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Vatio

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 lleva el nombre de 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. El invento 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 velocidad a la que se realiza el trabajo es de un vatio.

En términos de electromagnetismo , un vatio es la velocidad a la que se realiza 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 voltiamperio (el Esta última unidad, sin embargo, se utiliza para una magnitud diferente a la potencia real de un circuito eléctrico).

Se pueden encontrar dos conversiones de unidades adicionales para vatios utilizando la ecuación anterior y la ley de Ohm .

ohmioresistencia eléctrica derivada del SI

Ejemplos

Origen y adopción como unidad SI

El vatio lleva el 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 ante el 52º Congreso de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia . [6] Al observar que las unidades en el sistema práctico de unidades llevaban nombres 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 Estándares Eléctricos celebrada en Londres [9] , se establecieron las llamadas definiciones internacionales para unidades eléctricas prácticas. [10] La definición de Siemens fue adoptada 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 9ª Conferencia General de Pesas y Medidas en 1948, el vatio internacional fue redefinido de unidades prácticas a unidades absolutas (es decir, usando sólo longitud, masa y tiempo). . Concretamente, esto significaba 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 precaución al comparar valores numéricos de este período con el vatio posterior a 1948. [5] En 1960, la 11ª 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 femtovatios se encuentran normalmente en referencias a receptores de radio y radar . Por ejemplo, para obtener cifras significativas de rendimiento del sintonizador de FM en cuanto a sensibilidad, silenciamiento y relación señal/ruido es necesario especificar la energía de RF aplicada a la entrada de la antena. Estos niveles de entrada suelen expresarse en dBf ( decibeles referidos a 1 femtovatio). Esto es 0,2739 microvoltios en una carga de 75 ohmios o 0,5477 microvoltios en 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 potencia sonora cuando esta cantidad se expresa en decibeles. [13]
Nanovatio
Las potencias medidas en nanovatios también se suelen utilizar en referencia a receptores de radio y radar.
Microvatio
Las potencias medidas en microvatios suelen expresarse 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]
Milivatios
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 , con referencia 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 utilizada para expresar la potencia electromagnética de salida de transmisores de radio y televisión .
Un kilovatio equivale aproximadamente a 1,34 caballos de fuerza . Un calentador eléctrico pequeño con un elemento calefactor puede consumir 1 kilovatio. El consumo medio de energía eléctrica de un hogar en Estados Unidos es de aproximadamente 1 kilovatio. [ii]
Una superficie de 1 metro cuadrado en la Tierra recibe normalmente 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 supercolisionadores , y los pulsos de salida de láseres muy grandes. Un gran edificio residencial o comercial puede utilizar varios megavatios de energía eléctrica y calor. En los ferrocarriles, las locomotoras eléctricas modernas de alta potencia suelen tener una potencia máxima de5 o 6 MW , mientras que algunas producen mucho más. El Eurostar e300 , por ejemplo, utiliza más de12 MW , mientras que las locomotoras diésel-eléctricas pesadas suelen producir y utilizar3 y 5MW . Las centrales nucleares estadounidenses tienen capacidades netas en verano de aproximadamente500 y 1300MW . [18] : 84-101 
La primera cita 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 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 una gran central eléctrica. Por tanto, la unidad GW se utiliza en grandes centrales eléctricas y redes eléctricas . Por ejemplo, a 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 cuatro) de la central nuclear belga de Doel tiene una potencia máxima 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 de energía continuo promedio de 18 TW ese año. [23] Los láseres más potentes desde mediados de los años 1960 hasta mediados de los 1990 produjeron energía en teravatios, pero sólo durante intervalos de nanosegundos . La caída promedio de un rayo alcanza un máximo de 1 TW, pero estos rayos solo duran 30 microsegundos .
petavatio
La generación actual de láseres puede producir un petavatio en escalas de tiempo del orden de picosegundos. Uno de esos 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 chirriado . La duración del pulso fue de aproximadamente 0,5  ps , lo que da una energía total de 600 J. [24] Otro ejemplo es el láser para experimentos de encendido rápido (LFEX) del Instituto de Ingeniería Láser (ILE) de la Universidad de Osaka , que alcanzó una potencia salida de 2 PW con una duración de aproximadamente 1  ps . [25] [26]
Basado en la irradiancia solar total promedio de 1,361 kW/m 2 , [27] la potencia total de la luz solar que incide sobre la atmósfera de la Tierra se estima en 174 PW. La tasa promedio de calentamiento global del planeta, medida como el desequilibrio energético de la Tierra , alcanzó aproximadamente 0,5 PW (0,3% de la energía solar incidente) en 2019. [28]
Yottawatt
La potencia producida por el 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. [29]

Convenios en la industria de la energía eléctrica.

En la industria de la energía eléctrica , megavatio eléctrico ( MWe [30] o MW e ) [31] se refiere por convención a la energía eléctrica producida por un generador, mientras que megavatio térmico o megavatio térmico [32] (MWt, MW t , o MWth, MW th ) se refiere a la potencia térmica producida por la planta. Por ejemplo, la central nuclear de 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 gigavatios eléctricos (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. [33] De conformidad con el SI, la empresa energética Ørsted A/S utiliza la unidad de megavatio para la energía eléctrica producida y la unidad equivalente de megajulio por segundo para la potencia de calefacción suministrada en una central combinada de calor y electricidad como la central eléctrica de Avedøre . [34]

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

Transmision 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 necesitaría irradiar una antena dipolo de media onda para igualar la intensidad del lóbulo principal del transmisor .

Distinción entre vatios y vatios-hora

Los términos potencia y energía están estrechamente relacionados pero son cantidades físicas 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 una bombilla con una potencia nominal de 100 W se enciende durante una hora, la energía utilizada es 100 vatios hora (W·h), 0,1 kilovatios hora o 360  kJ . Esta misma cantidad de energía iluminaría una bombilla de 40 vatios durante 2,5 horas o una bombilla de 50 vatios durante 2 horas.

Las centrales eléctricas se clasifican utilizando 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 potencia máxima que puede alcanzar en cualquier momento. Sin embargo, la producción de energía anual de una central eléctrica se registraría utilizando unidades de energía (no potencia), normalmente gigavatios hora. La producción o el consumo de energía principal se expresa a menudo en teravatios hora durante un período determinado; a menudo un año calendario o un año financiero. Un teravatio hora de energía equivale a un suministro de energía sostenido 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 constante.

El vatio-segundo es una unidad de energía, igual 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 vatio por hora. [35]

Ver también

Notas explicatorias

  1. ^ La energía al subir escaleras viene dada por mgh . Ajustando m = 100 kg , g = 9,8 m/s 2 y h = 3 m se obtienen 2940 J. Dividiendo esto por el tiempo empleado (5 s) se obtiene una potencia de 588 W.
  2. ^ El consumo medio de energía eléctrica doméstica es de 1,19 kW en EE. UU. y 0,53 kW en el Reino Unido. En la India es de 0,13 kW (urbano) y 0,03 kW (rural), calculados a partir de cifras de GJ citadas por Nakagami, Murakoshi e Iwafune. [dieciséis]
  3. ^ Los vatios por hora se refieren a la tasa de cambio de energía que se utiliza (o genera). Por ejemplo, una central eléctrica que cambia su producción de 100 MW a 200 MW en 15 minutos tendría una tasa de aceleración de 400 MW/h. Los gigavatios por hora se utilizan para caracterizar el aumento 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. Ver curva de pato .

Referencias

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  7. ^ Siemens apoyó su propuesta afirmando que Watt fue el primero que "tuvo una concepción física clara del poder y dio un método racional para medirlo". "Siemens, 1883, pág. 6"
  8. ^ "Informe de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia". 3 de abril de 1883.
  9. ^ Tunbridge, P. (1992). Lord Kelvin: su influencia en las medidas y unidades eléctricas . Peter Peregrinus: Londres. pag. 51.ISBN​ 0-86341-237-8.
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  34. ^ "Central eléctrica de Avedøre (Avedøre værket)". Energía DONG . Archivado desde el original el 17 de marzo de 2014 . Consultado el 17 de marzo de 2014 .
  35. ^ "Selección de inversor". Viento y sol del norte de Arizona. Archivado desde el original el 1 de mayo de 2009 . Consultado el 27 de marzo de 2009 .

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