Căldura Legii lui Joule „Aplicații - Exerciții”
Joule a studiat efectul care apare atunci când circulă un curent electric un dirijor și așa stabilit de binecunoscuta lege Joule. Pe măsură ce sarcina electrică se mișcă printr-un conductor, electronii ciocniți unul cu celălalt generând căldură.
Folosind efectul Joule, au fost proiectate mai multe aparate de uz casnic și echipamente industriale, unde energia electrică este transformată în căldură prin acest principiu, cum ar fi aragazele și fierele de călcat.
Legea lui Joule este utilizată în proiectarea echipamentelor pentru a reduce pierderile de energie prin căldură.
Cunoașterea puțin a lui James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
A fost un fizician britanic care a efectuat cercetări în termodinamică, energie, electricitate și magnetism.
Împreună cu William Thomson au descoperit așa-numitul efect Joule - Thomson prin care au demonstrat că era posibil să se răcească un gaz când se extindea fără a face lucrări externe, un principiu de bază al dezvoltării frigiderelor și aparatelor de aer condiționat actuale. El a lucrat cu Lord Kelvin pentru a dezvolta scara absolută a temperaturii, a ajutat la explicarea teoriei cinetice a gazelor.
Unitatea internațională de energie, căldură și muncă, joule, a fost numită în onoarea sa. [1]
Legea lui Joule
Ce propune Legea lui Joule?
Când un curent electric trece printr-un element, o parte din energie este disipată sub formă de căldură. Legea lui Joule ne permite să determinăm cantitatea de căldură care este disipată într-un element, ca urmare a curentului electric care circulă prin el. Vezi figura 1.
Legea lui Joule afirmă că căldura (Q) care este generată într-un conductor este proporțională cu rezistența sa electrică R, cu pătratul curentului care trece prin el și cu intervalul de timp. Vezi figura 2.
Expresia matematică a Legii lui Joule
Căldura care este disipată într-un element, atunci când un curent circulă prin el, este dată de expresia matematică din figura 3. Este necesar să se cunoască valoarea curentului electric care circulă prin element, rezistența sa electrică și intervalul de timp. [Două].
Când se studiază pierderile de căldură dintr-un element, acesta este de obicei exprimat ca căldura disipată în unitatea „calorie” în loc de în Joule. Figura 4 prezintă formula pentru determinarea cantității de căldură în calorii.
Cum se întâmplă încălzirea?
Când un curent electric trece printr-un conductor, sarcina electrică se ciocnește cu atomii conductorului în timp ce se mișcă prin el. Datorită acestor șocuri, o parte din energie este transformată în căldură, crescând temperatura materialului conductor. Vezi figura 5.
Cu cât curge mai mult curent, cu atât este mai mare creșterea temperaturii și cu atât mai multă căldură este disipată. Căldura produsă de curentul electric care curge printr-un conductor este o măsură a muncii efectuate de curent în depășirea rezistenței conductorului.
Mutarea încărcăturii electrice necesită o sursă de tensiune. Sursa de tensiune trebuie să furnizeze mai multă energie cu cât se disipează mai multă căldură. Determinând cantitatea de căldură produsă, puteți determina câtă energie trebuie să furnizeze sursa de tensiune.
Aplicațiile legii lui Joule
Efect Joule la becurile incandescente
Becurile cu incandescență sunt realizate prin plasarea unui filament de tungsten cu topire ridicată într-un bec de sticlă. La o temperatură de 500 ° C, corpurile emit o lumină roșiatică, care evoluează spre alb dacă temperatura crește. Filamentul becului, la atingerea a 3.000 ° C, emite lumină albă. În interiorul fiolei se face un vid mare și se pune un gaz inert, astfel încât filamentul să nu ardă.
Căldura degajată de curent (efectul Joule) pe măsură ce trece prin respectivul filament îi permite să atingă temperatura necesară apariției incandescenței, un efect al materialelor de a emite lumină atunci când sunt supuse la temperaturi ridicate. Vezi figura 6.
Este important să alegeți becul potrivit pentru mai mare eficiența energetică. La becurile cu incandescență se folosește doar maximum 15% din energie, restul energiei electrice este disipată în căldură. La becurile cu LED 80-90% se transformă în energie luminoasă, doar 10% sunt irosite atunci când se disipă sub formă de căldură. Becurile cu led sunt cea mai bună opțiune, având o eficiență energetică mai mare și un consum mai mic de energie electrică. A se vedea figura 7. [3]
Exercițiul 1
Pentru un bec incandescent de 100 W, 110 V, determinați:
a) Intensitatea curentului care curge prin bec.
b) Energia pe care o consumă pe oră.
Soluţie:
a) Curent electric:
Expresia puterii electrice este utilizată:
Vă invităm să vedeți articolul din Legea lui Watt Energia
Prin Legea lui Ohm se obține valoarea rezistenței electrice a becului:
vă invităm să vedeți articolul Legea lui Ohm și secretele sale
b) Energia consumată pe oră
Legea lui Joule determină cantitatea de căldură care este disipată în bec
Dacă 1 Kilowatt-oră = 3.600.000 Joule, energia consumată pe oră este:
Q = 0,002 kWh
Rezultat:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Efect Joule - Transmiterea și distribuția energiei electrice
Energia electrică, care este generată într-o instalație, este transportată de cabluri conductoare pentru a fi utilizată ulterior în case, afaceri și industrii. [4]
Pe măsură ce curentul circulă, căldura este disipată de efectul Joule, pierzând o parte din energie în mediul înconjurător. Cu cât curentul este mai mare, cu atât este mai mare căldura disipată. Pentru a evita pierderile de energie, curenții sunt transportați la curenți mici și tensiuni ridicate de 380 kV. Acest lucru îmbunătățește eficiența în transportul energiei electrice. În stații și transformatoare, acestea sunt reduse la nivelurile de tensiune la 110 V și 220 V pentru utilizarea lor finală 25 sau 220 volți). Vezi figura 8.
În multe aparate se folosește efectul Joule, unde energia electrică este transformată în căldură, cum ar fi fierele de călcat electrice, încălzitoarele de apă, siguranțele, prăjitoarele de pâine, sobele electrice, printre altele. Vezi figura 9.
Exercițiul 2
Un fier de călcat electric de 400W este utilizat timp de 10 minute. Știind că fierul de călcat este conectat la o priză electrică de 110 V, determinați:
a) Intensitatea curentului care curge prin fier.
b) Cantitatea de căldură disipată de fier.
Soluţie:
Curent electric
Expresia puterii electrice este utilizată:
p = vi
Prin Legea lui Ohm se obține valoarea rezistenței electrice a becului:
căldură
Legea lui Joule determină cantitatea de căldură care este disipată în placă. Dacă un minut conține 60 de secunde, atunci 10 minute = 600 s.
Dacă 1 Kilowatt-oră = 3.600.000 Joule, căldura eliberată este:
Q = 0,07 kWh
Concluzii
Legea lui Joule afirmă că căldura produsă de un curent electric atunci când acesta circulă printr-un conductor este direct proporțională cu pătratul intensității curentului, de ori rezistența și timpul necesar circulării curentului. În omagiul lui Joule, unitatea de energie din sistemul internațional este acum numită „Joule”.
Multe dispozitive folosesc „efect joule”Prin generarea căldurii prin trecerea curentului printr-un conductor, precum cuptoare, sobe, prăjitoare de pâine, plăci, printre altele.
Vă invităm să lăsați comentariile și întrebările dvs. cu privire la acest subiect interesant.