功率
单位
功率是能量除以时间。国际标准制的功率单位是瓦特(W),等于一焦耳每秒。其他功率单位包括尔格每秒(erg/s)、马力(hp)、公制马力及英尺-磅力(英语:foot-pound force)每分。一马力等于33,000英尺-磅力每分,也就是一秒钟将550磅的重物提高一英尺所需的功率,约等于746瓦特。其他单位包括:
分贝毫瓦(dBm),是以一毫瓦为基准的对数值。
卡每小时(或是千卡每小时)。
英热单位每小时(Btu/h)。
冷冻吨(12,000 Btu/h):常用在冷气或空调系统。
平均功率
考虑一个简单的例子,燃烧一公斤的煤放出的能量比引爆一公斤的三硝基甲苯要高,但因为引三硝基甲苯释放能量的速率比燃烧煤要快很多,因此其产生的功率较大。若令Δ Δ -->W{\displaystyle \Delta W}是在Δ Δ -->t{\displaystyle \Delta t}时间内所做的功,则这段时间内的平均功率Pavg{\displaystyle P_{avg}}由下式给出:
瞬时功率是指时间Δ Δ -->t{\displaystyle \Delta t}趋近于0时的平均功率:
若瞬时功率P为定值,则一段长度为T的时间之内所作的功可以用下式表示: 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}。
力学
在力学中,在某物体上力所做的功由下式给出:
其中F为作用力,d为位移矢量。
功对时间求导即得到瞬时功率,也即力与速度的点积:
故平均功率为:
在旋转系统中,功率与力矩和角速度有关:
故此时平均功率为
在流体力学中,功率与压强和体积流量有关:
其中p是压强(以帕斯卡作为单位),Q是体积流量(以m/s立方米每秒作为单位)。
机械功率
若力学系统没有损失,则其输入功率等于输出功率,因此可以推导系统的机械功率(英语:mechanical advantage),也就是输出力和输入力的比值。
令系统的输入功率为大小为FA的力,作用在一个移动速度为vA的点,而其输出功率为大小为FB的力,作用在一个移动速度为vB的点,假设系统无损失,则
系统的机械功率(英语:mechanical advantage)为
在旋转系统中也可以推得类似的公式,其中TA及ωA为输入到系统的转矩及角速度,TB及ωB为系统输出的转矩及角速度,假设系统无损失,则
因此机械功率(英语:mechanical advantage)为
上述关系的重要性在于可以根据系统的尺寸推算其速度比(英语:velocity ratio),再依速度比定义最佳性能,像齿轮比(英语:gear ratio)就是一个例子。
光学中的功率
在光学或辐射度量学中,功率有时会指辐射通量,由电磁辐射传递能量的平均速率,单位也是瓦特。
在光学中的光学倍率(Optical power)有时也会简称power,是指透镜或其他光学仪器屈光的能力,单位是屈光度(反米),等于光学仪器焦距的反比。
电功率
一个元件的瞬时电功率由下式给出:
其中I为瞬时电流,U为元件两端的电势差。
若元件为线性元件,即电压与电流之比不随时间变化,也即服从欧姆定律,则有:
其中R=UI{\displaystyle R={U \over I}}为元件的电阻。
峰值功率及占空比
在理想脉波中,瞬时功率是时间的周期函数。脉波持续时间的比例等于平均功率除以峰值功率的比例,此比例称为占空比
若是周期为T{\displaystyle T}的周期信号s(t){\displaystyle s(t)},像是一连串的理想脉波,其瞬时功率p(t)=|s(t)|2{\displaystyle p(t)=|s(t)|^{2}}也是周期为T{\displaystyle T}的周期函数。其峰值功率为:
峰值功率不是持续量测的物理量,仪器比较方便量测的是平均功率Pavg{\displaystyle P_{\mathrm {avg} }}。若定义单位脉冲的功率为:
则平均功率为:
也可以定义脉冲长度τ τ -->{\displaystyle \tau }使得P0τ τ -->=ϵ ϵ -->pulse{\displaystyle P_{0}\tau =\epsilon _{\mathrm {pulse} }},因此以下的比值
会相等。此比值即为脉冲的占空比。
参见
简单机械
机械利益(英语:mechanical advantage)
功
电功率
热功率
强度 (物理)
功率增益
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