Zápal Jouleova zákona „Aplikace - cvičení“
Joule studoval účinek, ke kterému dochází, když prochází elektrický proud dirigent a tak stanovený známým zákonem Joule. Jak se elektrický náboj pohybuje vodičem, elektrony srazí se navzájem a vytvářejí teplo.
S využitím Jouleova efektu bylo navrženo několik domácích spotřebičů a průmyslových zařízení, kde se pomocí tohoto principu přeměňuje elektrická energie na teplo, například elektrické sporáky a žehličky.
Jouleův zákon se používá v konstrukci zařízení ke snížení energetických ztrát teplem.
Seznámení s Jamesem Joulem trochu:
James Prescott Joule (1818-1889)
Byl to britský fyzik, který prováděl výzkum v oblasti termodynamiky, energie, elektřiny a magnetismu.
Spolu s Williamem Thomsonem objevili takzvaný Joule-Thomsonův efekt, kterým demonstrovali, že při expanzi je možné ochladit plyn bez provedení externí práce, což je základní princip vývoje současných chladniček a klimatizací. Pracoval s lordem Kelvinem na vývoji absolutního rozsahu teploty, pomohl vysvětlit kinetickou teorii plynů.
Na jeho počest byla pojmenována mezinárodní jednotka energie, tepla a práce, joule. [1]
Jouleův zákon
Co navrhuje Jouleův zákon?
Když elektrický proud protéká prvkem, část energie se rozptýlí jako teplo. Jouleův zákon nám umožňuje určit množství tepla rozptýleného v prvku v důsledku elektrického proudu, který ním cirkuluje. Viz obrázek 1.
Jouleův zákon říká, že teplo (Q), které je generováno ve vodiči, je úměrné jeho elektrickému odporu R, druhé mocnině proudu, který prochází, a časovému intervalu. Viz obrázek 2.
Matematické vyjádření Jouleova zákona
Teplo, které se rozptýlí v prvku, když ním cirkuluje proud, je dáno matematickým výrazem na obrázku 3. Je nutné znát hodnotu elektrického proudu, který cirkuluje prvkem, jeho elektrický odpor a interval čas. [dva].
Při studiu tepelné ztráty v prvku se obvykle vyjadřuje jako teplo rozptýlené v jednotce „kalorie“ místo v Joule. Obrázek 4 ukazuje vzorec pro stanovení množství tepla v kaloriích.
Jak probíhá oteplování?
Když elektrický proud protéká vodičem, elektrický náboj se srazí s atomy vodiče při jejich pohybu. V důsledku těchto otřesů se část energie přeměňuje na teplo, čímž se zvyšuje teplota vodivého materiálu. Viz obrázek 5.
Čím více proudu protéká, tím větší je nárůst teploty a tím více tepla se odvádí. Teplo produkované elektrickým proudem protékajícím vodičem je měřítkem práce provedené proudem při překonávání odporu vodiče.
Pohyb elektrického náboje vyžaduje zdroj napětí. Zdroj napětí musí dodávat více energie, tím více tepla se rozptýlí. Určením toho, kolik tepla se vyprodukuje, můžete určit, kolik energie musí zdroj napětí dodávat.
Jouleovy právní aplikace
Jouleův efekt u žárovek
Žárovky se vyrábějí umístěním vysoce tajícího wolframového vlákna do skleněné baňky. Při teplotě 500 ° C vyzařují tělesa načervenalé světlo, které se při zvýšení teploty změní na bílé. Vlákno žárovky po dosažení 3.000 XNUMX ° C vydává bílé světlo. Uvnitř ampule je vytvořeno vysoké vakuum a je umístěn inertní plyn, aby se vlákno nespálilo.
Teplo vydávané proudem (Jouleův efekt) při průchodu uvedeným vláknem mu umožňuje dosáhnout teploty nezbytné pro vznik žhavení, což je účinek materiálů, které emitují světlo, když jsou vystaveny vysokým teplotám. Viz obrázek 6.
Je důležité zvolit správnou žárovku energetická účinnost. U žárovek se spotřebuje pouze maximálně 15% energie, zbytek elektrické energie se rozptýlí v teple. U LED žárovek je 80 až 90% přeměněno na světelnou energii, pouze 10% se promrhá, když se rozptýlí ve formě tepla. Nejlepší možností jsou LED žárovky, které mají vyšší energetickou účinnost a nižší spotřebu elektřiny. Viz obrázek 7. [3]
1 Cvičení
U žárovky 100 W a 110 V určete:
a) Intenzita proudu protékajícího žárovkou.
b) Energie, kterou spotřebovává za hodinu.
řešení:
a) Elektrický proud:
Používá se vyjádření elektrické energie:
Zveme vás k přečtení článku Wattův zákon Energie
Podle Ohmova zákona se získá hodnota elektrického odporu žárovky:
zveme vás k nahlédnutí do článku Ohmův zákon a jeho tajemství
b) Energie spotřebovaná za hodinu
Jouleův zákon určuje množství tepla rozptýleného v baňce
Pokud 1 kilowatthodina = 3.600.000 XNUMX XNUMX Joule, energie spotřebovaná za hodinu je:
Q = 0,002 kWh
Následek:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Jouleův efekt - Přenos a distribuce elektrické energie
Elektrická energie, která je generována v závodě, je transportována vodivými kabely, aby mohla být později použita v domácnostech, podnicích a průmyslových odvětvích. [4]
Jak proud cirkuluje, teplo se odvádí Jouleovým efektem a ztrácí část energie pro životní prostředí. Čím větší je proud, tím větší je teplo, které se rozptýlí. Aby se zabránilo ztrátám energie, proudy se přenášejí při nízkých proudech a vysokém napětí 380 kV. To zlepšuje účinnost při přenosu elektrické energie. V rozvodnách a transformátorech jsou sníženy na napěťové úrovně 110 V a 220 V pro jejich konečné použití 25 nebo 220 voltů). Viz obrázek 8.
U mnoha spotřebičů se používá Jouleův efekt, kdy se elektrická energie přeměňuje na teplo, například v elektrických žehličkách, ohřívačích vody, pojistkách, topinkovačech, elektrických sporácích. Viz obrázek 9.
2 Cvičení
400W elektrická žehlička se používá po dobu 10 minut. S vědomím, že žehlička je připojena k elektrické zásuvce 110 V, určete:
a) Intenzita proudu protékajícího železem.
b) Množství tepla rozptýleného železem.
řešení:
Elektrický proud
Používá se vyjádření elektrické energie:
p = vi
Podle Ohmova zákona se získá hodnota elektrického odporu žárovky:
Teplo
Jouleův zákon určuje množství tepla, které se rozptýlí v desce. Pokud minuta obsahuje 60 sekund, pak 10 minut = 600 s.
Pokud 1 kilowatthodina = 3.600.000 XNUMX XNUMX Joule, uvolněné teplo je:
Q = 0,07 kWh
Závěry
Jouleův zákon stanoví, že teplo produkované elektrickým proudem, když cirkuluje vodičem, je přímo úměrné druhé mocnině intenzity proudu, času odporu a času, který obíhá proud. Na počest Jouleho se jednotka energie v mezinárodním systému nyní nazývá „Joule“.
Mnoho zařízení používá „joule efekt„Generováním tepla procházejícím vodičem, jako jsou trouby, kamna, topinkovače, talíře atd.“
Zveme vás, abyste zanechali své komentáře a dotazy k tomuto zajímavému tématu.