Горещината на закона на Джоул "Приложения - упражнения"
Джоул изучава ефекта, който се получава, когато електрически ток циркулира през диригент и така установен от добре познатия закон на Джоул. Докато електрическият заряд се движи през проводник, електроните се сблъскват помежду си, генерирайки топлина.
Използвайки ефекта на Джоул, са проектирани множество домакински уреди и промишлено оборудване, при които електрическата енергия се превръща в топлина по този принцип, като електрически готварски печки и ютии.
Законът на Джоул се използва при проектирането на оборудването за намаляване на загубите на енергия чрез топлина.
Запознаване с Джеймс Джоул малко:
Джеймс Прескот Джоул (1818-1889)
Той е британски физик, който провежда изследвания в термодинамиката, енергетиката, електричеството и магнетизма.
Заедно с Уилям Томсън те откриват така наречения ефект на Джоул - Томсън, чрез който демонстрират, че е възможно охлаждане на газ при разширяване, без да се извършва външна работа, основен принцип за развитието на настоящите хладилници и климатици. Той работи с лорд Келвин, за да разработи абсолютната скала на температурата, помогна да обясни кинетичната теория на газовете.
В негова чест беше наречена международната единица за енергия, топлина и работа, джаулът. [1]
Законът на Джоул
Какво предлага законът на Джоул?
Когато електрически ток протича през елемент, част от енергията се разсейва като топлина. Законът на Джоул ни позволява да определим количеството топлина, което се разсейва в даден елемент, в резултат на електрическия ток, който циркулира през него. Вижте фигура 1.
Законът на Джоул гласи, че топлината (Q), която се генерира в проводник, е пропорционална на неговото електрическо съпротивление R, на квадрата на тока, който преминава през него, и на интервала от време. Вижте фигура 2.
Математически израз на закона на Джоул
Топлината, която се разсейва в даден елемент, когато през него циркулира ток, се дава от математическия израз на фигура 3. Необходимо е да се знае стойността на електрическия ток, който циркулира през елемента, неговото електрическо съпротивление и интервала на време. [две].
Когато се изследва топлинната загуба в даден елемент, тя обикновено се изразява като топлина, разсейвана в единицата "калория", вместо в джаул. Фигура 4 показва формулата за определяне на количеството топлина в калории.
Как се случва затоплянето?
Когато електрически ток протича през проводник, електрическият заряд се сблъсква с атомите на проводника, докато те се движат през него. Поради тези удари част от енергията се преобразува в топлина, повишавайки температурата на проводящия материал. Вижте фигура 5.
Колкото повече тече ток, толкова по-голямо е повишаването на температурата и толкова повече топлина се разсейва. Топлината, произведена от електрическия ток, преминаващ през проводник, е мярка за работата, извършена от тока при преодоляване на съпротивлението на проводника.
Преместването на електрическия заряд изисква източник на напрежение. Източникът на напрежение трябва да доставя повече енергия, колкото повече топлина се разсейва. Определяйки колко топлина се произвежда, можете да определите колко енергия трябва да доставя източникът на напрежение.
Законни приложения на Джоул
Джаулов ефект в крушки с нажежаема жичка
Крушките с нажежаема жичка се правят чрез поставяне на високотопима волфрамова нишка в стъклена крушка. При температура от 500 ºC телата излъчват червеникава светлина, която преминава в бяло, ако температурата се повиши. Нишката на крушката, когато достигне 3.000 ºC, излъчва бяла светлина. Вътре в ампулата се прави висок вакуум и се поставя инертен газ, така че нишката да не изгори.
Топлината, отделяна от тока (ефект на Джоул), когато преминава през споменатата нишка, му позволява да достигне температурата, необходима за настъпване на нажежаемост, ефект на материалите да излъчват светлина, когато са подложени на високи температури. Вижте фигура 6.
Важно е да изберете правилната крушка за по-голяма енергийна ефективност. В крушките с нажежаема жичка се използват само максимум 15% от енергията, останалата част от електрическата енергия се разсейва в топлина. В led крушки 80 до 90% се трансформира в светлинна енергия, само 10% се губи при разсейване под формата на топлина. Светодиодните крушки са най-добрият вариант, като имат по-голяма енергийна ефективност и по-ниска консумация на електроенергия. Вижте фигура 7. [3]
1 упражнение
За 100 W, 110 V крушка с нажежаема жичка определете:
а) Интензивността на тока, протичащ през крушката.
б) Енергията, която консумира на час.
Решение:
а) Електрически ток:
Използва се изразът електрическа мощност:
Каним ви да видите статията на Законът на Уат Енергия
По закона на Ом се получава стойността на електрическото съпротивление на крушката:
каним ви да видите статията Законът на Ом и неговите тайни
б) Консумирана енергия на час
Законът на Джоул определя количеството топлина, което се разсейва в крушката
Ако 1 киловатчас = 3.600.000 XNUMX XNUMX джаула, консумираната енергия на час е:
Q = 0,002 kWh
Резултат:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Джаулов ефект - Предаване и разпределение на електрическа енергия
Електрическата енергия, която се генерира в централа, се транспортира чрез проводящи кабели, за да се използва по-късно в домовете, бизнеса и промишлеността. [4]
Тъй като токът циркулира, топлината се разсейва от ефекта на Джоул, губейки част от енергията за околната среда. Колкото по-голям е токът, толкова по-голяма е топлината, която се разсейва. За да се избегнат загубите на енергия, токовете се транспортират при ниски токове и високи напрежения от 380 kV. Това подобрява ефективността при транспортиране на електрическа енергия. В подстанциите и трансформаторите те са намалени до нива на напрежение при 110 V и 220 V за крайното им използване 25 или 220 волта). Вижте фигура 8.
В много уреди се използва ефектът на Джоул, където електрическата енергия се трансформира в топлина, като например в ютии, бойлери, предпазители, тостери, електрически печки и др. Вижте фигура 9.
2 упражнение
Електрическа ютия с мощност 400 W се използва за 10 минути. Знаейки, че ютията е свързана към 110 V електрически контакт, определете:
а) Интензивността на тока, протичащ през желязото.
б) Количеството топлина, отделяно от желязото.
Решение:
Електрически ток
Използва се изразът електрическа мощност:
p = vi
По закона на Ом се получава стойността на електрическото съпротивление на крушката:
топлина
Законът на Джоул определя количеството топлина, което се разсейва в плочата. Ако една минута съдържа 60 секунди, тогава 10 минути = 600 s.
Ако 1 киловатчас = 3.600.000 XNUMX XNUMX джаула, отделената топлина е:
Q = 0,07 kWh
Заключения
Законът на Джоул гласи, че топлината, произведена от електрически ток, когато циркулира през проводник, е право пропорционална на квадрата на интензитета на тока, умножен по съпротивлението и времето, необходимо на циркулацията на тока. В знак на почит към Джоул, енергийната единица в международната система сега се нарича „Джоул“.
Много устройства използват „джаулов ефект”, Чрез генериране на топлина чрез преминаване на ток през проводник, като фурни, печки, тостери, плочи, наред с други.
Каним ви да оставите вашите коментари и въпроси по тази интересна тема.