Vročina Joulovega zakona "Aplikacije - vaje"
Joule je preučeval učinek, ki nastane pri kroženju električnega toka dirigent in tako določa znani Joulov zakon. Ko se električni naboj premika skozi vodnik, elektroni trčijo med seboj in ustvarjajo toploto.
Z uporabo Joulejevega učinka so bili zasnovani številni gospodinjski aparati in industrijska oprema, kjer se električna energija po tem principu pretvori v toploto, na primer električni štedilniki in likalniki.
Joulov zakon se uporablja pri načrtovanju opreme za zmanjšanje izgub energije zaradi toplote.
Malo spoznavanje Jamesa Jouleja:
James Prescott Joule (1818-1889)
Bil je britanski fizik, ki je raziskoval termodinamiko, energijo, elektriko in magnetizem.
Skupaj z Williamom Thomsonom sta odkrila tako imenovani učinek Joule - Thomson, s katerim sta dokazala, da je možno hladiti plin pri širjenju brez zunanjega dela, osnovno načelo razvoja sedanjih hladilnikov in klimatskih naprav. Sodeloval je z Lordom Kelvinom pri razvoju absolutne temperaturne lestvice, pomagal razložiti kinetično teorijo plinov.
V njegovo čast so poimenovali mednarodno enoto energije, toplote in dela, joule. [1]
Joulov zakon
Kaj predlaga Joulov zakon?
Ko skozi element teče električni tok, se del energije odvaja kot toplota. Joulejev zakon nam omogoča, da določimo količino toplote, ki se v elementu odvaja kot posledica električnega toka, ki kroži skozi njega. Glej sliko 1.
Joulejev zakon določa, da je toplota (Q), ki nastaja v vodniku, sorazmerna z njegovim električnim uporom R, kvadratom toka, ki gre skozi njega, in časovnim intervalom. Glej sliko 2.
Matematični izraz Joulejevega zakona
Toplota, ki se v elementu odvaja, ko skozi njega kroži tok, je podana z matematičnim izrazom na sliki 3. Poznati je treba vrednost električnega toka, ki kroži skozi element, njegovo električno upornost in interval čas. [dva].
Pri preučevanju toplotne izgube v elementu je običajno izražena kot toplota, ki se odvaja v enoti "kalorija" namesto v Joulu. Slika 4 prikazuje formulo za določanje količine toplote v kalorijah.
Kako se zgodi ogrevanje?
Ko električni tok teče skozi vodnik, električni naboj trči z atomi vodnika, ko se premikajo skozi njega. Zaradi teh sunkov se del energije pretvori v toploto, kar poveča temperaturo prevodnega materiala. Glej sliko 5.
Več ko teče tok, večje je povečanje temperature in več toplote se odvaja. Toplota, ki jo proizvaja električni tok, ki teče skozi vodnik, je merilo dela, ki ga opravi tok pri premagovanju upora vodnika.
Za premikanje električnega naboja je potreben vir napetosti. Vir napetosti mora dovajati več energije, več toplote se odvaja. Z določitvijo količine proizvedene toplote lahko določite, koliko energije mora napajati vir napetosti.
Joulejeve pravne zahteve
Joulov učinek v žarnicah z žarilno nitko
Žarnice z žarilno nitko so narejene tako, da se v stekleno žarnico položi visokotalilna volframova nitka. Pri temperaturi 500 ºC telesa oddajajo rdečkasto svetlobo, ki se ob naraščanju temperature spremeni v belo. Ko žarnica z žarilno nitko doseže 3.000 ° C, oddaja belo svetlobo. Znotraj ampule je ustvarjen visok vakuum in nameščen inerten plin, tako da nitka ne gori.
Toplota, ki jo odda tok (Joulov učinek), ko prehaja skozi omenjeno žarilno nitko, ji omogoča, da doseže temperaturo, potrebno za nastanek žarjenja, učinek materialov, ki oddajajo svetlobo, kadar so izpostavljeni visokim temperaturam. Glej sliko 6.
Pomembno je izbrati pravo žarnico za večjo energetska učinkovitost. V žarnicah z žarilno nitko se porabi le največ 15% energije, preostala električna energija pa se odvaja v toploti. V led žarnicah se od 80 do 90% pretvori v svetlobno energijo, le 10% se izgubi pri odvajanju v obliki toplote. Najboljše so LED žarnice, ki imajo večjo energetsko učinkovitost in manjšo porabo električne energije. Glej sliko 7. [3]
Vaja 1
Za 100 W, 110 V žarnico z žarilno nitko določite:
a) Intenzivnost toka, ki teče skozi žarnico.
b) Energija, ki jo porabi na uro.
rešitev:
a) Električni tok:
Uporablja se izraz električne moči:
Vabimo vas, da si ogledate članek Wattov zakon energije
Po Ohmovem zakonu dobimo vrednost električnega upora žarnice:
vabimo vas, da si ogledate članek Ohmov zakon in njegove skrivnosti
b) Porabljena energija na uro
Joulov zakon določa količino toplote, ki se odvaja v žarnici
Če je 1 kilovatna ura = 3.600.000 džulov, porabljena energija na uro znaša:
Q = 0,002 kWh
Rezultat:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Joulov učinek - Prenos in distribucija električne energije
Električna energija, ki nastane v obratu, se prenaša s prevodnimi kabli, ki se kasneje uporabljajo v domovih, podjetjih in industriji. [4]
Medtem ko tok kroži, se toplota odvaja z Joulovim učinkom in del energije izgublja v okolju. Večji kot je tok, večja toplota se odvaja. Da bi se izognili izgubi energije, se tokovi prenašajo pri nizkih tokovih in visokih napetostih 380 kV. To izboljša učinkovitost prenosa električne energije. V transformatorskih postajah in transformatorjih se znižajo na napetost pri 110 V in 220 V za končno uporabo (25 ali 220 V) Glej sliko 8.
V mnogih napravah se uporablja Joulov učinek, kjer se električna energija pretvori v toploto, na primer med likalniki, grelniki vode, varovalkami, opekači in električnimi pečmi. Glej sliko 9.
Vaja 2
400 W električni likalnik se uporablja 10 minut. Če veste, da je likalnik priključen na 110 V električno vtičnico, ugotovite:
a) Intenzivnost toka, ki teče skozi železo.
b) Količina toplote, ki jo odvaja železo.
rešitev:
Električni tok
Uporablja se izraz električne moči:
p = vi
Po Ohmovem zakonu dobimo vrednost električnega upora žarnice:
Vročina
Joulov zakon določa količino toplote, ki se odvaja v plošči. Če minuta vsebuje 60 sekund, potem je 10 minut = 600 s.
Če je 1 kilovatna ura = 3.600.000 džulov, je sproščena toplota:
Q = 0,07 kWh
Sklepi
Joulov zakon določa, da je toplota, ki jo proizvaja električni tok, ko kroži skozi vodnik, neposredno sorazmerna kvadratu jakosti toka, pomnožene z uporom in časom, ki je potreben, da tok kroži. V poklon Joulu se enota energije v mednarodnem sistemu zdaj imenuje "Joule".
Številne naprave uporabljajodžulov učinek”Z ustvarjanjem toplote s prepuščanjem toka skozi vodnik, kot so peči, štedilniki, opekači, plošče, med drugim.
Vabimo vas, da pustite svoje komentarje in vprašanja na to zanimivo temo.