Conceito de Potência  e  Energia

Trabalho e energia em física são sinônimos. Toda vez que um trabalho é realizado uma certa quantidade de energia é transformada e uma força estará atuando em algum corpo( mesmo que você não veja!! ). E não  se esqueça :

" A ENERGIA NÃO PODE SER DESTRUÍDA NEM TAMPOUCO CONSTRUÍDA ", a energia está sempre sendo transformada.O  gênio humano está sempre empenhado em construir dispositivos que possam converter algum tipo de energia em outro tipo de energia que nos seja útil. Por exemplo: Aquele banho quentinho que você toma no inverno só é possível, porque alguém  a muito tempo descobriu como converter  algum tipo de energia em energia elétrica, e depois outra  descobriu como converter energia elétrica em calor. Como  potência e energia(trabalho) são grandezas físicas, necessitamos de unidades para especifica-las adequadamente. 
Unidades de trabalho

Joule(J) é a unidade oficial , mas existem outras  como a caloria (cal) e o KW.h. É claro que existe uma relação entre elas. 1Cal = 4,18J        e      1KWh = 3,6.10⁶ J
Unidades de Potência  

Watt(W) é a unidade oficial, mas existem outras como o H.P, sendo que 1HP =746W

Potência  é definida como sendo o trabalho realizado por unidade de tempo ( energia trocada  por unidade de tempo ), ou matematicamente:

      P = t /t   onde  t(  tau ) é  a quantidade de energia que estará sendo trocada  que é igual ao trabalho realizado. Istoé :

    1W = 1J/s     ( inicio )

Confuso ? Então vamos a um exemplo: Imagine você deslocando um saco de açúcar de 5Kg de uma altura de 1m em 1s.Sem dúvida nenhuma que :

 a) Você gastou uma certa quantidade de energia, portanto realizou um  TRABALHO  

 b) Esse trabalho foi realizado porque você tem potência. Calculemos todos os valores de potência e de energia envolvidos.

De acordo com a física se um corpo de massa M, se desloca contra a força da gravidade  a energia potencial desse corpo sofrerá uma alteração ( aumentará ) que será dada por:

   DE = M.g.DH    onde DE será a variação da energia = trabalho realizado( em J) e DH  foi a variação de altura(em m),     g é uma constante chamada de aceleração da gravidade, sendo que o seu valor depende  do ponto em relação ao centro da terra,  valendo aproximadamente 9,8m/s² na superfície. Qual o foi mesmo o trabalho que você realizou ?

Como M = 5Kg  e DH =1m então   DE = 5.9,8.1 = 49J = t = trabalho realizado
como o tempo para realizar esse trabalho foi de 1s , então a  potência  desenvolvida por você foi de:

P = 49J/1s = 49J/s = 49W !!  ( inicio ) ( Uma lâmpada média tem potência de 60W)

Qual seria a potência desenvolvida , se o tempo para realizar o mesmo trabalho , fosse 0,5s ? R: P = 49J / 0,5s = 98J/s ou 98W a  sua potência  teria que ser o dobro !! Quanto maior a potência maior o trabalho que pode ser realizado. Podemos pensar às avessas, isto é : Quanto maior a potencia do dispositivo maior  o trabalho realizado(mais energia será consumida ), matematicamente:   t = P.t agora  já sabe porque a sua mãe se irrita quando você fica demorando muito tempo (t) em baixo do chuveiro , que é o dispositivo que vai realizar o trabalho, pois tem uma potência (P).

Fig01: Trabalho realizado contra a força da gravidade

Qual a quantidade de energia consumida num banho de 30min. se o chuveiro tem uma potencia de 5000W (5KW)?

R: Dos dados temos  P = 5000W = 5000J/s  isto é  esse chuveiro consome 5000J de energia a cada segundo, logo em 30min  consumirá:  t=P.t = 5000W.1800s = 90.10⁵ J = 9.000.000 J, como você vê é um número muito grande e nada prático por isso , quando  se trata de consumo alto a unidade usada é o KWh e portanto no exemplo

t=P.t = 5KW.0,5h = 2,5KWh( inicio )

Efeito Joule

Os elétrons  da corrente elétrica ao se deslocarem  pelo interior  do condutor se chocam contra os átomos do mesmo aumentando a sua agitação térmica ( temperatura ). A esse fenômeno  da eletricidade chamamos de efeito Joule.
Portanto o efeito Joule consiste na transformação da energia elétrica em Calor . Um resistor é um dispositivo que  transforma toda a energia elétrica que recebe em calor . Dizemos que ele dissipa  toda a energia elétrica em calor, portanto ele aquece.Se  as suas dimensões não estão de acordo coma a potência  que ele pode dissipar emtão ele  "queimará". Os resistores são construídos  de tamanhos diferentes para dissipar potências também diferentes, quanto maior o seu tamanho físico maior a sua capacidade em dissipar calor. Como podemos calcular a potência que um resistor  está dissipando? Em primeiro lugar  devemos dizer que para qualquer  dispositivo da eletricidade ( eletrônica ), a sua potência elétrica é dada por : 

             P = U.I (1)  onde U é a tensão  aplicada nos terminais do  dispositivo em voltas (V)  I é a  intensidade da corrente que está percorrendo o dispositivo em amperes (A) e P será a potência elétrica do dispositivo .Cabe aqui uma observação  importante.

Se  o dispositivo é receptor P=U.I é potência elétrica consumida , se o dispositivo é um gerador então P=U.I é a potência elétrica fornecida( inicio )

Fig02: convenção de polaridades para bipolos receptor e gerador Bipolo Receptor recebe energia elétrica Bipolo Gerador fornece energia elétrica

Para um resistor sabemos que a relação entre  tensão(U), corrente(I) e resistência (R) é dada pela lei de Ohm U = R.I logo se substituirmos na expressão da potência (1)resulta:

P = U.I = (R.I).I = R.I²                  P = R.I²     (2)    

ou  se substituímos I =U/R na mesma expressão resultará:
P = U.I = U.(U/R) = U²/R       P=U²/R    (3) 

Qualquer uma dessas três expressões cima  permite o cálculo da potência dissipada em um resistor.( inicio )

Exercícios Resolvidos

1) Qual a potência elétrica que o gerador está fornecendo para o circuito ? Qual a quantidade de energia elétrica consumida pelo circuito em 30min. ? E em 2h ?

Solução:

A potência elétrica do gerador é dada por : P = U.I , onde U = 12V e I = 12V/10W =1,2A  

logo, P = 12V.1,2A = 14,4W = 14,4J/s ( Joules por segundo ), observe que o circuito é só o resistor de 10W

logo a potência  eletrica do resistor que é igual à potência dissipada é 14,4W.

A energia que o circuito ( resistor ) consumirá em 30min ( 1800s) será : t = P.t = 14,4W.1800s = 25920J ou se  a potência estiver expressa em W e o tempo em horas  o resultado será w.h

  t  = 14,4W.0,5h =7,2W.h

Em  2h o consumo será :    t = 14,4W.2h =28,8W.h

2) Um chuveiro tem as especificações  4000W/220V. Qual o consumo de energia de um banho de 15min ? Qual  o valor da resistência do chuveiro ?

Solução:

Como a potência do chuveiro é 4000W = 4KW e o tempo  é 15min= 1/4h , então o consumo em KW.h será:

  t  = P.t = 4KW.1/4h = 1KW.h  ( consulte a conta de luz de sua casa para ter uma idéia  de quanto custa 1KWh de energia ).

 A resistência de um condutor está relacionada com a potência e com a tensão por : P=U²/R   logo,  R =U²/ P

ou  R = 220² /4000 = 12, 1W