công nghệ

Sức nóng của Định luật Joule "Ứng dụng - Bài tập"

Joule đã nghiên cứu hiệu ứng xảy ra khi dòng điện chạy qua một nhạc trưởng và được thiết lập bởi luật Joule nổi tiếng. Khi điện tích di chuyển qua vật dẫn, các êlectron va chạm với nhau sinh nhiệt.

Tận dụng hiệu ứng Joule, nhiều thiết bị gia dụng và thiết bị công nghiệp đã được thiết kế, nơi năng lượng điện được chuyển hóa thành nhiệt theo nguyên tắc này, chẳng hạn như bếp điện và bàn là.

Định luật Joule được sử dụng trong thiết kế thiết bị để giảm tổn thất năng lượng do nhiệt.

Làm quen với James Joule một chút:

James Prescott Joule (1818-1889)
Ông là một nhà vật lý người Anh đã tiến hành nghiên cứu về nhiệt động lực học, năng lượng, điện và từ tính.
Cùng với William Thomson, họ đã khám phá ra cái gọi là hiệu ứng Joule - Thomson, qua đó họ chứng minh rằng có thể làm mát một chất khí khi nở ra mà không cần tác động bên ngoài, một nguyên tắc cơ bản của sự phát triển của tủ lạnh và máy điều hòa không khí hiện nay. Ông đã làm việc với Lord Kelvin để phát triển thang đo nhiệt độ tuyệt đối, giúp giải thích lý thuyết động học của chất khí.
Đơn vị quốc tế của năng lượng, nhiệt và công việc, joule, được đặt tên để vinh danh ông. [1]

Định luật Joule

Luật của Joule đề xuất điều gì?

Khi dòng điện chạy qua một phần tử, một phần năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Định luật Joule cho phép chúng ta xác định lượng nhiệt bị tiêu tán trong một phần tử, là kết quả của dòng điện chạy qua nó. Xem hình 1.

Tản nhiệt do tác dụng của dòng điện trong vật dẫn
citeia.com (hình 1)

Định luật Joule phát biểu rằng nhiệt lượng (Q) sinh ra trong một vật dẫn tỷ lệ với điện trở R của nó, với bình phương cường độ dòng điện chạy qua nó và với khoảng thời gian. Xem hình 2.

Luật Joule
citeia.com (hình 2)

Biểu thức toán học của Định luật Joule

Nhiệt lượng toả ra trong một phần tử khi có dòng điện chạy qua nó được biểu thị bằng biểu thức toán học trong hình 3. Cần biết giá trị của cường độ dòng điện chạy qua phần tử, điện trở của nó và khoảng thời gian thời gian. [hai].

Biểu thức toán học của Định luật Joule
citeia.com (hình 3)

Khi nghiên cứu sự mất nhiệt trong một phần tử, nó thường được biểu thị bằng nhiệt lượng tỏa ra theo đơn vị "calo" thay vì tính bằng Joule. Hình 4 cho thấy công thức xác định lượng nhiệt tính bằng calo.

Lượng nhiệt, tính bằng calo
citeia.com (hình 4)

Làm thế nào để nóng lên xảy ra?

Khi một dòng điện chạy qua một vật dẫn, điện tích va chạm với các nguyên tử của vật dẫn khi chúng di chuyển qua nó. Do những chấn động này, một phần năng lượng được chuyển hóa thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ của vật liệu dẫn điện. Xem hình 5.

Sự va chạm của các electron tạo ra sự nóng lên
citeia.com (hình 5)

Dòng điện chạy càng nhiều thì nhiệt độ tăng càng lớn và nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều. Nhiệt lượng do dòng điện chạy qua vật dẫn sinh ra là công của dòng điện trong việc khắc phục điện trở của vật dẫn.

Di chuyển điện tích cần có nguồn hiệu điện thế. Nguồn điện áp phải cung cấp nhiều năng lượng thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều. Bằng cách xác định lượng nhiệt được tạo ra, bạn có thể xác định nguồn điện áp phải cung cấp bao nhiêu năng lượng.

Các ứng dụng luật của Joule

Hiệu ứng joule trong bóng đèn sợi đốt

Bóng đèn sợi đốt được chế tạo bằng cách đặt một dây tóc vonfram nóng chảy cao vào bóng đèn thủy tinh. Ở nhiệt độ 500 ºC, các vật thể phát ra ánh sáng màu đỏ, ánh sáng này sẽ chuyển sang màu trắng nếu nhiệt độ tăng lên. Dây tóc của bóng đèn khi đạt đến 3.000 ºC sẽ phát ra ánh sáng trắng. Bên trong ống có một chân không cao và đặt một khí trơ để dây tóc không bị cháy.

Nhiệt do dòng điện tỏa ra (hiệu ứng Joule) khi nó đi qua dây tóc nói trên cho phép nó đạt đến nhiệt độ cần thiết để xảy ra hiện tượng phát sáng, tác dụng của vật liệu phát ra ánh sáng khi chịu nhiệt độ cao. Xem hình 6.

Hiệu ứng joule trong bóng đèn sợi đốt
citeia.com (hình 6)

Điều quan trọng là phải chọn đúng bóng đèn để lớn hơn hiệu suất năng lượng. Trong bóng đèn sợi đốt chỉ sử dụng tối đa 15% năng lượng, phần còn lại điện năng bị tiêu hao nhiệt năng. Trong bóng đèn led, 80 đến 90% được chuyển hóa thành năng lượng ánh sáng, chỉ 10% bị hao phí khi tản nhiệt dưới dạng nhiệt. Bóng đèn Led là lựa chọn tốt nhất, có hiệu suất năng lượng cao hơn và tiêu thụ điện thấp hơn. Xem hình 7. [3]

Hiệu ứng Joule - hiệu quả năng lượng
citeia.com (hình 7)

Bài tập 1

Đối với bóng đèn sợi đốt 100 W, 110 V, hãy xác định:
a) Cường độ dòng điện chạy qua bóng đèn.
b) Năng lượng mà nó tiêu thụ trong một giờ.

Giải pháp:

a) Dòng điện:

Biểu thức của công suất điện được sử dụng:

Mời các bạn xem bài viết của Năng lượng định luật Watt

Bìa bài viết Sức mạnh của Định luật Watt (Ứng dụng - Bài tập)
citeia.com

Công thức điện năng
citeia.com

Theo định luật Ôm, giá trị của điện trở của bóng đèn nhận được là:

chúng tôi mời bạn xem bài viết Định luật Ohm và những bí mật của nó

Công thức định luật Ohm
Công thức định luật Ohm
b) Năng lượng tiêu thụ mỗi giờ

Định luật Joule xác định nhiệt lượng tỏa ra trong bóng đèn

Công thức năng lượng tiêu thụ mỗi giờ
Công thức năng lượng tiêu thụ mỗi giờ

Nếu 1 Kilowatt-giờ = 3.600.000 Joule, thì năng lượng tiêu thụ mỗi giờ là:

Q = 0,002 kWh

Kết quả:

i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh

Hiệu ứng Joule - Truyền và phân phối năng lượng điện

Năng lượng điện, được tạo ra trong nhà máy, được vận chuyển bằng cáp dẫn điện để sau này được sử dụng trong gia đình, doanh nghiệp và công nghiệp. [4]

Khi dòng điện lưu thông, nhiệt bị tiêu tán bởi hiệu ứng Joule, làm mất một phần năng lượng cho môi trường. Dòng điện càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra càng lớn. Để tránh tổn thất năng lượng, dòng điện được vận chuyển ở dòng điện thấp và điện áp cao 380 kV. Điều này cải thiện hiệu quả trong việc vận chuyển năng lượng điện. Trong các trạm biến áp và máy biến áp, chúng được giảm xuống các mức điện áp ở 110 V và 220 V cho mục đích sử dụng cuối cùng của chúng 25 hoặc 220 vôn). Xem hình 8.

Hiệu ứng Joule - hiệu quả năng lượng
citeia.com (hình 8)

Trong nhiều thiết bị, hiệu ứng Joule được sử dụng, nơi năng lượng điện được chuyển hóa thành nhiệt, chẳng hạn như trong bàn là điện, máy nước nóng, cầu chì, lò nướng bánh mì, bếp điện, v.v. Xem hình 9.

Thiết bị hoạt động bằng hiệu ứng Joule
citeia.com (hình 9)

Bài tập 2

Một bàn là điện có công suất 400W dùng trong 10 phút. Biết bàn là được nối với ổ điện 110 V, hãy xác định:

a) Cường độ dòng điện chạy qua bàn là.
b) Nhiệt lượng bàn là tỏa ra
.

Giải pháp:

Dòng điện

Biểu thức của công suất điện được sử dụng:

p = vi

Điện
Công thức Điện năng

Theo định luật Ôm, giá trị của điện trở của bóng đèn nhận được là:

Công thức định luật Ohm
Công thức định luật Ohm

Nhiệt

Định luật Joule xác định nhiệt lượng tỏa ra trong tấm. Nếu một phút chứa 60 giây thì 10 phút = 600 s.

Công thức định luật Joule
Công thức định luật Joule

Nếu 1 Kilowatt-giờ = 3.600.000 Joule thì nhiệt lượng tỏa ra là:

Q = 0,07 kWh

Kết luận

Định luật Joule phát biểu rằng nhiệt lượng do dòng điện sinh ra khi nó chạy qua vật dẫn tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, nhân với điện trở và thời gian để dòng điện lưu thông. Để tỏ lòng kính trọng đối với Joule, đơn vị năng lượng trong hệ thống quốc tế hiện nay được gọi là “Joule”.

Nhiều thiết bị sử dụng “hiệu ứng joule”Bằng cách tạo ra nhiệt bằng cách cho dòng điện chạy qua vật dẫn, chẳng hạn như lò nướng, bếp, lò nướng bánh, đĩa, v.v.

Chúng tôi mời bạn để lại bình luận và câu hỏi của bạn về chủ đề thú vị này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1][2][3][4]

Để lại một trả lời

địa chỉ email của bạn sẽ không được công bố. Các trường bắt buộc được đánh dấu bằng *

Trang web này sử dụng Akismet để giảm spam. Tìm hiểu cách xử lý dữ liệu nhận xét của bạn.