Värmen i Joules lag "Applikationer - övningar"
Joule studerade effekten som produceras när en elektrisk ström cirkulerar igenom en ledare och så etablerad av den välkända Joule-lagen. När den elektriska laddningen rör sig genom en ledare, elektronerna kolliderar med varandra och genererar värme.
Med användning av Joule-effekten har flera hushållsapparater och industriell utrustning utformats, där elektrisk energi omvandlas till värme enligt denna princip, såsom elektriska spisar och strykjärn.
Joules lag används i utrustningsdesign för att minska energiförluster genom värme.
Lär känna James Joule lite:
James Prescott Joule (1818-1889)
Han var en brittisk fysiker som genomförde forskning inom termodynamik, energi, elektricitet och magnetism.
Tillsammans med William Thomson upptäckte de den så kallade Joule - Thomson-effekten genom vilken de visade att det var möjligt att kyla en gas vid expansion utan att göra externt arbete, en grundläggande princip för utvecklingen av nuvarande kylskåp och luftkonditioneringsapparater. Han arbetade tillsammans med Lord Kelvin för att utveckla den absoluta temperaturskalan, hjälpte till att förklara den kinetiska teorin om gaser.
Den internationella enheten för energi, värme och arbete, joule, utsågs till hans ära. [1]
Joules lag
Vad föreslår Joules lag?
När en elektrisk ström flyter genom ett element försvinner en del av energin som värme. Joules lag tillåter oss att bestämma mängden värme som släpps ut i ett element som ett resultat av den elektriska strömmen som cirkulerar genom den. Se figur 1.
Joules lag säger att värmen (Q) som alstras i en ledare är proportionell mot dess elektriska motstånd R, till kvadraten för strömmen som passerar genom den och till tidsintervallet. Se figur 2.
Matematiskt uttryck för Joules lag
Värmen som släpps ut i ett element, när en ström cirkulerar genom det, ges av det matematiska uttrycket i figur 3. Det krävs att man vet värdet på den elektriska strömmen som cirkulerar genom elementet, dess elektriska motstånd och intervallet för tid. [två].
När man studerar värmeförlusten i ett element uttrycks det vanligtvis som värmen som försvinner i enheten "kalori" istället för i Joule. Figur 4 visar formeln för bestämning av mängden värme i kalorier.
Hur händer uppvärmningen?
När en elektrisk ström flyter genom en ledare kolliderar den elektriska laddningen med ledarens atomer när de rör sig genom den. På grund av dessa chocker omvandlas en del av energin till värme, vilket ökar temperaturen på det ledande materialet. Se figur 5.
Ju mer ström flyter, desto större ökar temperaturen och desto mer värme släpps ut. Värmen som produceras av den elektriska strömmen som strömmar genom en ledare är ett mått på det arbete som utförts av strömmen för att övervinna ledarens motstånd.
Att flytta den elektriska laddningen kräver en spänningskälla. Spänningskällan måste leverera mer kraft ju mer värme försvinner. Genom att bestämma hur mycket värme som produceras kan du bestämma hur mycket energi spänningskällan måste leverera.
Joules lagansökningar
Joule-effekt i glödlampor
Glödlampor tillverkas genom att placera en högsmältande volframfilament i en glödlampa. Vid en temperatur på 500 ºC avger kroppar ett rödaktigt ljus som utvecklas till vitt om temperaturen ökar. Glödlampans glödtråd avger vitt ljus när den når 3.000 ºC. Inuti ampullen skapas ett högt vakuum och en inert gas placeras så att filamentet inte brinner.
Värmen som frigörs av strömmen (Joule-effekten) när den passerar genom glödtråden gör det möjligt att nå den temperatur som är nödvändig för att glödlampa ska inträffa, en effekt av material som avger ljus när de utsätts för höga temperaturer. Se figur 6.
Det är viktigt att välja rätt lampa för större energieffektivitet. I glödlampor används endast högst 15% av energin, resten av den elektriska energin sprids i värme. I ledlampor förvandlas 80 till 90% till ljusenergi, bara 10% slösas bort när de sprids i form av värme. Ledlampor är det bästa alternativet, med högre energieffektivitet och lägre elförbrukning. Se figur 7. [3]
1 övning
För en 100 W, 110 V glödlampa, bestäm:
a) Intensiteten hos strömmen som flyter genom glödlampan.
b) Den energi den förbrukar per timme.
lösning:
a) Elektrisk ström:
Uttrycket av elektrisk kraft används:
Vi inbjuder dig att se artikeln från Watt's Law Energy
Genom Ohms lag erhålls värdet på lampans elektriska motstånd:
vi inbjuder dig att se artikeln Ohms lag och dess hemligheter
b) Energiförbrukning per timme
Joules lag bestämmer mängden värme som släpps ut i glödlampan
Om 1 kilowattimme = 3.600.000 Joule är energiförbrukningen per timme:
Q = 0,002 kWh
Resultat:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Joule-effekt - Överföring och distribution av elektrisk energi
Den elektriska energin, som genereras i en anläggning, transporteras med ledande kablar för att användas senare i hem, företag och industrier. [4]
När strömmen cirkulerar sprids värmen av Joule-effekten och förlorar en del av energin till miljön. Ju större ström, desto större värme som släpps ut. För att undvika energiförlust transporteras strömmar med låga strömmar och höga spänningar på 380 kV. Detta förbättrar effektiviteten vid transport av elektrisk energi. I transformatorstationer och transformatorer reduceras de till spänningsnivåer vid 110 V och 220 V för slutlig användning25 eller 220 volt). Se figur 8.
I många apparater används Joule-effekten, där elektrisk energi omvandlas till värme, till exempel i elektriska strykjärn, varmvattenberedare, säkringar, brödrostar, elektriska kaminer. Se figur 9.
2 övning
Ett 400W elektrisk strykjärn används i 10 minuter. Att veta att strykjärnet är anslutet till ett 110 V eluttag, bestämma:
a) Intensiteten hos strömmen som strömmar genom järnet.
b) Mängden värme som släpps ut av järnet.
lösning:
Elektrisk ström
Uttrycket av elektrisk kraft används:
p = vi
Genom Ohms lag erhålls värdet på lampans elektriska motstånd:
hetta
Joules lag bestämmer mängden värme som släpps ut i plattan. Om en minut innehåller 60 sekunder är 10 minuter = 600 s.
Om 1 kilowattimme = 3.600.000 Joule är den värme som frigörs:
Q = 0,07 kWh
Slutsatser
Joules lag säger att värmen som produceras av en elektrisk ström när den cirkulerar genom en ledare är direkt proportionell mot kvadratet av strömens intensitet, gånger motståndet och den tid det tar för strömmen att cirkulera. Som hyllning till Joule kallas nu energienheten i det internationella systemet ”Joule”.
Många enheter använderjoule-effekt”, Genom att generera värme genom att leda ström genom en ledare, såsom ugnar, spisar, brödrostar, tallrikar, bland andra.
Vi inbjuder dig att lämna dina kommentarer och frågor om detta intressanta ämne.