De hitte van de wet van Joule "Toepassingen - Oefeningen"
Joule heeft het effect bestudeerd dat ontstaat wanneer er een elektrische stroom doorheen circuleert een dirigent en zo gevestigd door de bekende Joule-wet. Terwijl de elektrische lading door een geleider beweegt, gaan de elektronen botsen met elkaar waarbij warmte wordt gegenereerd.
Gebruikmakend van het joule-effect zijn er meerdere huishoudelijke apparaten en industriële apparatuur ontworpen, waarbij door dit principe elektrische energie wordt omgezet in warmte, zoals elektrische fornuizen en strijkijzers.
De wet van Joule wordt gebruikt bij het ontwerpen van apparatuur om energieverliezen door warmte te verminderen.
James Joule een beetje leren kennen:
James Prescott Joule (1818-1889)
Hij was een Britse natuurkundige die onderzoek deed op het gebied van thermodynamica, energie, elektriciteit en magnetisme.
Samen met William Thomson ontdekten ze het zogenaamde Joule-Thomson-effect waarmee ze aantoonden dat het mogelijk was om een gas te koelen bij expansie zonder extern werk te doen, een basisprincipe van de ontwikkeling van huidige koelkasten en airconditioners. Hij werkte samen met Lord Kelvin om de absolute temperatuurschaal te ontwikkelen, hielp bij het verklaren van de kinetische theorie van gassen.
De internationale eenheid van energie, warmte en werk, de joule, werd naar hem vernoemd. [1]
De wet van Joule
Wat stelt de wet van Joule voor?
Wanneer een elektrische stroom door een element stroomt, wordt een deel van de energie als warmte afgevoerd. De wet van Joule stelt ons in staat om de hoeveelheid warmte te bepalen die in een element wordt gedissipeerd als gevolg van de elektrische stroom die erdoorheen circuleert. Zie figuur 1.
De wet van Joule stelt dat de warmte (Q) die wordt gegenereerd in een geleider evenredig is met zijn elektrische weerstand R, met het kwadraat van de stroom die er doorheen gaat, en met het tijdsinterval. Zie figuur 2.
Wiskundige uitdrukking van de wet van Joule
De warmte die wordt gedissipeerd in een element, wanneer er een stroom doorheen circuleert, wordt gegeven door de wiskundige uitdrukking in figuur 3. Het is vereist om de waarde te kennen van de elektrische stroom die door het element circuleert, de elektrische weerstand en het interval van tijd. [twee].
Bij het bestuderen van het warmteverlies in een element, wordt dit meestal uitgedrukt als de warmte die wordt gedissipeerd in de eenheid "calorie" in plaats van in joule. Figuur 4 toont de formule voor het bepalen van de hoeveelheid warmte in calorieën.
Hoe vindt opwarming plaats?
Wanneer een elektrische stroom door een geleider vloeit, botst de elektrische lading met de atomen van de geleider terwijl ze erdoorheen bewegen. Door deze schokken wordt een deel van de energie omgezet in warmte, waardoor de temperatuur van het geleidende materiaal stijgt. Zie figuur 5.
Hoe meer stroom er vloeit, hoe groter de temperatuurstijging en hoe meer warmte wordt afgevoerd. De warmte die wordt geproduceerd door de elektrische stroom die door een geleider stroomt, is een maat voor het werk dat wordt gedaan door de stroom die de weerstand van de geleider overwint.
Het verplaatsen van de elektrische lading vereist een spanningsbron. De spanningsbron moet meer vermogen leveren naarmate er meer warmte wordt afgevoerd. Door te bepalen hoeveel warmte er wordt geproduceerd, kun je bepalen hoeveel energie de spanningsbron moet leveren.
De wettoepassingen van Joule
Joule-effect in gloeilampen
Gloeilampen worden gemaakt door een hoogsmeltende wolfraamgloeidraad in een glazen bol te plaatsen. Bij een temperatuur van 500 ºC zenden lichamen een roodachtig licht uit, dat wit wordt als de temperatuur stijgt. De gloeidraad van de gloeilamp straalt bij het bereiken van 3.000 ºC wit licht uit. Binnenin de ampul wordt een hoog vacuüm gemaakt en wordt een inert gas geplaatst zodat het filament niet verbrandt.
De warmte die wordt afgegeven door de stroom (joule-effect) wanneer deze door het genoemde filament gaat, stelt het in staat om de temperatuur te bereiken die nodig is voor het ontstaan van gloeiing, een effect van materialen die licht uitstralen wanneer ze aan hoge temperaturen worden blootgesteld. Zie figuur 6.
Het is belangrijk om de juiste lamp te kiezen voor meer energie-efficiëntie. Bij gloeilampen wordt slechts maximaal 15% van de energie gebruikt, de rest van de elektrische energie wordt in warmte afgevoerd. Bij led-lampen wordt 80 tot 90% omgezet in lichtenergie, slechts 10% gaat verloren bij het afvoeren in de vorm van warmte. Led-lampen zijn de beste optie, met een grotere energie-efficiëntie en een lager elektriciteitsverbruik. Zie figuur 7. [3]
Oefening 1
Bepaal voor een gloeilamp van 100 W, 110 V:
a) De intensiteit van de stroom die door de lamp vloeit.
b) De energie die het per uur verbruikt.
Oplossing:
a) Elektrische stroom:
De uitdrukking van elektrisch vermogen wordt gebruikt:
We nodigen je uit om het artikel van te zien Watt's Law Energy
Volgens de wet van Ohm wordt de waarde van de elektrische weerstand van de lamp verkregen:
we nodigen je uit om het artikel te zien De wet van Ohm en zijn geheimen
b) Verbruikte energie per uur
De wet van Joule bepaalt de hoeveelheid warmte die in de bol wordt afgevoerd
Als 1 kilowattuur = 3.600.000 joule, is het energieverbruik per uur:
Q = 0,002 kWh
Resultaat:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Joule-effect - Transmissie en distributie van elektrische energie
De elektrische energie die in een installatie wordt opgewekt, wordt via geleidende kabels getransporteerd om later in woningen, bedrijven en industrieën te worden gebruikt. [4]
Terwijl de stroom circuleert, wordt warmte afgevoerd door het joule-effect, waardoor een deel van de energie verloren gaat aan de omgeving. Hoe groter de stroom, hoe groter de warmte die wordt afgevoerd. Om energieverlies te voorkomen, worden stromen getransporteerd met lage stromen en hoge spanningen van 380 kV. Dit verbetert de efficiëntie bij het transport van elektrische energie. In onderstations en transformatoren worden ze teruggebracht tot de spanningsniveaus van 110 V en 220 V voor hun uiteindelijke gebruik (25 of 220 volt). Zie figuur 8.
In veel apparaten wordt het joule-effect gebruikt, waarbij elektrische energie wordt omgezet in warmte, zoals in elektrische strijkijzers, boilers, zekeringen, broodroosters, elektrische fornuizen, onder anderen. Zie figuur 9.
Oefening 2
Een strijkijzer van 400W wordt 10 minuten gebruikt. Wetende dat het strijkijzer is aangesloten op een stopcontact van 110 V, moet u bepalen:
a) De intensiteit van de stroom die door het strijkijzer vloeit.
b) De hoeveelheid warmte die door het strijkijzer wordt afgevoerd.
Oplossing:
Elektrische stroom
De uitdrukking van elektrisch vermogen wordt gebruikt:
p = vi
Volgens de wet van Ohm wordt de waarde van de elektrische weerstand van de lamp verkregen:
Calor
De wet van Joule bepaalt de hoeveelheid warmte die in de plaat wordt afgevoerd. Als een minuut 60 seconden bevat, dan is 10 minuten = 600 s.
Als 1 kilowattuur = 3.600.000 joule, is de warmte die vrijkomt:
Q = 0,07 kWh
Conclusies
De wet van Joule stelt dat de warmte die wordt geproduceerd door een elektrische stroom wanneer deze door een geleider circuleert, recht evenredig is met het kwadraat van de intensiteit van de stroom, maal de weerstand en de tijd die de stroom nodig heeft om te circuleren. Ter ere van Joule wordt de energie-eenheid in het internationale systeem nu "Joule" genoemd.
Veel apparaten gebruiken de 'joule-effect”, Door warmte te genereren door stroom door een geleider te laten gaan, zoals ovens, fornuizen, broodroosters, borden, onder anderen.
We nodigen u uit om uw opmerkingen en vragen over dit interessante onderwerp achter te laten.