Joule'o įstatymo „Programos - mankštos“ įkarštis
Joule tyrė efektą, kurį sukelia, kai cirkuliuoja elektros srovė dirigentas ir taip nustatytas gerai žinomo Džoulo įstatymu. Elektros krūviui judant per laidininką, elektronai susiduria vienas su kitu generuodami šilumą.
Naudojant Džoulo efektą, buvo suprojektuoti keli buitiniai prietaisai ir pramoninė įranga, kur elektros energija šiuo principu virsta šiluma, pavyzdžiui, elektrinėmis viryklėmis ir lygintuvais.
Joule'io įstatymas yra naudojamas projektuojant įrenginius, siekiant sumažinti šilumos nuostolius.
Truputį pažintis su Jamesu Joule:
James Prescott Joule (1818–1889)
Tai buvo britų fizikas, kuris atliko termodinamikos, energijos, elektros ir magnetizmo tyrimus.
Kartu su Williamu Thomsonu jie atrado vadinamąjį Joule - Thomson efektą, pademonstruodami, kad išsiplėtusias dujas buvo įmanoma atvėsinti neatliekant išorinio darbo, tai yra pagrindinis dabartinių šaldytuvų ir oro kondicionierių kūrimo principas. Jis kartu su lordu Kelvinu sukūrė absoliučią temperatūros skalę, padėjo paaiškinti kinetinę dujų teoriją.
Jo garbei buvo pavadintas tarptautinis energijos, šilumos ir darbo vienetas - joule. [1]
Džaulio įstatymas
Ką siūlo Džaulio įstatymas?
Kai elementu teka elektros srovė, dalis energijos išsisklaido kaip šiluma. Džaulio dėsnis leidžia mums nustatyti šilumos kiekį, kuris išsisklaido elemente dėl per jį cirkuliuojančios elektros srovės. Žr. 1 paveikslą.
Joule'io įstatymas teigia, kad laidininke generuojama šiluma (Q) yra proporcinga jo elektrinei varžai R, pro ją praeinančios srovės kvadratui ir laiko intervalui. Žr. 2 paveikslą.
Joule'o dėsnio matematinė išraiška
Šiluma, kuri išsisklaido elemente, kai srovė cirkuliuoja per ją, gaunama matematine išraiška 3 paveiksle. Reikia žinoti elementu cirkuliuojančios elektros srovės vertę, jo elektrinę varžą ir laikas. [du].
Tiriant elemento šilumos nuostolius, jis paprastai išreiškiamas kaip išsisklaidžiusi šiluma vienete „kalorija“, o ne „Joule“. 4 paveiksle parodyta šilumos kiekio kalorijose nustatymo formulė.
Kaip vyksta atšilimas?
Kai laidininku teka elektros srovė, elektrinis krūvis susiduria su laidininko atomais, kai jie juda per jį. Dėl šių sukrėtimų dalis energijos paverčiama šiluma, padidinant laidžios medžiagos temperatūrą. Žr. 5 paveikslą.
Kuo daugiau srovės teka, tuo labiau padidėja temperatūra ir išsisklaido daugiau šilumos. Šiluma, kurią sukuria laidininku tekanti elektros srovė, yra srovės atlikto darbo, įveikiant laidininko varžą, matas.
Norint perkelti elektrinį krūvį, reikia įtampos šaltinio. Įtampos šaltinis turi tiekti daugiau energijos, tuo daugiau šilumos išsklaido. Nustatydami, kiek pagaminama šilumos, galite nustatyti, kiek energijos turi tiekti įtampos šaltinis.
Džaulio įstatymai
Džaulio efektas kaitinamose lemputėse
Kaitinamosios lemputės gaminamos į stiklinę lemputę įdėjus stipriai tirpstančią volframo giją. 500 ºC temperatūroje kūnai skleidžia rausvą šviesą, kuri padidėja, kai tampa balta. Lemputės kaitinimo siūlas, pasiekęs 3.000 ° C, skleidžia baltą šviesą. Ampulės viduje padaromas didelis vakuumas ir dedamos inertinės dujos, kad kaitinimo siūlas nedegtų.
Šiluma, kurią skleidžia srovė (Džaulio efektas) eidama per minėtą giją, leidžia jai pasiekti temperatūrą, reikalingą įsiplieskimui atsirasti, o medžiagų poveikis skleidžia šviesą esant aukštai temperatūrai. Žr. 6 paveikslą.
Svarbu pasirinkti tinkamą lemputę didesnei energijos vartojimo efektyvumą. Kaitrinėse lemputėse sunaudojama tik 15% energijos, likusi elektros energija išsisklaido šilumoje. Švino lemputėse 80–90% virsta šviesos energija, tik 10% eikvojama išsklaidant šilumos pavidalu. Šviesos lemputės yra geriausias pasirinkimas, pasižymintis didesniu energijos vartojimo efektyvumu ir mažiau elektros energijos suvartojimu. Žr. 7 paveikslą. [3]
1 pratimas
100 W, 110 V kaitrinei lemputei nustatykite:
a) lempute tekančios srovės intensyvumas.
b) jos suvartojama energija per valandą.
Sprendimas:
a) Elektros srovė:
Naudojama elektros energijos išraiška:
Kviečiame jus pamatyti Vato dėsnio energija
Pagal Ohmo įstatymą gaunama elektros lemputės varža:
kviečiame pamatyti straipsnį Ohmo įstatymas ir jo paslaptys
b) suvartota energija per valandą
Džaulio įstatymas nustato šilumos kiekį, kuris išsklaidomas lemputėje
Jei 1 kilovatvalandė = 3.600.000 XNUMX XNUMX džaulių, per valandą sunaudojama energija yra:
Q = 0,002 kWh
Rezultatas:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Džaulio efektas - elektros energijos perdavimas ir paskirstymas
Elektros energija, gaminama gamykloje, perduodama laidžiaisiais kabeliais, kurie vėliau bus naudojami namuose, įmonėse ir pramonėje. [4]
Kai srovė cirkuliuoja, šilumą išsklaido Joule efektas, todėl dalis energijos prarandama aplinkai. Kuo didesnė srovė, tuo didesnė šiluma išsklaidoma. Siekiant išvengti energijos nuostolių, srovės perduodamos esant mažoms srovėms ir aukštai 380 kV įtampai. Tai pagerina elektros energijos transportavimo efektyvumą. Pastotėse ir transformatoriuose galutiniam naudojimui jie sumažinami iki 110 V ir 220 V įtampos lygių25 arba 220 voltų). Žr. 8 paveikslą.
Daugelyje prietaisų naudojamas „Joule“ efektas, kai elektros energija virsta šiluma, pavyzdžiui, elektriniuose lygintuvuose, vandens šildytuvuose, saugikliuose, skrudintuvuose, elektrinėse viryklėse ir kt. Žr. 9 paveikslą.
2 pratimas
400 W elektrinis lygintuvas naudojamas 10 minučių. Žinodami, kad lygintuvas prijungtas prie 110 V elektros lizdo, nustatykite:
a) geležimi tekančios srovės intensyvumas.
b) geležies išsklaidytas šilumos kiekis.
Sprendimas:
Elektros srovė
Naudojama elektros energijos išraiška:
p = vi
Pagal Ohmo įstatymą gaunama elektros lemputės varža:
Šiluma
Džaulio įstatymas nustato šilumos kiekį, kuris išsklaidomas plokštelėje. Jei minutėje yra 60 sekundžių, tada 10 minučių = 600 s.
Jei 1 kilovatvalandė = 3.600.000 XNUMX XNUMX džaulių, išskiriama šiluma yra:
Q = 0,07 kWh
Išvados
Joule'io įstatymas teigia, kad elektros srovės sukurta šiluma, kai ji cirkuliuoja per laidininką, yra tiesiogiai proporcinga srovės intensyvumo kvadratui, padauginus iš varžos ir laiko, kurio reikia srovei cirkuliuoti. Pagerbdamas Džaulį, energijos vienetas tarptautinėje sistemoje dabar vadinamas „Džauliu“.
Daugelis prietaisų naudoja „džaulio efektasGaminant šilumą, praleidžiant srovę per laidininką, pavyzdžiui, krosnis, virykles, skrudintuvus, plokštes.
Kviečiame palikti komentarus ir klausimus šia įdomia tema.