Ciepło prawa Joule'a „Zastosowania - ćwiczenia”
Joule zbadał efekt powstający, gdy przepływa prąd elektryczny dyrygent i tak ustanowiony przez dobrze znane prawo Joule'a. Gdy ładunek elektryczny przechodzi przez przewodnik, elektrony zderzają się ze sobą wytwarzając ciepło.
Wykorzystując efekt Joule'a zaprojektowano wiele urządzeń gospodarstwa domowego i urządzeń przemysłowych, w których energia elektryczna jest zamieniana na ciepło na tej zasadzie, takich jak kuchenki elektryczne i żelazka.
Prawo Joule'a jest stosowane w projektowaniu urządzeń w celu zmniejszenia strat energii przez ciepło.
Trochę poznajemy Jamesa Joule'a:
James Prescott Joule (1818-1889)
Był brytyjskim fizykiem, który prowadził badania z zakresu termodynamiki, energii, elektryczności i magnetyzmu.
Wraz z Williamem Thomsonem odkryli tak zwany efekt Joule-Thomsona, dzięki któremu wykazali, że można schłodzić gaz podczas rozprężania się bez wykonywania prac zewnętrznych, co jest podstawową zasadą rozwoju obecnych lodówek i klimatyzatorów. Pracował z lordem Kelvinem nad opracowaniem absolutnej skali temperatury, pomógł wyjaśnić kinetyczną teorię gazów.
Na jego cześć nazwano międzynarodową jednostkę energii, ciepła i pracy - dżul. [1]
Prawo Joule'a
Co proponuje prawo Joule'a?
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez element, część energii jest rozpraszana w postaci ciepła. Prawo Joule'a pozwala nam określić ilość ciepła, które jest rozpraszane w elemencie w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Zobacz rysunek 1.
Prawo Joule'a mówi, że ciepło (Q), które jest wytwarzane w przewodniku, jest proporcjonalne do jego rezystancji elektrycznej R, do kwadratu prądu, który przez niego przepływa, oraz do przedziału czasu. Zobacz rysunek 2.
Matematyczne wyrażenie prawa Joule'a
Ciepło, które jest rozpraszane w elemencie, gdy przepływa przez niego prąd, określa wyrażenie matematyczne na rysunku 3. Wymagana jest znajomość wartości prądu elektrycznego, który przepływa przez element, jego rezystancji elektrycznej i przedziału czas. [dwa].
Badając straty ciepła w elemencie, zwykle wyraża się je jako ciepło rozproszone w jednostce „kaloria” zamiast w dżulach. Rysunek 4 przedstawia wzór do określania ilości ciepła w kaloriach.
Jak zachodzi ocieplenie?
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, ładunek elektryczny zderza się z atomami przewodnika, gdy przez niego przechodzą. W wyniku tych wstrząsów część energii zamienia się na ciepło, zwiększając temperaturę materiału przewodzącego. Patrz rysunek 5.
Im większy przepływ prądu, tym większy wzrost temperatury i tym więcej ciepła jest rozpraszane. Ciepło wytwarzane przez prąd elektryczny przepływający przez przewodnik jest miarą pracy wykonywanej przez prąd w pokonywaniu rezystancji przewodnika.
Przemieszczanie ładunku elektrycznego wymaga źródła napięcia. Źródło napięcia musi dostarczać więcej mocy, im więcej ciepła rozprasza się. Określając ilość wytwarzanego ciepła, można określić, ile energii musi dostarczyć źródło napięcia.
Aplikacje prawne Joule'a
Efekt Joule'a w żarówkach
Żarówki są wytwarzane poprzez umieszczenie wysokotopliwego włókna wolframowego w szklanej bańce. W temperaturze 500 ° C ciała emitują czerwonawe światło, które zmienia się w białe, jeśli temperatura wzrasta. Żarnik żarówki po osiągnięciu 3.000 ºC emituje białe światło. Wewnątrz ampułki wytwarzana jest wysoka próżnia i umieszczany jest gaz obojętny, aby włókno się nie paliło.
Ciepło wydzielane przez prąd (efekt Joule'a), gdy przepływa przez wspomniany żarnik, pozwala mu osiągnąć temperaturę niezbędną do wystąpienia żarzenia, co jest efektem emitowania światła przez materiały pod wpływem wysokich temperatur. Patrz rysunek 6.
Ważne jest, aby wybrać odpowiednią żarówkę na większą efektywność energetyczna. W przypadku żarówek zużywa się maksymalnie 15% energii, reszta energii elektrycznej jest rozpraszana w postaci ciepła. W żarówkach led 80 do 90% jest przetwarzane na energię świetlną, tylko 10% jest marnowane podczas rozpraszania w postaci ciepła. Żarówki LED są najlepszą opcją, mają większą efektywność energetyczną i mniejsze zużycie energii elektrycznej. Patrz rysunek 7. [3]
Ćwiczenie 1
Dla żarówki 100 W, 110 V, określić:
a) Intensywność prądu przepływającego przez żarówkę.
b) Energia, którą zużywa na godzinę.
rozwiązanie:
a) Prąd elektryczny:
Używa się wyrażenia mocy elektrycznej:
Zapraszamy do zapoznania się z artykułem Energia prawa Watta
Zgodnie z prawem Ohma wartość oporu elektrycznego żarówki uzyskuje się:
zapraszamy do zapoznania się z artykułem Prawo Ohma i jego tajemnice
b) Energia zużyta na godzinę
Prawo Joule'a określa ilość ciepła rozpraszanego w bańce
Jeżeli 1 kilowatogodzina = 3.600.000 dżuli, energia zużywana na godzinę wynosi:
Q = 0,002 kWh
Wynikać:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Efekt Joule'a - przesyłanie i dystrybucja energii elektrycznej
Energia elektryczna, która jest wytwarzana w zakładzie, jest transportowana przewodami przewodzącymi i wykorzystywana później w domach, firmach i przemyśle. [4]
Gdy prąd krąży, ciepło jest rozpraszane przez efekt Joule'a, tracąc część energii na rzecz otoczenia. Im większy prąd, tym większe ciepło jest odprowadzane. Aby uniknąć strat energii, prądy są transportowane przy niskich prądach i wysokich napięciach 380 kV. Poprawia to efektywność transportu energii elektrycznej. W podstacjach i transformatorach są one redukowane do poziomów napięć 110 V i 220 V w celu ich ostatecznego wykorzystania25 lub 220 V). Patrz rysunek 8.
W wielu urządzeniach stosowany jest efekt Joule'a, w którym energia elektryczna jest zamieniana na ciepło, np. W żelazkach elektrycznych, podgrzewaczach wody, bezpiecznikach, tosterze, kuchenkach elektrycznych. Patrz rysunek 9.
Ćwiczenie 2
Żelazko elektryczne o mocy 400 W jest używane przez 10 minut. Wiedząc, że żelazko jest podłączone do gniazdka elektrycznego 110 V, określ:
a) Intensywność prądu przepływającego przez żelazko.
b) Ilość ciepła wydzielanego przez żelazko.
rozwiązanie:
Prąd elektryczny
Używa się wyrażenia mocy elektrycznej:
p = vi
Zgodnie z prawem Ohma wartość oporu elektrycznego żarówki uzyskuje się:
Ciepło
Prawo Joule'a określa ilość ciepła, które jest rozpraszane w płycie. Jeśli minuta zawiera 60 sekund, to 10 minut = 600 sekund.
Jeżeli 1 kilowatogodzina = 3.600.000 dżuli, uwolnione ciepło wynosi:
Q = 0,07 kWh
Wnioski
Prawo Joule'a mówi, że ciepło wytwarzane przez prąd elektryczny, gdy przepływa przez przewodnik, jest wprost proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu, pomnożonej przez opór i czas potrzebny na przepływ prądu. W hołdzie Joule jednostka energii w systemie międzynarodowym nazywa się teraz „Joule”.
Wiele urządzeń korzysta z „efekt dżuli”, Wytwarzając ciepło poprzez przepływ prądu przez przewodnik, taki jak m.in. piekarniki, piece, tostery, talerze.
Zapraszamy do pozostawienia komentarzy i pytań na ten interesujący temat.