تكنولوجيا

حرارة قانون جول "التطبيقات - التمارين"

درس جول التأثير الناتج عندما يدور تيار كهربائي من خلاله موصل ومن ثم أنشأه قانون الجول المعروف. عندما تتحرك الشحنة الكهربائية عبر موصل ، فإن الإلكترونات تتصادم مع بعضها البعض لتوليد الحرارة.

بالاستفادة من تأثير جول ، تم تصميم العديد من الأجهزة المنزلية والمعدات الصناعية ، حيث يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة وفقًا لهذا المبدأ ، مثل المواقد الكهربائية والمكاوي.

يستخدم قانون جول في تصميم المعدات لتقليل فقد الطاقة من خلال الحرارة.

التعرف قليلاً على جيمس جول:

جيمس بريسكوت جول (1818-1889)
كان فيزيائيًا بريطانيًا أجرى أبحاثًا في الديناميكا الحرارية والطاقة والكهرباء والمغناطيسية.
اكتشفوا مع ويليام طومسون ما يسمى بتأثير جول - طومسون الذي أثبتوا من خلاله أنه من الممكن تبريد الغاز عند التمدد دون القيام بعمل خارجي ، وهو مبدأ أساسي لتطوير الثلاجات ومكيفات الهواء الحالية. عمل مع اللورد كلفن لتطوير المقياس المطلق لدرجة الحرارة ، وساعد في تفسير النظرية الحركية للغازات.
تم تسمية الوحدة الدولية للطاقة والحرارة والعمل ، الجول ، على شرفه. [1]

قانون الجول

ماذا يقترح قانون جول؟

عندما يتدفق تيار كهربائي عبر عنصر ما ، فإن بعض الطاقة تتبدد على شكل حرارة. يسمح لنا قانون جول بتحديد كمية الحرارة التي تتبدد في عنصر ما نتيجة للتيار الكهربائي الذي يدور خلاله. انظر الشكل 1.

تشتت الحرارة بسبب تأثير التيار الكهربائي في الموصل

ينص قانون جول على أن الحرارة (Q) المتولدة في الموصل تتناسب مع مقاومته الكهربائية R ، مع مربع التيار الذي يمر عبره ، ومع الفترة الزمنية. انظر الشكل 2.

قانون الجول

التعبير الرياضي لقانون الجول

الحرارة التي تتبدد في عنصر ، عندما يدور تيار من خلاله ، تُعطى بالتعبير الرياضي في الشكل 3. مطلوب معرفة قيمة التيار الكهربائي الذي يدور خلال العنصر ، ومقاومته الكهربائية والفاصل الزمني لـ زمن. [اثنين].

التعبير الرياضي لقانون الجول

عند دراسة فقد الحرارة في عنصر ما ، يتم التعبير عنه عادةً على أنه تبديد الحرارة في وحدة "السعرات الحرارية" بدلاً من الجول. يوضح الشكل 4 معادلة تحديد كمية الحرارة في السعرات الحرارية.

مقدار الحرارة بالسعرات الحرارية

كيف يحدث الاحترار؟

عندما يدور تيار كهربائي عبر موصل ، تصطدم الشحنة الكهربية بذرات الموصل أثناء تحركها خلاله. بسبب هذه الصدمات ، يتم تحويل جزء من الطاقة إلى حرارة ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة المادة الموصلة. انظر الشكل 5.

ينتج عن تصادم الإلكترونات تسخين

كلما زاد تدفق التيار ، زادت الزيادة في درجة الحرارة ، وتشتت الحرارة. الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي المتدفق عبر الموصل هي مقياس للعمل الذي يقوم به التيار في التغلب على مقاومة الموصل.

يتطلب تحريك الشحنة الكهربائية مصدر جهد. يجب أن يوفر مصدر الجهد مزيدًا من الطاقة كلما زاد تشتت الحرارة. من خلال تحديد كمية الحرارة التي يتم إنتاجها ، يمكنك تحديد مقدار الطاقة التي يجب أن يوفرها مصدر الجهد.

تطبيقات قانون الجول

تأثير الجول في المصابيح المتوهجة

تصنع المصابيح المتوهجة عن طريق وضع خيوط تنجستن عالية الذوبان في لمبة زجاجية. عند درجة حرارة 500 درجة مئوية ، تصدر الأجسام ضوءًا ضارب إلى الحمرة يتحول إلى اللون الأبيض إذا زادت درجة الحرارة. عند وصول خيوط المصباح إلى 3.000 درجة مئوية ، ينبعث منها ضوء أبيض. يتم عمل فراغ عالي داخل الأمبولة ويتم وضع غاز خامل بحيث لا يحترق الفتيل.

تسمح الحرارة المنبعثة من التيار (تأثير جول) أثناء مروره عبر الفتيل المذكور بالوصول إلى درجة الحرارة اللازمة لحدوث التوهج ، وهو تأثير المواد التي تنبعث منها الضوء عند تعرضها لدرجات حرارة عالية. انظر الشكل 6.

تأثير الجول في المصابيح المتوهجة

من المهم اختيار المصباح المناسب لأكبر كفاءة استخدام الطاقة. في المصابيح المتوهجة ، يتم استخدام 15٪ فقط من الطاقة كحد أقصى ، ويتم تبديد باقي الطاقة الكهربائية في الحرارة. يتم تحويل 80 إلى 90٪ من مصابيح LED إلى طاقة ضوئية ، ويضيع 10٪ فقط عند التبديد على شكل حرارة. تعتبر مصابيح LED هي الخيار الأفضل ، حيث تتمتع بكفاءة أكبر للطاقة واستهلاك أقل للكهرباء. انظر الشكل 7. [3]

تأثير الجول - كفاءة الطاقة

ممارسة 1

للحصول على لمبة متوهجة 100 واط ، 110 فولت ، حدد:
أ) شدة التيار المتدفق عبر المصباح.
ب) الطاقة التي يستهلكها في الساعة.

الحل:

أ) التيار الكهربائي:

يستخدم التعبير عن الطاقة الكهربائية:

نحن ندعوك لمشاهدة مقال قانون واط للطاقة

قوة قانون واط (تطبيقات - تمارين) غلاف المقالة

صيغة الطاقة الكهربائية

بموجب قانون أوم ، يتم الحصول على قيمة المقاومة الكهربائية للمصباح:

ندعوكم لمشاهدة المقال قانون أوم وأسراره

قانون الفورمولا أوم
ب) الطاقة المستهلكة في الساعة

يحدد قانون جول مقدار الحرارة التي تتبدد في المصباح

صيغة الطاقة المستهلكة لكل ساعة

إذا كان 1 كيلوواط / ساعة = 3.600.000 جول ، فإن الطاقة المستهلكة في الساعة هي:

س = 0,002 كيلو واط ساعة

نتيجة:

أنا = 0,91 أ ؛ س = 0,002 كيلو واط ساعة

تأثير الجول - نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية

يتم نقل الطاقة الكهربائية ، التي يتم توليدها في المصنع ، بواسطة كابلات موصلة لاستخدامها لاحقًا في المنازل والشركات والصناعات. [4]

عندما يدور التيار ، تتبدد الحرارة بتأثير جول ، مما يفقد جزءًا من الطاقة في البيئة. كلما زاد التيار ، زادت الحرارة المتشتتة. لتجنب فقدان الطاقة ، يتم نقل التيارات عند تيارات منخفضة وجهود عالية تبلغ 380 كيلو فولت. هذا يحسن الكفاءة في نقل الطاقة الكهربائية. في المحطات الفرعية والمحولات يتم تقليلها إلى مستويات الجهد عند 110 فولت و 220 فولت لاستخدامها النهائي 25 أو 220 فولت). انظر الشكل 8.

تأثير الجول - كفاءة الطاقة

في العديد من الأجهزة ، يتم استخدام تأثير جول ، حيث يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة ، كما هو الحال في المكاوي الكهربائية ، وسخانات المياه ، والصمامات ، والمحامص ، والمواقد الكهربائية ، وغيرها. انظر الشكل 9.

الأجهزة التي تعمل باستخدام تأثير الجول

ممارسة 2

يتم استخدام مكواة كهربائية بقدرة 400 وات لمدة 10 دقائق. مع العلم أن المكواة متصلة بمأخذ كهربائي بجهد 110 فولت ، حدد:

أ) شدة التيار المتدفق عبر الحديد.
ب) مقدار الحرارة التي يبددها الحديد
.

الحل:

التيار الكهربائي

يستخدم التعبير عن الطاقة الكهربائية:

ع = السادس

الطاقة الكهربائية

بموجب قانون أوم ، يتم الحصول على قيمة المقاومة الكهربائية للمصباح:

صيغة قانون أوم

حرارة

يحدد قانون جول كمية الحرارة التي تتبدد في اللوح. إذا كانت الدقيقة تحتوي على 60 ثانية ، فإن 10 دقائق = 600 ثانية.

صيغة قانون جول

إذا كان 1 كيلوواط / ساعة = 3.600.000 جول ، فإن الحرارة المنبعثة هي:

س = 0,07 كيلو واط ساعة

استنتاجات

ينص قانون جول على أن الحرارة الناتجة عن تيار كهربائي عندما يدور عبر موصل تتناسب طرديًا مع مربع شدة التيار ، مضروبة في المقاومة والوقت الذي يستغرقه التيار للدوران. تكريمًا لـ Joule ، تسمى وحدة الطاقة في النظام الدولي الآن "Joule".

تستخدم العديد من الأجهزة "تأثير الجول"، من خلال توليد الحرارة عن طريق تمرير التيار عبر موصل ، مثل الأفران ، والمواقد ، والمحامص ، والألواح ، وغيرها.

ندعوك لترك تعليقاتك وأسئلتك حول هذا الموضوع المثير للاهتمام.

المراجع

[1][2][3][4]

الوظائف ذات الصلة

ترك تعليق

A %d بلوغويروس ليس غوستا إستو: