Diferencia y relación entre potencia y energía

Conrado Moreno Figueredo
Doctor en Ciencias Técnicas. Especialista en energía eólica. Director del Centro de Estudios
de Tecnologías Energéticas Renovables
(CETER).
Miembro de CUBASOLAR
Tel. (537) 2605060.
E-mail: conrado@ceter.ispjae.edu.cu

¿Cuándo referirnos al watt
y cuándo al watt-hora?

 

Frecuentemente, en artículos y reportes periodísticos, programas radiales y televisivos e incluso en artículos técnicos se comete el error de confundir los conceptos de potencia y energía. Peor aún ocurre con sus unidades de medidas más frecuentes, el kilowatt y el kilowatt-hora, que aparecen de distintas maneras como kw, KW, Kw, kw/h, kwh, KW/h y otras formas.

La «energía» es la capacidad que se necesita para ejecutar acciones externas, o sea, es la materia prima que se requiere para realizar «trabajo». Teóricamente la palabra «trabajo» es el producto de multiplicar fuerza por distancia. Por ejemplo, si se eleva un cuerpo que pesa un kilogramo a una altura de un metro, el trabajo realizado es numéricamente igual a una kilogramo-metro. Por su parte, el trabajo realizado en un determinado tiempo se define como «potencia».

Un trabajo realizado lentamente consume menos potencia pues el tiempo es más largo, mientras que para hacerlo más rápidamente se absorbe mayor potencia.
Numéricamente, la potencia es el trabajo por unidad de tiempo, y puede ser expresada como kilogramo-metro por segundo, por minuto o por hora.

La relación numérica y los métodos de conversión entre las unidades básicas de trabajo, calor y energía son muy interesantes y a menudo se incurre en errores al expresarlos. Actualmente existen dos grandes sistemas para definir estas y otras magnitudes: el Sistema Internacional (SI) y el Sistema Americano, este último aún usado ampliamente en Estados Unidos, basado en el viejo Sistema Imperial Inglés, el cuál está desapareciendo progresivamente, incluso en su país de origen.

El SI está basado en el kilogramo (kg) como unidad de masa, el metro (m) para la distancia, el segundo (s) para el tiempo y el grado Kelvin (K) para la temperatura. El sistema americano usa la libra (lb) para la masa, el pie (ft) o la pulgada (in) para la distancia, los grados Fahrenheit (°F) para la temperatura y el segundo (s) para el tiempo.

En el SI, la unidad básica de energía es el joule (J), el cual es exactamente igual al trabajo de 1 newton-metro (Nm). Un newton (N) es aproximadamente igual a 0,1 kilogramo fuerza a los efectos prácticos, aunque más exactamente es 1 kg dividido por la aceleración de la gravedad en unidades métricas de 9,81 m²/s, es decir, 0,1019. Así, 1 J es el trabajo requerido para levantar aproximadamente 100 g (0,1 kg) a una altura de 1 m.

Si 1 J de energía es aplicado durante 1 s, es decir, 100 g levantados 1 m en 1 s, entonces la potencia requerida es exactamente 1 watt (W).

Otra unidad es la caloría, la cual es definida en términos de energía calórica como el calor requerido para incrementar la temperatura de 1 g de agua 1 °C.
La energía es intercambiable en su forma. Por ejemplo, el trabajo mecánico realizado por la fricción se convierte en calor, y el vapor procedente del agua en ebullición puede ser usado para empujar un pistón y realizar trabajo mecánico.

Por lo tanto, hay una relación directa entre calorías y joules, a pesar de que una es definida en términos de esfuerzo mecánico y la otra en términos de calor.

La energía puede también ser convertida en una forma eléctrica, con un elemento que mueve un flujo de electrones, o sea, corriente eléctrica. La medida normal para la energía eléctrica es el watt-hora (Wh). Como 1 Wh es una unidad pequeña, más a menudo se usa el kilowatt-hora (kWh). Por su parte, 1 J es igual a 1 Nm y 1 W es igual a 1 Nm/s (trabajo por unidad de tiempo). Un watt-hora (Wh) es por tanto 3 600 watt-segundo (60 x 60 = 3 600 segundos por hora). Como resultado de esto, 1 Wh es igual a 3 600 J y 1 kWh es igual a
3 600 000 J. En el Sistema Internacional, un millar de veces se toma con el prefijo «kilo» y un millón de veces se convierte en «mega». De aquí que 1 kWh = 3,6 MJ (un kilowatt-hora es igual a 3,6 mega joule).

En el campo de la electricidad se emplean en ambos sistemas las mismas unidades: watt para la potencia, ampere (A) para la corriente y volt (V) para la fuerza electromotriz o diferencia de potencial.

Existen otras unidades que se emplean para la energía. Por ejemplo, las unidades derivadas del valor calórico de los combustibles. Una tonelada equivalente de petróleo (tep) es la energía calórica contenida en 1 t de petróleo crudo.

Seguidamente se presentan algunos ejemplos que ilustran acciones que son necesarias realizar para producir 50 W de potencia:

* Una persona pedaleando una bicicleta o usando una bomba de mano.
* Un molino de viento de 3 m de diámetro del rotor en una brisa suave de 5 m/s.
* Un modulo solar fotovoltaico moderno de 1 m x 0,4 m en un fuerte Sol brillante, al mediodía y colocado perpendicular al Sol.

Igualmente, para tener una idea de la energía consumida en una vivienda, se presenta el siguiente ejemplo:
Si una casa posee los siguientes efectos eléctricos: 4 lámparas de 20 W, 1 radio de
3,5 W, un televisor en color de 60 W y un refrigerador de 80 W, en dependencia de las horas que funcione cada efecto así será la energía consumida por cada uno. Veamos, pues, el consumo diario de energía de esa vivienda:

Watt
h/día
Wh/día
4 lámparas (20 W)
6
480
1 radio (3,5 W)
6
21
1 televisor color (60 W)
2
120
1 refrigerador (80 W)
8
640

Energía consumida total en el día: 1 261 Wh/día.

La última columna se obtuvo multiplicando la cantidad de efectos por las columnas 1 y 2, por ejemplo, 4 lámparas por 20 y por 6 es igual a 480 Wh/día.

Si esa energía se consumiera todos los días, el consumo en un mes de 30 días sería 1 261 x 30, que es igual a 37 830 Wh/mes, o sea, 37,83 kWh/mes.

Cuando se compra una lámpara de 20 W, se adquiere potencia para el hogar, pero cuando llega el recibo de la electricidad es necesario pagar por la energía consumida en el mes en khW. Por ejemplo, por los 37,83 kWh del ejemplo se deben pagar $3,40, ya que 1 kWh cuesta 9 centavos según las tarifas actuales.

Veamos esta sencilla ecuación. Se estima que una vivienda cubana consume como promedio mensual 120 kWh. Cuando una planta termoeléctrica de 300 000 kW o 300 MW (megawatts) se detiene por reparación durante un día (24 horas), esta deja de producir 7 200 000 kWh/día o 7 200 MWh/día. Entonces ¿a cuántas casas cubanas deja de suministrar electricidad esta planta? Saque usted la cuenta.

Después de resolver el problema, es importante recordar que la potencia se expresa en watt (W) o kilowatt (kW) y la energía se expresa en watt-hora (Wh) o kilowatt-hora (kWh), siendo importante especificar en qué período de tiempo se consumió o produjo la energía, es decir, si es diaria, mensual o anual. Estos dos conceptos tienen relación entre sí, pero son diferentes.

Las circunferencias mayores contienen los símbolos de las unidades básicas del Sistema Internacional (SI): metro (m), longitud; kilogramo (kg), masa; segundo (s), tiempo; ampere (A), intensidad de la corriente eléctrica; kelvin (K), temperatura termodinámica [se acepta grados de Celcio (0C)]; candela (cd), intensidad luminosa; mole (mol), cantidad de sustancia; radián (rad), ángulo plano; y estereorradián (sr), ángulo sólido.
Las circunferencias pequeñas contienen los símbolos de las unidades derivadas del Sistema Internacional (SI): hertz (Hz), newton (N), pascal (Pa), joule (J), watt (W), coulomb (C), volt (V), farad (F), siemens (S), weber (Wb), tesla (T), henry (H), lumen (lm), lux (lx), gray (Gy), sievert (Sv) y becquerel (Bq).