Joulen lain "Sovellukset - Harjoitukset" kuumuus
Joule tutki vaikutusta, joka syntyy, kun sähkövirta kiertää läpi kapellimestari ja niin perustettu tunnetulla Joule-lailla. Kun sähkövaraus liikkuu johtimen läpi, elektronit törmäävät toisiinsa tuottaen lämpöä.
Joule-ilmiötä hyödyntämällä on suunniteltu useita kodinkoneita ja teollisuuslaitteita, joissa sähköenergia muuttuu lämpöksi tällä periaatteella, kuten sähköliedet ja silitysraudat.
Joulen lakia käytetään laitteiden suunnittelussa energian häviöiden vähentämiseksi lämmön avulla.
James Jouleen tutustuminen vähän:
James Prescott Joule (1818-1889)
Hän oli brittiläinen fyysikko, joka tutki termodynamiikkaa, energiaa, sähköä ja magnetismia.
Yhdessä William Thomsonin kanssa he löysivät niin kutsutun Joule - Thomson -vaikutuksen, jolla he osoittivat, että kaasua oli mahdollista jäähdyttää laajennettaessa tekemättä ulkoista työtä, mikä on nykyisten jääkaappien ja ilmastointilaitteiden kehityksen perusperiaate. Hän työskenteli lordi Kelvinin kanssa kehittäen absoluuttisen lämpötilan asteikon, auttoi selittämään kaasujen kineettisen teorian.
Hänen kunniakseen nimettiin kansainvälinen energian, lämmön ja työn yksikkö, joule. [1]
Joulen laki
Mitä Joulen laki ehdottaa?
Kun sähkövirta virtaa elementin läpi, osa energiasta haihtuu lämpönä. Joule-lain mukaan voimme määrittää elementissä haihtuvan lämmön määrän sen läpi kiertävän sähkövirran seurauksena. Katso kuva 1.
Joulen laki sanoo, että johtimessa syntyvä lämpö (Q) on verrannollinen sen sähköiseen vastukseen R, sen läpi kulkevan virran neliöön ja aikaväliin. Katso kuva 2.
Joulen lain matemaattinen ilmaisu
Lämpö, joka haihtuu elementissä, kun virta kiertää sen läpi, saadaan kuvion 3 matemaattiselta lausekkeelta. Sen on tiedettävä elementin läpi kiertävän sähkövirran arvo, sen sähköinen vastus ja aika. [kaksi].
Kun tutkitaan elementin lämpöhäviötä, se ilmaistaan tavallisesti yksikkönä "kalori" haihdutettuna lämpönä Jouleen sijaan. Kuvassa 4 on esitetty kaava lämmön määrän määrittämiseksi kaloreina.
Kuinka lämpeneminen tapahtuu?
Kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, sähkövaraus törmää johtimen atomeihin, kun ne liikkuvat sen läpi. Näiden iskujen vuoksi osa energiasta muuttuu lämmöksi, mikä nostaa johtavan materiaalin lämpötilaa. Katso kuva 5.
Mitä enemmän virtaa, sitä suurempi lämpötilan nousu ja sitä enemmän lämpöä häviää. Johtimen läpi virtaavan sähkövirran tuottama lämpö on mittaa virran tekemää työtä johtimen vastuksen voittamiseksi.
Sähkövarauksen siirtäminen vaatii jännitelähteen. Jännitelähteen on syötettävä enemmän virtaa, sitä enemmän lämpöä haihtuu. Määrittämällä kuinka paljon lämpöä tuotetaan, voit määrittää, kuinka paljon energiaa jännitelähteen on syötettävä.
Joulen lakisovellukset
Jouleefekti hehkulampuissa
Hehkulamput valmistetaan asettamalla korkealla sulava volframilanka hehkulamppuun. 500 ºC: n lämpötilassa elimet lähettävät punertavaa valoa, joka muuttuu valkoiseksi, jos lämpötila nousee. Lampun hehkulanka saavuttaa 3.000 ºC saavuttaen valkoista valoa. Ampullin sisään tehdään korkea tyhjiö ja sijoitetaan inertti kaasu niin, että hehkulanka ei pala.
Virran antama lämpö (Joule-ilmiö) sen kulkiessa mainitun filamentin läpi antaa sen saavuttaa lämpötilan, joka on välttämätön hehkumisen esiintymiselle, materiaalien vaikutuksesta, joka lähettää valoa korkeissa lämpötiloissa. Katso kuva 6.
On tärkeää valita oikea polttimo suuremmaksi energiatehokkuutta. Hehkulampuissa käytetään vain enintään 15% energiasta, loput sähköenergiasta haihtuu lämpöön. Led-lampuissa 80-90% muunnetaan valoenergiaksi, vain 10% hukkaan haihdutettaessa lämmön muodossa. Led-polttimot ovat paras vaihtoehto, jolla on parempi energiatehokkuus ja pienempi sähkönkulutus. Katso kuva 7. [3]
1-harjoitus
Määritä 100 W: n ja 110 V: n hehkulampulle:
a) Polttimon läpi virtaavan virran voimakkuus.
b) Energia, jonka se kuluttaa tunnissa.
ratkaisu:
a) Sähkövirta:
Sähkötehon ilmaisua käytetään:
Kutsumme sinut tutustumaan artikkeliin Watin lain energia
Ohmin lain mukaan polttimon sähkövastuksen arvo saadaan:
kutsumme sinut tutustumaan artikkeliin Ohmin laki ja sen salaisuudet
b) Tunnissa kulutettu energia
Joulen laki määrää lamppuun hukattavan lämmön määrän
Jos 1 kilowattitunti = 3.600.000 joulea, kulutus tunnissa on:
Q = 0,002 kWh
Tulos:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Jouleefekti - Sähköenergian siirto ja jakelu
Laitoksessa syntyvä sähköenergia kuljetetaan johtavilla kaapeleilla, joita käytetään myöhemmin kodeissa, yrityksissä ja teollisuudessa. [4]
Virran kiertäessä lämpö haihtuu Joule-vaikutuksella ja menettää osan energiasta ympäristöön. Mitä suurempi virta, sitä suurempi lämpö haihtuu. Energiahäviöiden välttämiseksi virrat kulkeutuvat pienillä virroilla ja 380 kV: n suurilla jännitteillä. Tämä parantaa sähköenergian kuljetuksen tehokkuutta. Sähköasemissa ja muuntajissa ne alennetaan 110 V: n ja 220 V: n jännitetasoille niiden loppukäyttöä varten 25 tai 220 volttia). Katso kuva 8.
Monissa laitteissa käytetään Joule-vaikutusta, jossa sähköenergia muuttuu lämmöksi, kuten muun muassa silitysraudoissa, vedenlämmittimissä, sulakkeissa, leivänpaahdimissa, sähköuunissa. Katso kuva 9.
2-harjoitus
400 W: n sähkörautaa käytetään 10 minuutin ajan. Kun tiedät, että silitysrauta on kytketty 110 V: n pistorasiaan, määritä:
a) Raudan läpi kulkevan virran voimakkuus.
b) Raudan hajauttama lämpömäärä.
ratkaisu:
Sähkövirta
Sähkötehon ilmaisua käytetään:
p = vi
Ohmin lain mukaan polttimon sähkövastuksen arvo saadaan:
lämpö
Joulen laki määrää levylle haihtuvan lämmön määrän. Jos minuutti sisältää 60 sekuntia, niin 10 minuuttia = 600 s.
Jos 1 kilowattitunti = 3.600.000 XNUMX XNUMX joulea, vapautuva lämpö on:
Q = 0,07 kWh
Päätelmät
Joule-lain mukaan sähkövirran tuottama lämpö, kun se kiertää johtimen läpi, on suoraan verrannollinen virran voimakkuuden neliöön, kerrotaan vastus ja aika, joka virran kiertämiseen kuluu. Kunnianosoituksena Joulelle kansainvälisen järjestelmän energiayksikköä kutsutaan nyt "Jouleiksi".
Monet laitteet käyttävätjoule-vaikutus”, Kehittämällä lämpöä johtamalla virta johtimen, kuten uunien, uunien, leivänpaahtimien, levyjen läpi.
Kutsumme sinut jättämään kommenttisi ja kysymyksesi tästä mielenkiintoisesta aiheesta.