Joule'i seaduse "Rakendused - harjutused" kuumus
Joule uuris mõju, mis tekib elektrivoolu ringlemisel dirigent ja nii kehtestatud tuntud Joule'i seadusega. Kui elektrilaeng liigub läbi juhi, siis elektronid põrkuvad kokku, tekitades soojust.
Joule-efekti kasutades on välja töötatud mitu kodumasinat ja tööstusseadet, kus elektrienergia muundatakse selle põhimõttega soojuseks, näiteks elektripliidid ja triikrauad.
Joule'i seadust kasutatakse seadmete projekteerimisel, et vähendada soojusenergia kadusid.
James Joule'iga veidi tutvumine:
James Prescott Joule (1818–1889)
Ta oli Suurbritannia füüsik, kes viis läbi termodünaamika, energia, elektri ja magnetismi alaseid uuringuid.
Koos William Thomsoniga avastasid nad nn Joule - Thomsoni efekti, mille abil nad näitasid, et paisumisel on võimalik gaasi jahutada ilma välistööd tegemata, mis on praeguste külmikute ja konditsioneeride väljatöötamise aluspõhimõte. Ta töötas koos lord Kelviniga absoluutse temperatuuriskaala väljatöötamiseks, aitas selgitada gaaside kineetilist teooriat.
Tema auks nimetati rahvusvaheline energia, soojuse ja töö ühik, džaul. [1]
Joule'i seadus
Mida pakub Joule'i seadus?
Kui elektrivool voolab läbi elemendi, hajub osa energiast soojusena. Joule'i seadus lubab meil määrata elemendis hajuva soojushulga selle kaudu ringleva elektrivoolu tagajärjel. Vaata joonist 1.
Joule'i seadus ütleb, et juhis tekkiv soojus (Q) on proportsionaalne selle elektritakistuse R, seda läbiva voolu ruudu ja ajaintervalliga. Vaata joonist 2.
Joule'i seaduse matemaatiline väljendus
Soojus, mis elemendis hajub, kui vool selle kaudu ringleb, antakse joonisel 3 toodud matemaatilise avaldise abil. See peab teadma elemendi kaudu ringleva elektrivoolu väärtust, selle elektritakistust ja intervalli intervalli. aeg. [kaks].
Soojuskadude uurimisel elemendis väljendatakse seda tavaliselt ühikutes "kalorite" hajutatud soojuse asemel Joule. Joonis 4 näitab valemit soojushulga määramiseks kaloritena.
Kuidas toimub soojenemine?
Kui elektrivool voolab läbi juhi, põrkub elektrilaeng läbi selle liikumisel juhi aatomitega. Nende šokkide tõttu muundatakse osa energiast soojuseks, tõstes juhtiva materjali temperatuuri. Vaata joonist 5.
Mida rohkem voolu voolab, seda suurem on temperatuuri tõus ja seda rohkem soojust hajutatakse. Juhi kaudu voolava elektrivoolu poolt toodetud soojus on voolu poolt juhi takistuse ületamiseks tehtud töö mõõt.
Elektrilaengu liigutamiseks on vaja pingeallikat. Pingeallikas peab andma rohkem energiat, seda rohkem soojust hajub. Määrates, kui palju soojust toodetakse, saate määrata, kui palju energiat peab pingeallikas tarnima.
Joule'i seaduste rakendused
Joule-efekt hõõglampides
Hõõglambid valmistatakse, sulatades klaaspirni kõrgelt sulava volframniidi. 500 ºC temperatuuril kiirgavad kehad punakat valgust, mis temperatuuri tõustes muutub valgeks. Pirni hõõgniit kiirgab 3.000 ºC saavutamisel valget valgust. Ampulli sees tehakse kõrge vaakum ja asetatakse inertgaas, et hõõgniit ei põleks.
Hõõgniidi läbides annab voolu eraldatav soojus (Joule-efekt) selle temperatuurini, mis on vajalik hõõgumise tekkimiseks, mis on materjalide mõju, mis kiirgab valgust kõrgel temperatuuril. Vaata joonist 6.
Suurema jaoks on oluline valida sobiv pirn energiatõhusust. Hõõglampides kasutatakse ainult maksimaalselt 15% energiast, ülejäänud elektrienergia hajub kuumuses. Led-pirnides muundatakse 80–90% valgusenergiaks, vaid 10% raisatakse soojuse kujul hajumisel. Parimad võimalused on lambipirnid, millel on suurem energiatõhusus ja väiksem elektritarbimine. Vaata joonist 7. [3]
1i treening
100 W 110 V hõõglambi jaoks määrake:
a) Pirni läbiva voolu intensiivsus.
b) Energia, mida see tunnis kulutab.
lahendus:
a) elektrivool:
Kasutatakse elektrienergia väljendit:
Kutsume teid tutvuma artikliga Wati seaduse energia
Ohmi seaduse järgi saadakse pirni elektritakistuse väärtus:
kutsume teid artiklit vaatama Ohmi seadus ja selle saladused
b) tunnis tarbitud energia
Joule'i seadusega määratakse pirnis hajuv soojushulk
Kui 1 kilovatt-tund = 3.600.000 XNUMX XNUMX džauli, on tunnis tarbitav energia:
Q = 0,002 kWh
Tulemus:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Joule-efekt - elektrienergia edastamine ja jaotamine
Jaamas tekkiv elektrienergia transporditakse juhtivate kaablite abil, mida kasutatakse hiljem kodudes, ettevõtetes ja tööstuses. [4]
Voolu ringlemisel hajub soojus Joule-efekti abil, kaotades osa energiast keskkonnale. Mida suurem on vool, seda suurem on soojus, mis hajub. Energiakadude vältimiseks transporditakse voolu madalate voolude ja 380 kV kõrgepinge korral. See parandab elektrienergia transpordi efektiivsust. Alajaamades ja trafodes vähendatakse nende lõppkasutuseks pingetasemeid 110 V ja 220 V (25 või 220 volti). Vaata joonist 8.
Paljudes seadmetes kasutatakse Joule-efekti, kus elektrienergia muundatakse soojuseks, näiteks elektripliitides, veesoojendites, kaitsmetes, rösterites, elektripliitides. Vaata joonist 9.
2i treening
400W elektrirauda kasutatakse 10 minutit. Teades, et triikraud on ühendatud 110 V pistikupesaga, määrake:
a) rauast läbi voolava voolu intensiivsus.
b) rauast eraldatud soojushulk.
lahendus:
Elektrivool
Kasutatakse elektrienergia väljendit:
p = vi
Ohmi seaduse järgi saadakse pirni elektritakistuse väärtus:
Kalor
Joule'i seadus määrab plaadil hajuva soojushulga. Kui minut sisaldab 60 sekundit, siis 10 minutit = 600 s.
Kui 1 kilovatt-tund = 3.600.000 XNUMX XNUMX džauli, eraldub soojus:
Q = 0,07 kWh
Järeldused
Joule'i seadus ütleb, et elektrivoolu tekitatud soojus, kui see ringleb läbi juhi, on otseselt proportsionaalne voolu intensiivsuse ruuduga, korrutatuna takistuse ja ajaga, mis kulub voolu ringlemiseks. Austuseks Joule'ile nimetatakse energiaühikut rahvusvahelises süsteemis nüüd jouleks.
Paljud seadmed kasutavaddžauliefekt”Soojuse tekitamise kaudu voolu juhtme kaudu, näiteks ahjud, pliidid, rösterid, plaadid.
Kutsume teid üles jätma oma kommentaarid ja küsimused selle huvitava teema kohta.