Il calore della legge di Joule "Applicazioni - Esercizi"
Joule ha studiato l'effetto che si verifica quando circola una corrente elettrica un direttore d'orchestra e così stabilito dalla nota legge Joule. Mentre la carica elettrica si muove attraverso un conduttore, gli elettroni entrano in collisione generando calore.
Sfruttando l'effetto Joule, sono stati progettati più elettrodomestici e apparecchiature industriali, dove l'energia elettrica viene convertita in calore mediante questo principio, come cucine elettriche e ferri da stiro.
La legge di Joule viene utilizzata nella progettazione delle apparecchiature per ridurre le perdite di energia attraverso il calore.
Conoscere un po 'James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
Era un fisico britannico che ha condotto ricerche in termodinamica, energia, elettricità e magnetismo.
Insieme a William Thomson hanno scoperto il cosiddetto effetto Joule-Thomson con il quale hanno dimostrato che era possibile raffreddare un gas durante l'espansione senza fare lavori esterni, un principio fondamentale dello sviluppo degli attuali frigoriferi e condizionatori d'aria. Ha lavorato con Lord Kelvin per sviluppare la scala assoluta della temperatura, ha contribuito a spiegare la teoria cinetica dei gas.
L'unità internazionale di energia, calore e lavoro, il joule, è stata nominata in suo onore. [1]
Legge di Joule
Cosa propone la legge di Joule?
Quando una corrente elettrica scorre attraverso un elemento, parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore. La legge di Joule ci permette di determinare la quantità di calore che viene dissipata in un elemento, per effetto della corrente elettrica che lo attraversa. Vedi figura 1.
La legge di Joule afferma che il calore (Q) che si genera in un conduttore è proporzionale alla sua resistenza elettrica R, al quadrato della corrente che lo attraversa e all'intervallo di tempo. Vedi figura 2.
Espressione matematica della legge di Joule
Il calore che viene dissipato in un elemento, quando una corrente circola attraverso di esso, è dato dall'espressione matematica in figura 3. È necessario conoscere il valore della corrente elettrica che circola attraverso l'elemento, la sua resistenza elettrica e l'intervallo di tempo. [Due].
Quando si studia la perdita di calore in un elemento, di solito viene espressa come il calore dissipato nell'unità "caloria" invece che in Joule. La figura 4 mostra la formula per determinare la quantità di calore in calorie.
Come avviene il riscaldamento?
Quando una corrente elettrica scorre attraverso un conduttore, la carica elettrica si scontra con gli atomi del conduttore mentre si muovono attraverso di esso. A causa di questi urti, una parte dell'energia viene convertita in calore, aumentando la temperatura del materiale conduttivo. Vedi figura 5.
Maggiore è il flusso di corrente, maggiore è l'aumento della temperatura e più calore viene dissipato. Il calore prodotto dalla corrente elettrica che scorre attraverso un conduttore è una misura del lavoro svolto dalla corrente per superare la resistenza del conduttore.
Lo spostamento della carica elettrica richiede una fonte di tensione. La sorgente di tensione deve fornire più potenza maggiore è la dissipazione del calore. Determinando la quantità di calore prodotta, è possibile determinare quanta energia deve fornire la sorgente di tensione.
Applicazioni della legge di Joule
Effetto Joule nelle lampadine a incandescenza
Le lampadine a incandescenza sono realizzate inserendo un filamento di tungsteno ad alto punto di fusione in una lampadina di vetro. Ad una temperatura di 500 ºC, i corpi emettono una luce rossastra, che evolve in bianco se la temperatura aumenta. Il filamento della lampadina, al raggiungimento di 3.000 ºC, emette luce bianca. All'interno della fiala viene realizzato un alto vuoto e viene posto un gas inerte in modo che il filamento non bruci.
Il calore sprigionato dalla corrente (effetto Joule) mentre attraversa detto filamento gli consente di raggiungere la temperatura necessaria affinché si verifichi l'incandescenza, effetto dei materiali che emettono luce quando sottoposti ad alte temperature. Vedi figura 6.
È importante scegliere la lampadina giusta per una maggiore Efficienza energetica. Nelle lampadine a incandescenza viene utilizzato solo un massimo del 15% dell'energia, il resto dell'energia elettrica viene dissipata in calore. Nelle lampadine a led dall'80 al 90% si trasforma in energia luminosa, solo il 10% viene sprecato quando si dissipa sotto forma di calore. Le lampadine a led sono l'opzione migliore, avendo una maggiore efficienza energetica e un minor consumo di elettricità. Vedere la figura 7. [3]
Esercizio 1
Per una lampadina a incandescenza da 100 W, 110 V, determinare:
a) L'intensità della corrente che scorre attraverso la lampadina.
b) L'energia che consuma all'ora.
soluzione:
a) Corrente elettrica:
L'espressione di potenza elettrica viene utilizzata:
Vi invitiamo a vedere l'articolo di Legge di Watt energia
Per la legge di Ohm si ottiene il valore della resistenza elettrica del bulbo:
vi invitiamo a vedere l'articolo La legge di Ohm e i suoi segreti
b) Energia consumata all'ora
La legge di Joule determina la quantità di calore che viene dissipata nel bulbo
Se 1 Kilowattora = 3.600.000 Joule, l'energia consumata all'ora è:
Q = 0,002 kWh
Risultato:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Effetto Joule - Trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica
L'energia elettrica, che si genera in un impianto, viene trasportata da cavi conduttivi per essere successivamente utilizzata in abitazioni, aziende e industrie. [4]
Mentre la corrente circola, il calore viene dissipato dall'effetto Joule, perdendo parte dell'energia per l'ambiente. Maggiore è la corrente, maggiore è il calore dissipato. Per evitare perdite di energia, le correnti vengono trasportate a basse correnti e alte tensioni di 380 kV. Ciò migliora l'efficienza nel trasporto di energia elettrica. Nelle sottostazioni e nei trasformatori vengono ridotti ai livelli di tensione a 110 V e 220 V per il loro utilizzo finale25 o 220 volt). Vedi figura 8.
In molti apparecchi viene utilizzato l'effetto Joule, in cui l'energia elettrica viene trasformata in calore, come ferri da stiro elettrici, scaldabagni, fusibili, tostapane, stufe elettriche, tra gli altri. Vedi figura 9.
Esercizio 2
Un ferro da stiro elettrico da 400 W viene utilizzato per 10 minuti. Sapendo che il ferro è collegato a una presa elettrica da 110 V, determinare:
a) L'intensità della corrente che scorre attraverso il ferro.
b) La quantità di calore dissipata dal ferro.
soluzione:
Corrente elettrica
L'espressione di potenza elettrica viene utilizzata:
p = vi
Per la legge di Ohm si ottiene il valore della resistenza elettrica del bulbo:
calore
La legge di Joule determina la quantità di calore che viene dissipata nella piastra. Se un minuto contiene 60 secondi, 10 minuti = 600 s.
Se 1 Kilowattora = 3.600.000 Joule, il calore rilasciato è:
Q = 0,07 kWh
Conclusioni
La legge di Joule afferma che il calore prodotto da una corrente elettrica quando circola attraverso un conduttore è direttamente proporzionale al quadrato dell'intensità della corrente, moltiplicato per la resistenza e per il tempo impiegato dalla corrente per circolare. In omaggio a Joule l'unità di energia nel sistema internazionale è ora chiamata “Joule”.
Molti dispositivi utilizzano il "effetto joule"Generando calore facendo passare corrente attraverso un conduttore, come forni, stufe, tostapane, piatti, tra gli altri.
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