Teho (fysiikka): määritelmä, yksiköt (watti) ja kaava P = W/t
Selkeä opas tehoon fysiikassa: määrittely, SI-yksikkö watti, kaavat (P = W/t) ja käytännön esimerkit tehojen laskemiseen arjessa.
Fysiikassa teho (symboli: P) tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti työ tehdään tai energiaa siirretään yhdestä asiasta toiseen. SI-mittajärjestelmässä teho mitataan watteina (symboli: W).
Mitä teho kertoo käytännössä
Teho kertoo, kuinka nopeasti energiaa muutetaan tai siirretään. Esimerkiksi saman työn (esim. painavan kappaleen noston) tekeminen hitaasti tai nopeasti kuluttaa saman määrän energiaa, mutta nopeampi suoritus edellyttää suurempaa tehoa — eli työ tehdään lyhyemmässä ajassa. Teho on siten työn aikaderivaatta (energia per aika) tai signaali siitä, kuinka nopeasti järjestelmä pystyy tuottamaan tai vastaanottamaan energiaa.
Yksiköt
Watti (W) on tehoyksikkö: 1 W = 1 J/s (joule sekunnissa). SI-järjestelmän perusyksiköistä watti voidaan ilmaista muodossa kg·m²·s⁻³. Tavallisia mittoja käytännössä ovat kilowatti (kW = 1000 W) ja megawatti (MW = 10⁶ W). Tunnettu ei-SI-yksikkö on hevosvoima (hv), jossa 1 hv ≈ 735,5 W.
Peruskaavat
Teho määritellään keskimääräisenä tehona yleensä työn ja ajan suhteena:
P = W t {\displaystyle P={\frac {W}{t}}}} 
Tässä P on teho, W on työ (energia) ja t on aika. Sama kaava voidaan kirjoittaa yksinkertaisesti tekstinä:
P = W / t (keskiarvoteho).
Reaalisissa tilanteissa kiinnostaa usein hetkellinen teho, joka on työn aikaderivaatta:
P(t) = dW/dt (hetkellinen teho).
Muita yleisiä tehoon liittyviä esitystapoja
- Voima kertaa nopeus: Jos voima F vaikuttaa kappaleeseen ja kappale liikkuu vakionopeudella v, mekaaninen teho on P = F · v (vektoreiden pistetulo).
- Pyörimisliikkeessä: P = τ · ω, missä τ on vääntömomentti (torque) ja ω on kulmanopeus (rad/s).
- Sähköteho: P = V · I, josta käytännössä P = jännite (V) kertaa virta (I). Sähköenergian häviöt voidaan myös laskea samalla periaatteella (esim. P_häviö = I²R).
Esimerkki
Nostetaan 100 kg massa 1,0 m korkeuteen. Työ W = mgh = 100 kg · 9,81 m/s² · 1,0 m ≈ 981 J. Jos nosto tehdään 2,0 sekunnissa, keskimääräinen teho on
P = W / t = 981 J / 2,0 s ≈ 490,5 W.
Lisätietoja ja käytännön huomioita
- Teho voi olla negatiivinen, jos järjestelmä luovuttaa energiaa ympäristöön (esim. jarruttava kone tuottaa negatiivista mekaanista työtä suhteessa liikkeen suuntaan).
- Laite- ja konepätevyydessä erotellaan usein nimellisteho, huipputeho ja jatkuva teho. Esimerkiksi sähkömoottorilla voi olla suurempi hetkellinen huipputeho kuin pitkäkestoisesti tuottama teho.
- Tehon ja hyötysuhteen suhde: hyötysuhde kertoo, kuinka suuri osa syötetystä tehosta muuttuu halutuksi työksi tai hyödyksi; loput voivat mennä häviöinä lämmöksi, kitkaan yms.
Yhteenvetona: teho kuvaa energian muutosnopeutta. Yksikkönä käytetään wattia (W) ja peruskaavoja ovat keskimääräinen teho P = W/t ja hetkellinen teho P = dW/dt sekä mekaaninen muoto P = F·v.
Teho optiikassa
Optiikassa tai radiometriassa termi teho viittaa joskus säteilyvirtaan. Se on sähkömagneettisen säteilyn kuljettaman energian keskimääräinen määrä, joka mitataan watteina. Termiä "teho" käytetään kuitenkin myös ilmaisemaan linssin tai muun optisen laitteen kykyä keskittää valoa. Se mitataan dioptrioina (käänteismetreinä), ja se on yhtä suuri kuin yksi optisen laitteen polttoväli.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on teho fysiikassa?
A: Fysiikassa teho tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti työ tehdään tai energiaa luovutetaan yhdestä kohteesta toiseen.
K: Miten tehoa mitataan?
V: Teho mitataan watteina (symboli: W) SI-mittajärjestelmässä.
K: Mitä tapahtuu, kun raskasta painoa nostetaan nopeasti verrattuna hitaasti?
V: Saman verran työtä on tehty, mutta nopea nosto vaatii enemmän tehoa, eli työ voidaan tehdä lyhyemmässä ajassa, jos tehoa on käytettävissä enemmän.
K: Miten voimme laskea tehon?
V: Teho voidaan laskea tehdyn työn muutosnopeutena tai osajärjestelmän energiana käyttämällä yhtälöä P = W/t, jossa P on teho, W on työ ja t on aika.
K: Voiko tehon laskea toisella tavalla?
V: Kyllä, se voidaan laskea myös voimana kertaa nopeus (tai nopeus).
Etsiä