
kg m2 s−2,N m
能量:E,:W
kg m2 s−2,J
MT−3加力:Y
kg m s−3, N s−1
功率:P
kg m2 s−3W
ML2T−3rotatum英语rotatum:P
kg m2 s−3, N m s−1
功率:P
kg m2 s−3W
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