Vatio

Unidad de potencia derivada del SI

El vatio (símbolo: W ) es la unidad de potencia o flujo radiante en el Sistema Internacional de Unidades (SI), igual a 1 julio por segundo o 1 kg⋅m ² ⋅s ⁻³ . ^{[1] [2] [3]} Se utiliza para cuantificar la tasa de transferencia de energía . El vatio recibe su nombre en honor a James Watt (1736–1819), un inventor , ingeniero mecánico y químico escocés del siglo XVIII que mejoró la máquina Newcomen con su propia máquina de vapor en 1776. La invención de Watt fue fundamental para la Revolución Industrial .

Descripción general

Cuando la velocidad de un objeto se mantiene constante a un metro por segundo contra una fuerza opuesta constante de un newton , la tasa a la que se realiza el trabajo es de un vatio. $${\displaystyle \mathrm {1~W=1~J{/}s=1~N{\cdot }m{/}s=1~kg{\cdot }m^{2}{\cdot }s^{-3}} .}$$

En términos de electromagnetismo , un vatio es la velocidad a la que se realiza el trabajo eléctrico cuando una corriente de un amperio (A) fluye a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio (V), lo que significa que el vatio es equivalente al voltio-amperio (esta última unidad, sin embargo, se utiliza para una cantidad diferente de la potencia real de un circuito eléctrico). $${\displaystyle \mathrm {1~W=1~V{\cdot }A} .}$$

Se pueden encontrar dos conversiones de unidades adicionales para vatio usando la ecuación anterior y la ley de Ohm , donde ohmio ( ) es la unidad derivada del SI de resistencia eléctrica . $${\displaystyle \mathrm {1~W=1~V^{2}/\Omega =1~A^{2}{\cdot }\Omega } ,}$$ ${\displaystyle \Omega }$

Ejemplos

• Una persona que tiene una masa de 100 kg y sube una escalera de 3 metros de altura en 5 segundos realiza un trabajo a una tasa de aproximadamente 600 vatios. La masa multiplicada por la aceleración de la gravedad multiplicada por la altura dividida por el tiempo que tarda en elevar el objeto a la altura dada da como resultado la tasa de trabajo o potencia . ^[i]
• Un trabajador, a lo largo de una jornada de ocho horas, puede mantener una producción media de unos 75 vatios; los atletas pueden alcanzar niveles de potencia más elevados durante intervalos cortos. ^[4]

Origen y adopción como unidad del SI

El vatio recibe su nombre del inventor escocés James Watt . ^[5] El nombre de la unidad fue propuesto por C. William Siemens en agosto de 1882 en su discurso presidencial en el quincuagésimo segundo congreso de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia . ^[6] Al observar que las unidades en el sistema práctico de unidades llevaban el nombre de físicos destacados, Siemens propuso que vatio podría ser un nombre apropiado para una unidad de potencia. ^[7] Siemens definió la unidad dentro del sistema existente de unidades prácticas como "la potencia transmitida por una corriente de un amperio a través de la diferencia de potencial de un voltio". ^[8]

En octubre de 1908, en la Conferencia Internacional sobre Unidades y Patrones Eléctricos celebrada en Londres, ^[9] se establecieron las denominadas definiciones internacionales para las unidades eléctricas prácticas. ^[10] La definición de Siemens se adoptó como vatio internacional . (También se utiliza: 1 A ² × 1 Ω.) ^[5] El vatio se definió como igual a 10 ⁷ unidades de potencia en el sistema práctico de unidades. ^[10] Las "unidades internacionales" fueron dominantes desde 1909 hasta 1948. Después de la IX Conferencia General sobre Pesos y Medidas de 1948, el vatio internacional se redefinió de unidades prácticas a unidades absolutas (es decir, utilizando solo longitud, masa y tiempo). Concretamente, esto significó que 1 vatio se definió como la cantidad de energía transferida en una unidad de tiempo, es decir, 1 J/s. En esta nueva definición, 1 vatio absoluto = 1,00019 vatios internacionales . Es probable que los textos escritos antes de 1948 utilicen el vatio internacional , lo que implica cautela al comparar valores numéricos de este período con el vatio posterior a 1948. ^[5] En 1960, la 11.ª Conferencia General de Pesas y Medidas adoptó el vatio absoluto en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como unidad de potencia. ^[11]

Múltiplos

Attovatio

La intensidad del sonido en el agua correspondiente a la presión sonora de referencia estándar internacional de 1  μPa es de aproximadamente 0,65 aW/m ² . ^[12]

Femtovatio

Las potencias medidas en femtowatts se encuentran normalmente en referencias a receptores de radio y radar . Por ejemplo, las cifras significativas de rendimiento del sintonizador de FM para sensibilidad, silenciamiento y relación señal/ruido requieren que se especifique la energía de RF aplicada a la entrada de la antena. Estos niveles de entrada se expresan a menudo en dBf ( decibeles referidos a 1 femtowatt). Esto es 0,2739 microvoltios a través de una carga de 75 ohmios o 0,5477 microvoltios a través de una carga de 300 ohmios; la especificación tiene en cuenta la impedancia de entrada de RF del sintonizador.

Picovatio

Las potencias medidas en picovatios se utilizan normalmente en referencia a receptores de radio y radar, acústica y en la ciencia de la radioastronomía . Un picovatio es el valor de referencia estándar internacional de la potencia sonora cuando esta cantidad se expresa en decibelios. ^[13]

Nanovatio

Las potencias medidas en nanovatios también se utilizan normalmente en referencia a los receptores de radio y radar.

Microvatio

Las potencias medidas en microvatios se expresan normalmente en sistemas de instrumentación médica como el electroencefalógrafo (EEG) y el electrocardiógrafo (ECG), en una amplia variedad de instrumentos científicos y de ingeniería y también en referencia a receptores de radio y radar. Las células solares compactas para dispositivos como calculadoras y relojes se miden normalmente en microvatios. ^[14]

Milivatio

Un puntero láser típico emite alrededor de cinco milivatios de potencia luminosa, mientras que un audífono típico utiliza menos de un milivatio. ^[15] Las señales de audio y otros niveles de señales electrónicas a menudo se miden en dBm , referidos a un milivatio.

Kilovatio

El kilovatio se utiliza normalmente para expresar la potencia de salida de los motores y la potencia de los motores eléctricos , herramientas, máquinas y calentadores. También es una unidad común que se utiliza para expresar la potencia electromagnética de salida de los transmisores de radio y televisión .

Un kilovatio equivale aproximadamente a 1,34 caballos de fuerza . Un pequeño calentador eléctrico con un elemento calefactor puede consumir 1 kilovatio. El consumo medio de energía eléctrica de un hogar en los Estados Unidos es de aproximadamente 1 kilovatio. ^[ii]

Una superficie de 1 metro cuadrado en la Tierra recibe típicamente alrededor de un kilovatio de luz solar del Sol (la irradiancia solar ) (en un día claro al mediodía, cerca del ecuador). ^[17]

Megavatio

Muchos eventos o máquinas producen o sostienen la conversión de energía a esta escala, incluidos los grandes motores eléctricos; grandes buques de guerra como portaaviones, cruceros y submarinos; grandes granjas de servidores o centros de datos ; y algunos equipos de investigación científica, como los supercolisionadores , y los pulsos de salida de láseres muy grandes. Un gran edificio residencial o comercial puede utilizar varios megavatios en energía eléctrica y calor. En los ferrocarriles, las locomotoras eléctricas modernas de alta potencia suelen tener una potencia máxima de salida de5 o 6 MW , mientras que otros producen mucho más. El Eurostar e300 , por ejemplo, consume más de12 MW , mientras que las locomotoras diésel-eléctricas pesadas suelen producir y utilizar3 y 5 MW . Las centrales nucleares estadounidenses tienen capacidades netas de verano de entre aproximadamente500 y 1300 MW . ^{[18] : 84–101}

La primera mención del megavatio en el Oxford English Dictionary ( OED ) es una referencia en el Webster's International Dictionary of the English Language de 1900. El OED también afirma que el megavatio apareció en un artículo del 28 de noviembre de 1947 en la revista Science (506:2).

Un vídeo del Departamento de Energía de los Estados Unidos que explica los gigavatios

Gigavatio

Un gigavatio es la potencia media típica de una ciudad industrial de un millón de habitantes y también la potencia de salida de una gran central eléctrica. La unidad GW se utiliza, por tanto, para grandes centrales eléctricas y redes eléctricas . Por ejemplo, para finales de 2010, se esperaba que la escasez de energía en la provincia china de Shanxi aumentara a 5-6 GW ^[19] y la capacidad de instalación de energía eólica en Alemania era de 25,8 GW. ^[20] La unidad más grande (de las cuatro) de la central nuclear belga de Doel tiene una potencia máxima de salida de 1,04 GW. ^{[21] Se han construido} convertidores HVDC con potencias nominales de hasta 2 GW. ^[22]

Teravatio

La energía primaria utilizada por los seres humanos en todo el mundo fue de unos 160.000 teravatios-hora en 2019, lo que corresponde a un consumo medio de energía continua de 18 TW ese año. ^[23] La Tierra misma emite 47 ± 2 TW, ^[24] mucho menos que la energía recibida de la radiación solar. Los láseres más potentes de mediados de la década de 1960 a mediados de la década de 1990 produjeron energía en teravatios, pero solo en intervalos de nanosegundos . El pico medio de un rayo es de 1 TW, pero estos rayos solo duran 30 microsegundos .

Petavatio

Un petavatio puede ser producido por la generación actual de láseres para escalas de tiempo del orden de picosegundos. Uno de estos láseres es el láser Nova de Lawrence Livermore , que alcanzó una potencia de salida de 1,25 PW mediante un proceso llamado amplificación de pulso chirped . La duración del pulso fue de aproximadamente 0,5  ps , lo que dio una energía total de 600 J. ^[25] Otro ejemplo es el láser para experimentos de ignición rápida (LFEX) en el Instituto de Ingeniería Láser (ILE), Universidad de Osaka , que logró una potencia de salida de 2 PW para una duración de aproximadamente 1  ps . ^{[26] [27]}

Basándose en la irradiancia solar total media de 1,361 kW/m ² , ^[28] la potencia total de la luz solar que llega a la atmósfera terrestre se estima en 174 PW. La tasa media de calentamiento global del planeta, medida como desequilibrio energético de la Tierra , alcanzó alrededor de 0,5 PW (0,3% de la energía solar incidente) en 2019. ^[29]

Yottawatt

La potencia de salida del Sol es de 382,8 YW, aproximadamente 2 mil millones de veces la potencia que se estima que llega a la atmósfera de la Tierra. ^[30]

Convenciones en la industria eléctrica

En la industria de la energía eléctrica , megavatio eléctrico ( MWe ^[31] o MW _e ) ^[32] se refiere por convención a la energía eléctrica producida por un generador, mientras que megavatio térmico o megavatio térmico ^[33] (MWt, MW _t , o MWth, MW _th ) se refiere a la energía térmica producida por la planta. Por ejemplo, la planta de energía nuclear Embalse en Argentina utiliza un reactor de fisión para generar 2.109 MW _t (es decir, calor), que crea vapor para impulsar una turbina, que genera 648 MW _e (es decir, electricidad). A veces se utilizan otros prefijos SI , por ejemplo gigavatio eléctrico (GW _e ). La Oficina Internacional de Pesas y Medidas , que mantiene el estándar SI, establece que no se debe adjuntar más información sobre una cantidad al símbolo de la unidad sino al símbolo de la cantidad (por ejemplo, P _th = 270 W en lugar de P = 270 W _th ) y, por lo tanto, estos símbolos de unidad no son SI. ^[34] De conformidad con el SI, la empresa energética Ørsted A/S utiliza la unidad megavatio para la energía eléctrica producida y la unidad equivalente megajulio por segundo para la energía térmica suministrada en una central combinada de calor y energía como la central eléctrica de Avedøre . ^[35]

Al describir la electricidad de corriente alterna (CA), se hace otra distinción entre el vatio y el voltio-amperio . Si bien estas unidades son equivalentes para circuitos resistivos simples , difieren cuando las cargas presentan reactancia eléctrica .

Transmisión de radio

Las estaciones de radio suelen informar la potencia de sus transmisores en unidades de vatios, haciendo referencia a la potencia radiada efectiva . Esto se refiere a la potencia que una antena dipolo de media onda necesitaría radiar para igualar la intensidad del lóbulo principal del transmisor .

Distinción entre vatios y vatios-hora

Los términos potencia y energía son magnitudes físicas estrechamente relacionadas pero distintas. La potencia es la velocidad a la que se genera o consume energía y, por lo tanto, se mide en unidades (por ejemplo, vatios) que representan energía por unidad de tiempo .

Por ejemplo, cuando se enciende una bombilla con una potencia nominal de 100 W durante una hora, la energía utilizada es de 100 vatios hora (W·h), 0,1 kilovatios hora o 360  kJ . Esta misma cantidad de energía encendería una bombilla de 40 vatios durante 2,5 horas o una bombilla de 50 vatios durante 2 horas.

Las centrales eléctricas se clasifican en unidades de potencia, normalmente megavatios o gigavatios (por ejemplo, la presa de las Tres Gargantas en China tiene una potencia de aproximadamente 22 gigavatios). Esto refleja la máxima potencia de salida que puede alcanzar en un momento dado. Sin embargo, la producción anual de energía de una central eléctrica se registraría utilizando unidades de energía (no de potencia), normalmente gigavatios-hora. La producción o el consumo de energía importante se expresan a menudo en teravatios-hora durante un período determinado; a menudo un año calendario o un año fiscal. Un teravatio-hora de energía equivale a una entrega de energía sostenida de un teravatio durante una hora, o aproximadamente 114 megavatios durante un período de un año:

Potencia de salida = energía / tiempo

1 teravatio hora por año =1 × 10 ¹²  W·h / (365 días × 24 horas por día) ≈ 114 millones de vatios,

equivalente a aproximadamente 114 megavatios de potencia de salida constante.

El vatio-segundo es una unidad de energía, equivalente al julio . Un kilovatio hora equivale a 3.600.000 vatios-segundo.

Si bien un vatio por hora es una unidad de tasa de cambio de potencia con el tiempo, ^[iii] no es correcto referirse a un vatio (o vatio-hora) como un vatio por hora. ^[36]

Véase también

• Portal de energía
• Portal de ingeniería
• Portal de física

• Balanza de croquetas (antes conocida como balanza de vatios)
• Potencia nominal (fotovoltaica)
• Iniciativa de un vatio
• Factor de potencia
• Constante solar
• Factores de conversión de potencia
• Vatímetro

Notas explicativas

1. La energía que se necesita para subir las escaleras se expresa en mgh . Si se fija m = 100 kg , g = 9,8 m/s2 ^y h = 3 m, se obtienen 2940 J. Si se divide este valor por el tiempo empleado (5 s), se obtiene una potencia de 588 W.
2. El consumo eléctrico doméstico promedio es de 1,19 kW en Estados Unidos y de 0,53 kW en el Reino Unido. En la India es de 0,13 kW (zona urbana) y de 0,03 kW (zona rural), según las cifras de GJ citadas por Nakagami, Murakoshi e Iwafune. ^[16]
3. Los vatios por hora se refieren a la tasa de cambio de la energía que se utiliza (o se genera). Por ejemplo, una planta de energía que cambia su potencia de salida de 100 MW a 200 MW en 15 minutos tendría una tasa de aumento gradual de 400 MW/h. Los gigavatios por hora se utilizan para caracterizar el aumento gradual requerido de las plantas de energía en una red eléctrica para compensar la pérdida de producción de otras fuentes, como cuando la generación de energía solar cae a cero cuando se pone el sol. Véase curva de pato .

Referencias

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3. Oficina Internacional de Pesas y Medidas (2006), El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (8.ª ed.), págs. 118, 144, ISBN 92-822-2213-6, archivado (PDF) del original el 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
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7. Siemens apoyó su propuesta afirmando que Watt fue el primero que "tuvo una clara concepción física de la potencia y dio un método racional para medirla". "Siemens, 1883, p. 6"
8. Informe de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia. Vol. 52.ª reunión (1882). 3 de abril de 1883.
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36. "Selección de inversor". Northern Arizona Wind and Sun. Archivado desde el original el 1 de mayo de 2009. Consultado el 27 de marzo de 2009 .

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• Medios relacionados con Watt en Wikimedia Commons
• La definición del diccionario de vatio en Wikcionario
• Borvon, Gérard. “Historia de los grupos eléctricos”.
• Nelson, Robert A. (febrero de 2000). El Sistema Internacional de Unidades: su historia y uso en la ciencia y la industria. Vía satélite. Cursos ATI.