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Energia e potenza

Pasquale Alba
Pasquale Alba

Energia, Potenza, Grandezze, Unit di Misura, Conversioni

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Pro manuscripto - Ing. Pasquale Alba 2020 Energia e Potenza Prof.Pasquale Alba 1 Energia e Potenza Unit di misura del SI (J, W) e altre unit molto usate (BTU, kWh, Caloria, kCal, VAh, CV, HP) Conversioni tra le unit di misura.
2 Energia E = lavoro LEnergia si pu嘆 presentare in varie forme: energia meccanica = lavoro = forza * spostamento = Nm = J e. cinetica (dipende da velocit e massa) = 1/2mV2 e. potenziale meccanica = e.gravitazionale = massa * altezza e. di pressione = pressione * volume e. termica = calore (di solito si misura in Calorie, o in BTU) e. chimica (batterie, esplosivi, combustibili, alimenti) luminosa o radianza (fotoni) nucleare (fotoni e particelle alta energia) etc Unit di misura nel Sistema Internazionale (SI): joule (J ) 1 J = 1 N m
3 Energia e Potenza P = energia tempo = E t La Potenza 竪 de fi nita come lEnergia prodotta o assorbita nellunit di tempo: Unit di misura della Potenza nel SI: watt [simbolo W] 1W = 1J 1s Multiplo molto usato: 1kW = 1000W
4 Altre unit di misura della Potenza molto usate Cavallo Vapore europeo [simbolo: CV oppure HP (Horse Power)] 1 CV = 0,736 kW 1 kW = 1,36 CV
5 Energia e Potenza Energia = Potenza Tempo = E t La Potenza si pu嘆 esprimere anche come Energia moltiplicata per un tempo: 1 J = 1 W 1 s
6 Altre unit di misura della ENERGIA molto usate wattora [simbolo Wh] kilowattora [simbolo kWh] British Thermal Unit [simbolo BTU] 1 kWh = 1000 W 3600 s = 3600000 W s = 3600000 J Esempio: se un climatizzatore assorbe una potenza di 1kW, in unora avr consumato una energia pari a 1kWh Il kWh 竪 la pi湛 usata per la fatturazione di energia e il calcolo di grosse quantit di energia. Conversione tra kWh e joule:
7 P = V2 R I = V R V = R I P = R I2 In un circuito elettrico come si calcola la Potenza Elettrica? P = V I = lavoro carica carica tempo = lavoro tempo sostituendo a turno V o I ricavate dalla prima legge di Ohm, la Potenza si pu嘆 scrivere ancora in due modi diversi:
8 V = 12V R = 5立 P = ? P = V2 R = 122 5 = 28,8W Esercizio svolto-Potenza
9 I = 3A R = 5立 P = ? P = R I2 = 5 32 = 45W Esercizio svolto-Potenza
10 Equivalenza termico-meccanica dellEnergia Due altre unit di misura dellEnergia molto usate quotidianamente nelle installazioni di impianti termici (caldaie e clima) sono: BTU (BTU=British Termal Unit) caloria [Cal] e kilocaloria [kCal ] 1BTU = 0,293 Wh = 1055 J Per la misura dellenergia si usa il BTU, per la potenza si usa il BTU/h (energia/tempo)
11 Esercizio su Equivalenza termico-meccanica dellEnergia Un impianto di climatizzazione ha una potenza di 24000 BTU/h Calcolare la potenza termica in W 1 BTU h = 0,293W Approssimazione facile da ricordare: si divide i BTU/h per 3. 24000 BTU h = 24000 0,293W = 7032W Questi sono watt termici (Wt) non elettrici (We).
12 COP e EER Per calcolare lassorbimento di potenza elettrica cio竪 per convertire da watt termici Wt a watt elettrici We nei climatizzatori a pompa di calore, bisogna tenere presente che essi, a differenza delle stufe elettriche, hanno unef fi cienza molto maggiore di 1. Cio竪 producono molto pi湛 calore o freddo della potenza che assorbono, mentre una stufa elettrica da 1kW produce esattamente 1kW di calore. I due valori COP e EER sono molto simili e pari a circa 4 per la maggior parte dei sistemi. Wt = COP We Lef fi cienza dei sistemi a pompa di calore 竪 espressa mediante: COP (Coef fi cient of Performance) in riscaldamento (inverno ) EER (Energy-Ef fi ciency Ratio) in raffreddamento (estate) We = COP We
13 COP e EER Tornando al calcolo precedente, se il fabbricante dichiara un COP=4, si avr: We = Wt COP = 7032 4 = 1758 We
14 Equivalenza termico-meccanica dellEnergia La Caloria [Cal] 竪 la quantit di energia termica, ossia calore, che 竪 necessario fornire a 1g=1ml di acqua per portare la sua temperatura di un grado Celsius. Dato che 竪 una unit molto piccola, si usa spesso il suo multiplo: kCal = 1000 Cal che 竪 lenergia che occorre fornire ad un kg o un litro dacqua per ottenere lo stesso salto termico di 1属C. James Prescott Joule, utilizzando uno strumento (mulinello di Joule) calcol嘆 lequivalente della Caloria in joule: 1Cal = 4,186J 1 kCal = 4186 J
15 Esercizio su Equivalenza termico-meccanica dellEnergia Avete una piscina di dimensioni 25m x 12m x 3m piena dacqua fi no allorlo. Dovete riscaldarla dalla temperatura di 10属C no a 30属C. Calcolare: 1) quante calorie sono necessarie? 2) quanti joule sono necessari? 3) quanti BTU sono necessari? 4) se una caldaia ha una potenza pari a 800 000 BTU/h, quanto tempo impiegher a portarla a temperatura desiderata? 5) se la caldaia utilizza gasolio con potere calori fi co pari a 44000kJ/kg, quanti kg di gasolio sono necessari supponendo che la caldaia abbia rendimento (100%)? 6) se il rendimento della caldaia 竪 (30%) quanti kg di gasolio sono necessari? 7) se la densit del gasolio 竪 0,8, quanti litri di gasolio sono necessari? 侶 = 1 侶 = 0,3
16 SOLUZIONE Esercizio su Equivalenza termico-meccanica dellEnergia Differenza di temperatura: Calore necessario in kCal: VolumetotaleVt = 25m 12m 3m = 900m3 = 900 鐃 000litri T = 30 C 10 C = 20 C Q = 18 000 000 kCal * 4186 J kCal = 75 348 000 000 J = 7,5348 1010 J 1 J = 1 1055 BTU = 0,00094782 BTU 1BTU = 0,293 Wh = 0,293 W 3600 s = 0,293 3600 J = 1055 J Q = 7,5348 1010 J = 7,5348 1010 0,00094782BTU = 71416124BTU t = 71416124 BTU 800 000 BTU h 89 h Tempo necessario: Calore necessario in joule: Q = 900 鐃 000 20 kCal = 18 鐃 000 鐃 000 kCal Calore necessario in BTU:
17 SOLUZIONE Esercizio su Equivalenza termico-meccanica dellEnergia PQ = 44000 kJ kg Gasolio necessario in kg (caldaia con ef fi cienza 100%): Potere calori fi co del gasolio: Calore necessario in kJ: Q = 7,5348 1010 J Gasolio[kg] = 7,5348 1010 J 44000 kJ kg = 7,5348 107 kJ 44000 kJ kg = 1712 kg Se la caldaia ha ef fi cienza 30% allora il potere calori fi co reale 竪 ridotto al 30%: PQ 30% = 44000 0,30 kJ kg = 13200 kJ kg Gasolio[kg] = 7,5348 107 kJ 13200 kJ kg = 5708 kg e il gasolio necessario in kg aumenta:

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  • 8. 8 V = 12V R = 5立 P = ? P = V2 R = 122 5 = 28,8W Esercizio svolto-Potenza
  • 9. 9 I = 3A R = 5立 P = ? P = R I2 = 5 32 = 45W Esercizio svolto-Potenza
  • 10. 10 Equivalenza termico-meccanica dellEnergia Due altre unit di misura dellEnergia molto usate quotidianamente nelle installazioni di impianti termici (caldaie e clima) sono: BTU (BTU=British Termal Unit) caloria [Cal] e kilocaloria [kCal ] 1BTU = 0,293 Wh = 1055 J Per la misura dellenergia si usa il BTU, per la potenza si usa il BTU/h (energia/tempo)
  • 11. 11 Esercizio su Equivalenza termico-meccanica dellEnergia Un impianto di climatizzazione ha una potenza di 24000 BTU/h Calcolare la potenza termica in W 1 BTU h = 0,293W Approssimazione facile da ricordare: si divide i BTU/h per 3. 24000 BTU h = 24000 0,293W = 7032W Questi sono watt termici (Wt) non elettrici (We).
  • 12. 12 COP e EER Per calcolare lassorbimento di potenza elettrica cio竪 per convertire da watt termici Wt a watt elettrici We nei climatizzatori a pompa di calore, bisogna tenere presente che essi, a differenza delle stufe elettriche, hanno unef fi cienza molto maggiore di 1. Cio竪 producono molto pi湛 calore o freddo della potenza che assorbono, mentre una stufa elettrica da 1kW produce esattamente 1kW di calore. I due valori COP e EER sono molto simili e pari a circa 4 per la maggior parte dei sistemi. Wt = COP We Lef fi cienza dei sistemi a pompa di calore 竪 espressa mediante: COP (Coef fi cient of Performance) in riscaldamento (inverno ) EER (Energy-Ef fi ciency Ratio) in raffreddamento (estate) We = COP We
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  • 17. 17 SOLUZIONE Esercizio su Equivalenza termico-meccanica dellEnergia PQ = 44000 kJ kg Gasolio necessario in kg (caldaia con ef fi cienza 100%): Potere calori fi co del gasolio: Calore necessario in kJ: Q = 7,5348 1010 J Gasolio[kg] = 7,5348 1010 J 44000 kJ kg = 7,5348 107 kJ 44000 kJ kg = 1712 kg Se la caldaia ha ef fi cienza 30% allora il potere calori fi co reale 竪 ridotto al 30%: PQ 30% = 44000 0,30 kJ kg = 13200 kJ kg Gasolio[kg] = 7,5348 107 kJ 13200 kJ kg = 5708 kg e il gasolio necessario in kg aumenta: