ความร้อนแรงของกฎของจูล "แอพพลิเคชั่น - แบบฝึกหัด"
จูลศึกษาผลกระทบที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลเวียนผ่าน ตัวนำและจัดตั้งขึ้นโดยกฎหมาย Joule ที่รู้จักกันดี เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ชนกันทำให้เกิดความร้อน
การใช้เอฟเฟกต์ Joule เครื่องใช้ในครัวเรือนและอุปกรณ์อุตสาหกรรมหลายชนิดได้รับการออกแบบโดยหลักการนี้จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนเช่นหม้อหุงไฟฟ้าและเตารีด
กฎของ Joule ใช้ในการออกแบบอุปกรณ์เพื่อลดการสูญเสียพลังงานผ่านความร้อน
ทำความรู้จักกับ James Joule เล็กน้อย:
เจมส์เพรสคอตต์จูล (1818-1889)
เขาเป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่ทำการวิจัยด้านอุณหพลศาสตร์พลังงานไฟฟ้าและแม่เหล็ก
ร่วมกับวิลเลียมทอมสันพวกเขาได้ค้นพบสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ Joule - Thomson ซึ่งพวกเขาแสดงให้เห็นว่าสามารถทำให้ก๊าซเย็นลงเมื่อขยายตัวโดยไม่ต้องทำงานภายนอกซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของการพัฒนาตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ เขาทำงานร่วมกับลอร์ดเคลวินเพื่อพัฒนาระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ช่วยอธิบายทฤษฎีจลน์ของก๊าซ
หน่วยสากลของพลังงานความร้อนและการทำงานจูลได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา [1]
กฎของ Joule
กฎของ Joule เสนออะไร?
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านองค์ประกอบพลังงานบางส่วนจะกระจายไปเป็นความร้อน กฎของจูลช่วยให้เราสามารถกำหนดปริมาณความร้อนที่กระจายไปในองค์ประกอบอันเป็นผลมาจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ดูรูปที่ 1
กฎของจูลระบุว่าความร้อน (Q) ที่เกิดขึ้นในตัวนำนั้นเป็นสัดส่วนกับความต้านทานไฟฟ้า R กับกำลังสองของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านและตามช่วงเวลา ดูรูปที่ 2
นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของกฎของจูล
ความร้อนที่กระจายไปในองค์ประกอบเมื่อกระแสไหลผ่านจะได้รับจากนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ในรูปที่ 3 จำเป็นต้องทราบค่าของกระแสไฟฟ้าที่ไหลเวียนผ่านองค์ประกอบความต้านทานไฟฟ้าและช่วงเวลาของ เวลา. [สอง].
เมื่อศึกษาการสูญเสียความร้อนในองค์ประกอบมักจะแสดงเป็นความร้อนที่กระจายไปในหน่วย "แคลอรี่" แทนที่จะเป็นจูล รูปที่ 4 แสดงสูตรการกำหนดปริมาณความร้อนในแคลอรี่
ความร้อนเกิดขึ้นได้อย่างไร?
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำประจุไฟฟ้าจะชนกับอะตอมของตัวนำขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่าน เนื่องจากแรงกระแทกเหล่านี้พลังงานส่วนหนึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนทำให้อุณหภูมิของวัสดุนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ดูรูปที่ 5
ยิ่งกระแสไหลมากอุณหภูมิก็ยิ่งเพิ่มขึ้นและความร้อนก็ยิ่งกระจายออกไป ความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำเป็นตัวชี้วัดของงานที่ทำโดยกระแสในการเอาชนะความต้านทานของตัวนำ
การเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้าจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้า แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าจะต้องจ่ายพลังงานมากขึ้นความร้อนจะกระจายมากขึ้น คุณสามารถกำหนดได้ว่าแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าจะต้องจ่ายพลังงานเท่าใด
แอปพลิเคชันกฎหมายของ Joule
ผลจูลในหลอดไส้
หลอดไส้ทำโดยการวางไส้หลอดทังสเตนที่หลอมละลายสูงไว้ในหลอดแก้ว ที่อุณหภูมิ 500 ºCร่างกายจะเปล่งแสงสีแดงซึ่งจะเปลี่ยนเป็นสีขาวหากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ไส้หลอดเมื่อถึง 3.000 ºCจะเปล่งแสงสีขาว ภายในหลอดบรรจุสูญญากาศสูงและวางก๊าซเฉื่อยเพื่อไม่ให้ไส้หลอดไหม้
ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากกระแสไฟฟ้า (ผลของจูล) ขณะที่ไหลผ่านไส้หลอดดังกล่าวช่วยให้สามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการเกิดการหลอมเหลวซึ่งเป็นผลกระทบของวัสดุที่จะเปล่งแสงเมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิสูง ดูรูปที่ 6
สิ่งสำคัญคือต้องเลือกหลอดไฟที่เหมาะสมให้มากขึ้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน. ในหลอดไส้จะใช้พลังงานเพียง 15% เท่านั้นพลังงานไฟฟ้าที่เหลือจะถูกกระจายไปในความร้อน ในหลอดไฟ LED 80 ถึง 90% ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานแสงมีเพียง 10% เท่านั้นที่สูญเสียไปในรูปของความร้อน หลอดไฟ LED เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานมากขึ้นและลดการใช้ไฟฟ้า ดูรูปที่ 7 [3]
1 แบบฝึกหัด
สำหรับหลอดไส้ 100 W, 110 V ให้กำหนด:
ก) ความเข้มของกระแสที่ไหลผ่านหลอดไฟ
b) พลังงานที่ใช้ต่อชั่วโมง
วิธีการแก้ปัญหา:
ก) กระแสไฟฟ้า:
ใช้นิพจน์ของพลังงานไฟฟ้า:
เราขอเชิญคุณดูบทความของ พลังงานกฎของวัตต์
ตามกฎของโอห์มจะได้รับค่าความต้านทานไฟฟ้าของหลอดไฟ:
เราขอเชิญคุณดูบทความ กฎของโอห์มและความลับ
b) พลังงานที่ใช้ต่อชั่วโมง
กฎของจูลกำหนดปริมาณความร้อนที่กระจายไปในหลอดไฟ
ถ้า 1 กิโลวัตต์ - ชั่วโมง = 3.600.000 จูลพลังงานที่ใช้ต่อชั่วโมงคือ:
Q = 0,002 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง
ผล:
ผม = 0,91 A; Q = 0,002 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง
Joule effect - การส่งและการกระจายพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าซึ่งสร้างขึ้นในโรงงานจะถูกขนส่งโดยสายเคเบิลที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพื่อนำไปใช้ในบ้านธุรกิจและอุตสาหกรรมในภายหลัง [4]
เมื่อกระแสหมุนเวียนความร้อนจะกระจายไปตามเอฟเฟกต์ Joule ทำให้สูญเสียพลังงานส่วนหนึ่งไปสู่สิ่งแวดล้อม กระแสยิ่งมากความร้อนที่กระจายออกไปก็จะยิ่งมากขึ้น เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานกระแสจะถูกส่งที่กระแสต่ำและแรงดันไฟฟ้าสูง 380 kV ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการขนส่งพลังงานไฟฟ้า ในสถานีย่อยและหม้อแปลงจะลดระดับแรงดันไฟฟ้าที่ 110 V และ 220 V สำหรับการใช้งานขั้นสุดท้าย 25 หรือ 220 โวลต์) ดูรูปที่ 8
ในเครื่องใช้หลายชนิดจะใช้เอฟเฟกต์ Joule ซึ่งพลังงานไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นความร้อนเช่นในเตารีดไฟฟ้าเครื่องทำน้ำอุ่นฟิวส์เครื่องปิ้งขนมปังเตาไฟฟ้าเป็นต้น ดูรูปที่ 9
2 แบบฝึกหัด
ใช้เตารีดไฟฟ้า 400W เป็นเวลา 10 นาที เมื่อทราบว่าเตารีดเชื่อมต่อกับเต้ารับไฟฟ้า 110 V ให้พิจารณา:
ก) ความเข้มของกระแสที่ไหลผ่านเหล็ก
b) ปริมาณความร้อนที่เตารีดกระจายไป.
วิธีการแก้ปัญหา:
กระแสไฟฟ้า
ใช้นิพจน์ของพลังงานไฟฟ้า:
p = vi
ตามกฎของโอห์มจะได้รับค่าความต้านทานไฟฟ้าของหลอดไฟ:
ความร้อน
กฎของจูลกำหนดปริมาณความร้อนที่กระจายไปในจาน ถ้านาทีมี 60 วินาที 10 นาที = 600 วินาที
ถ้า 1 กิโลวัตต์ - ชั่วโมง = 3.600.000 จูลความร้อนที่ปล่อยออกมาคือ:
Q = 0,07 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง
สรุปผลการวิจัย
กฎของจูลระบุว่าความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเมื่อมันไหลเวียนผ่านตัวนำนั้นแปรผันตรงกับกำลังสองของความเข้มของกระแสคูณความต้านทานและเวลาที่กระแสไฟฟ้าไหลเวียน เพื่อเป็นการแสดงความเคารพต่อ Joule หน่วยพลังงานในระบบสากลปัจจุบันเรียกว่า "Joule"
อุปกรณ์จำนวนมากใช้ปุ่ม“ผลจูล”, โดยการสร้างความร้อนโดยส่งกระแสผ่านตัวนำเช่นเตาอบเตาปิ้งขนมปังจานและอื่น ๆ
เราขอเชิญคุณแสดงความคิดเห็นและคำถามของคุณในหัวข้อที่น่าสนใจนี้