La chaleur de la loi de Joule "Applications - Exercices"
Joule a étudié l'effet produit lorsqu'un courant électrique circule à travers un chef d'orchestre et ainsi établi par la célèbre loi Joule. Lorsque la charge électrique se déplace à travers un conducteur, les électrons entrer en collision les uns avec les autres générant de la chaleur.
En utilisant l'effet Joule, plusieurs appareils électroménagers et équipements industriels ont été conçus, où l'énergie électrique est convertie en chaleur par ce principe, comme des cuisinières électriques et des fers à repasser.
La loi de Joule est utilisée dans la conception des équipements pour réduire les pertes d'énergie par la chaleur.
Connaître un peu James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
C'était un physicien britannique qui a mené des recherches sur la thermodynamique, l'énergie, l'électricité et le magnétisme.
En collaboration avec William Thomson, ils ont découvert le soi-disant effet Joule-Thomson par lequel ils ont démontré qu'il était possible de refroidir un gaz lors de l'expansion sans faire de travail externe, un principe de base du développement des réfrigérateurs et des climatiseurs actuels. Il a travaillé avec Lord Kelvin pour développer l'échelle absolue de température, a aidé à expliquer la théorie cinétique des gaz.
L'unité internationale d'énergie, de chaleur et de travail, le joule, a été nommée en son honneur. [1]
Loi de Joule
Que propose la loi de Joule?
Lorsqu'un courant électrique traverse un élément, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. La loi de Joule nous permet de déterminer la quantité de chaleur dissipée dans un élément, en raison du courant électrique qui y circule. Voir la figure 1.
La loi de Joule stipule que la chaleur (Q) générée dans un conducteur est proportionnelle à sa résistance électrique R, au carré du courant qui le traverse et à l'intervalle de temps. Voir la figure 2.
Expression mathématique de la loi de Joule
El calor que se disipa en un elemento, cuando circula una corriente a través de él, viene dado por la expresión matemática de la figura 3. Se requiere conocer el valor de la corriente eléctrica que circula por el elemento, su resistencia eléctrica y el intervalo temps. [deux].
Lors de l'étude de la perte de chaleur dans un élément, elle est généralement exprimée en chaleur dissipée en unité «calorie» au lieu de en Joule. La figure 4 montre la formule pour déterminer la quantité de chaleur en calories.
Comment se produit le réchauffement?
Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur, la charge électrique entre en collision avec les atomes du conducteur lorsqu'ils se déplacent à travers. En raison de ces chocs, une partie de l'énergie est convertie en chaleur, augmentant la température du matériau conducteur. Voir la figure 5.
Plus le courant circule, plus la température augmente et plus la chaleur est dissipée. La chaleur produite par le courant électrique circulant à travers un conducteur est une mesure du travail effectué par le courant pour surmonter la résistance du conducteur.
Le déplacement de la charge électrique nécessite une source de tension. La source de tension doit fournir plus de puissance plus la chaleur se dissipe. En déterminant la quantité de chaleur produite, vous pouvez déterminer la quantité d'énergie que la source de tension doit fournir.
Applications de la loi Joule
Effet Joule dans les ampoules à incandescence
Les ampoules à incandescence sont fabriquées en plaçant un filament de tungstène à point de fusion élevé dans une ampoule en verre. À une température de 500 ºC, les corps émettent une lumière rougeâtre, qui évolue vers le blanc si la température augmente. Le filament de l'ampoule, lorsqu'il atteint 3.000 XNUMX ºC, émet une lumière blanche. À l'intérieur de l'ampoule, un vide poussé est réalisé et un gaz inerte est placé de sorte que le filament ne brûle pas.
La chaleur dégagée par le courant (effet Joule) lors de son passage dans ledit filament lui permet d'atteindre la température nécessaire à l'incandescence, effet des matériaux à émettre de la lumière lorsqu'ils sont soumis à des températures élevées. Voir la figure 6.
Il est important de choisir la bonne ampoule pour une plus L'efficacité énergétique. Dans les ampoules à incandescence, seul un maximum de 15% de l'énergie est utilisé, le reste de l'énergie électrique est dissipé en chaleur. Dans les ampoules à led, 80 à 90% sont transformés en énergie lumineuse, seulement 10% sont gaspillés lorsqu'ils se dissipent sous forme de chaleur. Les ampoules LED sont la meilleure option, ayant une plus grande efficacité énergétique et une consommation électrique réduite. Voir la figure 7. [3]
exercice 1
Pour une ampoule à incandescence de 100 W, 110 V, déterminez:
a) L'intensité du courant traversant l'ampoule.
b) L'énergie qu'il consomme par heure.
solution:
a) Courant électrique:
L'expression de puissance électrique est utilisée:
Nous vous invitons à consulter l'article de Énergie de la loi de Watt
Par la loi d'Ohm, la valeur de la résistance électrique de l'ampoule est obtenue:
nous vous invitons à voir l'article La loi d'Ohm et ses secrets
b) Énergie consommée par heure
La loi de Joule détermine la quantité de chaleur dissipée dans l'ampoule
Si 1 Kilowatt-heure = 3.600.000 Joules, l'énergie consommée par heure est:
Q = 0,002 kWh
Résulter:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Effet Joule - Transmission et distribution d'énergie électrique
L'énergie électrique, qui est générée dans une usine, est transportée par des câbles conducteurs pour être utilisée plus tard dans les foyers, les entreprises et les industries. [4]
Au fur et à mesure que le courant circule, la chaleur est dissipée par effet Joule, perdant une partie de l'énergie au profit de l'environnement. Plus le courant est élevé, plus la chaleur dissipée est importante. Pour éviter les pertes d'énergie, les courants sont transportés à des courants faibles et des tensions élevées de 380 kV. Cela améliore l'efficacité du transport de l'énergie électrique. Dans les sous-stations et les transformateurs, ils sont réduits aux niveaux de tension à 110 V et 220 V pour leur utilisation finale25 ou 220 volts). Voir la figure 8.
Dans de nombreux appareils, l'effet Joule est utilisé, où l'énergie électrique est transformée en chaleur, comme dans les fers à repasser électriques, les chauffe-eau, les fusibles, les grille-pain, les cuisinières électriques, entre autres. Voir la figure 9.
exercice 2
Un fer à repasser électrique de 400W est utilisé pendant 10 minutes. Sachant que le fer est connecté à une prise électrique de 110 V, déterminez:
a) L'intensité du courant traversant le fer.
b) La quantité de chaleur dissipée par le fer.
solution:
Courant électrique
L'expression de puissance électrique est utilisée:
p = vi
Par la loi d'Ohm, la valeur de la résistance électrique de l'ampoule est obtenue:
Chaleur
La loi de Joule détermine la quantité de chaleur dissipée dans la plaque. Si une minute contient 60 secondes, alors 10 minutes = 600 s.
Si 1 Kilowatt-heure = 3.600.000 Joules, la chaleur dégagée est:
Q = 0,07 kWh
Conclusions
La loi de Joule stipule que la chaleur produite par un courant électrique lorsqu'il circule à travers un conducteur est directement proportionnelle au carré de l'intensité du courant, multiplié par la résistance et le temps nécessaire au courant pour circuler. En hommage à Joule, l'unité d'énergie du système international s'appelle désormais «Joule».
De nombreux appareils utilisent le "effet joule», En générant de la chaleur en faisant passer le courant à travers un conducteur, comme les fours, les cuisinières, les grille-pain, les assiettes, entre autres.
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