La varmego de la Leĝo de Joule "Aplikoj - Ekzercoj"
Joule studis la efikon produktitan kiam elektra kurento cirkulas tra konduktoro kaj tiel establita de la konata Joule-leĝo. Dum la elektra ŝargo moviĝas tra kondukilo, la elektronoj kolizias inter si generante varmon.
Uzante la efekton Joule, estis projektitaj multaj hejmaj aparatoj kaj industria ekipaĵo, kie elektra energio transformiĝas en varmon per ĉi tiu principo, kiel elektraj kuiriloj kaj feroj.
Leĝo de Joule estas uzata en ekipa projektado por redukti energiperdojn per varmo.
Iomete ekkonas James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
Li estis brita fizikisto, kiu esploris pri termodinamiko, energio, elektro kaj magnetismo.
Kune kun William Thomson ili malkovris la tiel nomatan efekton Joule - Thomson, per kiu ili pruvis, ke eblas malvarmigi gason dum ekspansio sen fari eksteran laboron, baza principo de la disvolviĝo de nunaj fridujoj kaj klimatiziloj. Li laboris kun Lord Kelvin por disvolvi la absolutan skalon de temperaturo, helpis klarigi la kinetan teorion de gasoj.
La internacia unuo de energio, varmo kaj laboro, la ĵulo, estis nomumita honore al li. [1]
Leĝo de Joule
Kion proponas la Leĝo de Joule?
Kiam elektra kurento fluas tra elemento, iom da la energio disiĝas kiel varmo. La leĝo de Joule permesas al ni determini la kvanton de varmego disipita en elemento, kiel rezulto de la elektra kurento, kiu cirkulas tra ĝi. Vidu figuron 1.
Leĝo de Joule asertas, ke la varmo (Q) generita en kondukilo estas proporcia al sia elektra rezisto R, al la kvadrato de la kurento, kiu trapasas ĝin, kaj al la tempintervalo. Vidu figuron 2.
Matematika esprimo de la Leĝo de Joule
La varmo disipita en elemento, kiam kurento cirkulas tra ĝi, estas donita per la matematika esprimo en figuro 3. Oni devas scii la valoron de la elektra kurento cirkulanta tra la elemento, ĝia elektra rezisto kaj la intervalo de tempo. [du].
Kiam oni studas la varmoperdon en elemento, ĝi kutime esprimiĝas kiel la varmego disipita en la unuo "kalorio" anstataŭ en Jouulo. Figuro 4 montras la formulon por determini la kvanton de varmo en kalorioj.
Kiel okazas varmiĝo?
Kiam elektra kurento fluas tra konduktilo, la elektra ŝargo kolizias kun la atomoj de la konduktoro dum ili moviĝas tra ĝi. Pro ĉi tiuj ŝokoj, parto de la energio transformiĝas en varmon, pliigante la temperaturon de la konduka materialo. Vidu figuron 5.
Ju pli da fluoj fluas, des pli granda estas la temperaturo, kaj des pli da varmego disiĝas. La varmo produktita de la elektra kurento fluanta tra kondukilo estas mezuro de la laboro farita de la kurento superante la reziston de la konduktilo.
Movi la elektran ŝargon bezonas tensian fonton. La tensia fonto devas provizi pli da potenco ju pli da varmo disiĝas. Determinante kiom da varmego estas produktata, vi povas determini kiom da energio la tensia fonto devas provizi.
Leĝaj petoj de Joule
Efekto Joule en blankardaj ampoloj
Inkandeskaj bulboj estas faritaj per metado de alta degela volframfilamento en vitran bulbon. Je temperaturo de 500 ºC, korpoj elsendas ruĝetan lumon, kiu evoluas al blanka se la temperaturo pliiĝas. La filamento de la ampolo, atinginte 3.000 ºC, elsendas blankan lumon. En la ampolo fariĝas alta vakuo kaj inerta gaso estas metita tiel ke la filamento ne brulas.
La varmeco donita de la fluo (efiko Joule) dum ĝi trapasas menciitan filamenton permesas al ĝi atingi la necesan temperaturon por ke inkandesko okazu, efiko de materialoj por elsendi lumon kiam submetitaj al altaj temperaturoj. Vidu figuron 6.
Gravas elekti la ĝustan bulbon por pli granda energia efikeco. En blankardaj ampoloj nur maksimume 15% de la energio estas uzata, la resto de la elektra energio estas dispelita en varmo. En ledaj ampoloj 80 ĝis 90% transformiĝas en lumenergion, nur 10% malŝpariĝas disipiĝante en formo de varmo. Led-ampoloj estas la plej bona elekto, havante pli grandan energian efikecon kaj malpli grandan elektrokonsumon. Vidu figuron 7. [3]
1-ekzercado
Por blankarda ampolo de 100 W, 110 V, determinu:
a) La intenseco de la kurento fluanta tra la bulbo.
b) La energion, kiun ĝi konsumas hore.
Solvo:
a) Elektra kurento:
La esprimo de elektra potenco estas uzata:
Ni invitas vin vidi la artikolon de Watt's Law Energy
Laŭ la Leĝo de Ohm la valoro de la elektra rezisto de la ampolo ricevas:
ni invitas vin vidi la artikolon Leĝo de Ohm kaj ĝiaj sekretoj
b) Energio konsumita po horo
Leĝo de Joule determinas la kvanton de varmego disipita en la bulbo
Se 1 Kilovathoro = 3.600.000 leulo, la energio konsumita po horo estas:
Q = 0,002 kWh
Rezulto:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Efiko Joule - Transdono kaj distribuado de elektra energio
La elektra energio, kiu estas generita en planto, estas transportita per kondukaj kabloj por esti uzata poste en hejmoj, entreprenoj kaj industrioj. [4]
Dum la fluo cirkulas, varmeco disiĝas per la efiko Joule, perdante parton de la energio al la medio. Ju pli granda estas la kurento, des pli granda estas la varmego dispelita. Por eviti energiperdon, fluoj estas transportataj per malaltaj fluoj kaj altaj tensioj de 380 kV. Ĉi tio plibonigas la efikecon en la transporto de elektra energio. En substacioj kaj transformiloj ili estas reduktitaj al tensiaj niveloj je 110 V kaj 220 V por sia fina uzo 25 aŭ 220 voltoj). Vidu figuron 8.
En multaj aparatoj oni uzas la efekton Joule, kie elektra energio transformiĝas en varmon, ekzemple en elektraj feroj, akvovarmigiloj, fuzeoj, tostiloj, elektraj fornoj, inter aliaj. Vidu figuron 9.
2-ekzercado
Elektra fero de 400W estas uzata dum 10 minutoj. Sciante, ke la fero estas konektita al elektra elirejo de 110 V, determinu:
a) La intenseco de la kurento fluanta tra la fero.
b) La kvanto de varmego dispelita de la fero.
Solvo:
Elektra kurento
La esprimo de elektra potenco estas uzata:
p = vi
Laŭ la Leĝo de Ohm la valoro de la elektra rezisto de la ampolo ricevas:
Calor
Leĝo de Joule determinas la kvanton de varmego disipita en la plato. Se minuto enhavas 60 sekundojn, tiam 10 minutoj = 600 s.
Se 1 Kilovathoro = 3.600.000 leulo, la varmego liberigita estas:
Q = 0,07 kWh
Konkludoj
La Leĝo de Joule asertas, ke la varmo produktita de elektra kurento kiam ĝi cirkulas tra kondukilo estas rekte proporcia al la kvadrato de la intenseco de la kurento, fojoj de la rezisto kaj la tempo, kiun la kurento cirkulas. Omaĝe al leulo la energunuo en la internacia sistemo nun nomiĝas "leulo".
Multaj aparatoj uzas la "efiko de joule”, Per generado de varmo per kurento tra kondukilo, kiel fornoj, fornoj, tostiloj, platoj, inter aliaj.
Ni invitas vin lasi viajn komentojn kaj demandojn pri ĉi tiu interesa temo.