Zápal Jouleho zákona „Aplikácie - cvičenia“
Joule študoval účinok vyvolaný cirkuláciou elektrického prúdu dirigent a tak ustanovený známym Jouleovým zákonom. Keď sa elektrický náboj pohybuje vodičom, elektróny navzájom sa zrazia a vytvárajú teplo.
S využitím Jouleovho javu bolo navrhnutých viac domácich spotrebičov a priemyselných zariadení, kde sa pomocou tohto princípu premieňa elektrická energia na teplo, napríklad elektrické sporáky a žehličky.
Jouleho zákon sa používa v konštrukcii zariadení na zníženie energetických strát teplom.
Trochu spoznávanie Jamesa Jouleho:
James Prescott Joule (1818-1889)
Bol to britský fyzik, ktorý uskutočňoval výskum v oblasti termodynamiky, energie, elektriny a magnetizmu.
Spolu s Williamom Thomsonom objavili takzvaný Joule-Thomsonov efekt, ktorým demonštrovali, že pri expanzii je možné ochladiť plyn bez vykonávania externých prác, čo je základný princíp vývoja súčasných chladničiek a klimatizácií. Spolupracoval s lordom Kelvinom na vývoji absolútnej stupnice teploty, pomohol vysvetliť kinetickú teóriu plynov.
Na jeho počesť bol pomenovaný medzinárodný útvar energie, tepla a práce, joule. [1]
Jouleov zákon
Čo navrhuje Jouleov zákon?
Keď elektrický prúd preteká prvkom, časť energie sa rozptýli ako teplo. Jouleho zákon umožňuje určiť množstvo tepla, ktoré sa rozptýli v prvku v dôsledku elektrického prúdu, ktorý ním cirkuluje. Pozri obrázok 1.
Jouleov zákon hovorí, že teplo (Q), ktoré sa vytvára vo vodiči, je úmerné jeho elektrickému odporu R, druhej mocnine prúdu, ktorý ním prechádza, a časovému intervalu. Pozri obrázok 2.
Matematické vyjadrenie Jouleho zákona
Teplo, ktoré sa rozptýli v prvku, keď ním cirkuluje prúd, je dané matematickým výrazom na obrázku 3. Je potrebné poznať hodnotu elektrického prúdu, ktorý cirkuluje cez prvok, jeho elektrický odpor a interval čas. [dva].
Pri štúdiu tepelnej straty v prvku sa zvyčajne vyjadruje ako teplo rozptýlené v jednotke „kalória“ namiesto v Joule. Obrázok 4 zobrazuje vzorec na stanovenie množstva tepla v kalóriách.
Ako sa otepľuje?
Keď elektrický prúd preteká vodičom, elektrický náboj sa zrazí s atómami vodiča, keď sa cez neho pohybujú. Vďaka týmto nárazom sa časť energie premieňa na teplo, čím sa zvyšuje teplota vodivého materiálu. Pozri obrázok 5.
Čím viac prúdi, tým väčšie je zvýšenie teploty a tým viac tepla sa odvádza. Teplo produkované elektrickým prúdom pretekajúcim vodičom je mierou práce vykonanej prúdom pri prekonávaní odporu vodiča.
Pohyb elektrického náboja vyžaduje zdroj napätia. Zdroj napätia musí dodávať viac energie, čím viac sa rozptýli teplo. Určením množstva vyrobeného tepla môžete určiť, koľko energie musí zdroj napätia dodávať.
Aplikácie Jouleho zákona
Joulov efekt v žiarovkách
Žiarovky sa vyrábajú vložením vysokotaviteľného volfrámového vlákna do sklenenej žiarovky. Pri teplote 500 ° C vyžarujú telesá červenkasté svetlo, ktoré sa pri zvýšení teploty zmení na biele. Vlákno žiarovky po dosiahnutí 3.000 XNUMX ° C vydáva biele svetlo. Vo vnútri ampulky je vytvorené veľké vákuum a inertný plyn je umiestnený tak, aby sa vlákno nespálilo.
Teplo vydávané prúdom (Jouleov efekt) pri prechode uvedeným vláknom mu umožňuje dosiahnuť teplotu potrebnú na to, aby mohlo dôjsť k žiarovke, čo je efekt materiálov emitovaných svetlom, keď sú vystavené vysokým teplotám. Pozri obrázok 6.
Je dôležité zvoliť správnu žiarovku energetickej účinnosti. V žiarovkách sa spotrebuje iba maximálne 15% energie, zvyšok elektrickej energie sa rozptýli v teple. V žiarovkách LED sa 80 až 90% premení na svetelnú energiu, iba 10% sa stratí pri rozptýlení vo forme tepla. LED žiarovky sú najlepšou voľbou s vyššou energetickou účinnosťou a nižšou spotrebou elektrickej energie. Pozri obrázok 7. [3]
Cvičenie 1
Pre žiarovku 100 W a 110 V určite:
a) Intenzita prúdu pretekajúceho žiarovkou.
b) Energia, ktorú spotrebuje za hodinu.
riešenie:
a) Elektrický prúd:
Vyjadrenie elektrickej energie sa používa:
Pozývame vás pozrieť si článok Wattov zákonový zákon
Podľa Ohmovho zákona sa získa hodnota elektrického odporu žiarovky:
pozývame vás, aby ste si pozreli článok Ohmov zákon a jeho tajomstvá
b) Energia spotrebovaná za hodinu
Jouleov zákon určuje množstvo tepla, ktoré sa rozptýli v žiarovke
Ak 1 kilowatthodina = 3.600.000 XNUMX XNUMX Joule, energia spotrebovaná za hodinu je:
Q = 0,002 kWh
Následok:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Jouleov efekt - Prenos a distribúcia elektrickej energie
Elektrická energia, ktorá sa vyrába v závode, sa prenáša vodivými káblami, aby sa mohla neskôr použiť v domácnostiach, podnikoch a priemysle. [4]
Keď prúd cirkuluje, teplo sa odvádza Jouleovým efektom a stráca časť energie do životného prostredia. Čím väčší je prúd, tým väčšie je teplo, ktoré sa odvádza. Aby sa zabránilo stratám energie, prúdy sa prenášajú pri nízkych prúdoch a pri vysokom napätí 380 kV. To zvyšuje účinnosť pri prenose elektrickej energie. V rozvodniach a transformátoroch sa na konečné použitie znižujú na napäťovú hladinu 110 V a 220 V (25 alebo 220 voltov). Pozri obrázok 8.
V mnohých zariadeniach sa používa Jouleov efekt, pri ktorom sa elektrická energia premieňa na teplo, napríklad v elektrických žehličkách, ohrievačoch vody, poistkách, hriankovačoch, elektrických sporákoch. Pozri obrázok 9.
Cvičenie 2
400W elektrická žehlička sa používa 10 minút. Ak viete, že žehlička je pripojená k elektrickej zásuvke 110 V, určite:
a) Intenzita prúdu pretekajúceho železom.
b) Množstvo tepla rozptýleného železom.
riešenie:
Elektrický prúd
Vyjadrenie elektrickej energie sa používa:
p = vi
Podľa Ohmovho zákona sa získa hodnota elektrického odporu žiarovky:
teplo
Jouleov zákon určuje množstvo tepla, ktoré sa rozptýli v doske. Ak minúta obsahuje 60 sekúnd, potom 10 minút = 600 s.
Ak 1 kilowatthodina = 3.600.000 XNUMX XNUMX Joule, uvoľnené teplo je:
Q = 0,07 kWh
Závery
Jouleho zákon hovorí, že teplo produkované elektrickým prúdom, keď obieha cez vodič, je priamo úmerné druhej mocnine intenzity prúdu, krát odporu a času potrebného na cirkuláciu prúdu. Na počesť Jouleho sa jednotka energie v medzinárodnom systéme nazýva „Joule“.
Mnoho zariadení používajoulov efekt”, Generovaním tepla prechodom prúdu cez vodič, ako sú napríklad rúry, sporáky, hriankovače, platne.
Pozývame vás, aby ste zanechali svoje pripomienky a otázky k tejto zaujímavej téme.