Загрузка...При равномерно возрастающей силе тока выделилось количество теплоты
Закон Джоуля-Ленца
О чем эта статья:
8 класс, 10 класс
Закон Джоуля-Ленца
На примере многих бытовых приборов понятно, что если через участок цепи проходит электроток и при этом не совершается какая-либо работа, то происходит нагревание проводника. Иногда оно идет на пользу — например, в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен — например, перегрев электрической проводки в здании может вызвать пожар. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, и правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловое действие тока.
Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и российского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон назвали двойным именем.
Закон Джоуля-Ленца кратко: нагревание проводника или полупроводника прямо пропорционально его сопротивлению, времени действия тока и квадрату силы тока.
Поскольку сопротивление проводника определяют такие характеристики, как его длина, площадь и проводимость, верны следующие утверждения:
количество теплоты в проводнике снижается при увеличении площади его сечения;
тепловой эффект снижается при уменьшении длины проводника.
Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы с разным сопротивлением вначале последовательно, а после — параллельно. При последовательном подключении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном — наоборот.
Природа тепла в проводниках
Разберемся, как происходит нагрев проводника и каким образом этот процесс отвечает формулировке законе Джоуля-Ленца. Как известно, электрический ток представляет собой направленный поток электронов, если речь идет о металлах, и направленный поток ионов — если о растворах электролитов. Проводником называют такой металл, в котором много свободных электронов.
При подключении проводника к сети электроны начинают двигаться в одном направлении под действием электрического поля. При движении они сталкиваются с атомами проводника и передают им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость заряженных частиц, тем чаще происходят такие столкновения и больше выделяется кинетической энергии. Часть этой энергии трансформируется в тепло, поэтому проводник нагревается.
Высокая сила тока означает, что через сечение проводника проходит много свободных электронов и столкновения происходят часто. Соответственно, частицам проводника передается много энергии, и он греется сильнее. Именно поэтому в законе Ленца-Джоуля говорится о том, что количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока.
Теперь представим, что сечение проводника увеличилось. Конечно, столкновений частиц будет меньше, а значит — выделится меньше тепла. Вспоминаем, что удельное сопротивление проводника обратно пропорционально его сечению. Чем меньше сечение материала, тем выше его сопротивление и тем сильнее он нагревается. Вот мы и описали тепловое действие тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца.
Уравнение Джоуля-Ленца
Посмотрим, как данный закон выражается в математическом виде. Допустим, на некоем участке цепи проходит электрический ток и вызывает нагревание проводника. Если на этом участке нет каких-либо механических процессов или химических реакций, требующих энергозатрат, выделенная проводником теплота Q равна работе тока A.
Q = A
Поскольку А = IUt, где I — сила тока, U — напряжение, а t — время, Q = IUt.
Теперь вспомним, что напряжение можно выразить через сопротивление и силу тока U = IR. Подставим это в формулу:
Q = IUt = I(IR)t = I 2 Rt
Q = I 2 Rt
Мы выразили количество теплоты в проводнике через сопротивление — эта формула для закона Джоуля-Ленца называется интегральной.
Но бывает так, что сила электрического тока неизвестна, зато есть информация о напряжении на участке цепи. В таком случае нужно использовать закон Ома:
I = U/R
Исходя из этого, закон Джоуля-Ленца можно записать в виде дифференциальной формулы:
Напомним, что такое уравнение, как и предыдущее, верно только в том случае, когда вся работа электрического тока уходит на выделение тепла и нет других потребителей энергии.
Итак, у нас есть две формулы для определения количества теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества:
При расчетах используют следующие единицы измерения:
количество тепла Q— в джоулях (Дж);
силу тока I — в амперах (А);
сопротивление R — в омах (Ом);
время t — в секундах (с).
Практическое применение
Применение на практике закона Джоуля-Ленца заключается в том, что тепловым действием электрического тока можно управлять, подбирая проводники с нужным сопротивлением. К примеру, для электрических нагревательных приборов, которые должны выделять максимум тепла, выбирают проводники с высоким сопротивлением.
Низкое сопротивление, напротив, позволяет проводнику практически не нагреваться при прохождении тока. Поэтому на промышленных предприятиях с усиленными требованиями к пожаробезопасности для прокладки линий электропередач используется медный кабель. Удельное сопротивление меди сечением 1 мм 2 равно 0,0175 Ом, в то время как у алюминия оно составляет 0,0271 Ом. Медь практически не нагревается, чем снижает риск возгораний.
Примеры задач
Задача 1
Электроплита подключена к сети с напряжением 220 В. Какое количество тепла выделит ее нагревательный элемент за 50 минут, если известно, что сила тока в цепи составляет 10 А.
Решение:
t = 50 мин = 3000 с;
Для того, чтобы рассчитать количество тепла, в данном случае подойдет интегральная формула Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt, однако мы не знаем, чему равно сопротивление R. Однако согласно закону Ома R = U/I.
Вычислим сопротивление: R = U/I = 220/10 = 22 Ом.
Подставим имеющиеся данные в формулу:
Q = I 2 Rt = 10 2 × 22 × 3000 = 6 600 000 Дж = 6,6 МДж.
Ответ: плита выделит 6,6 мегаджоулей тепла.
Задача 2
Для обогрева дома требуется, чтобы отопительный прибор выделял 125 кДж тепла в час. Напряжение в электрической сети составляет 220 В. Каким должно быть электрическое сопротивление проводника, чтобы обеспечить данную теплоотдачу?
Решение:
Q = 125 Дж = 125 000 Дж;
В данном случае подойдет уравнение
Ответ: сопротивление проводника 1393,92 Ом.
За время t = 8 с при равномерно возраставшей силе тока
| 5 $ | скидка | 30% |
| 1 $ | скидка | 10% |
Продавец
Описание товара
За время t = 8 с при равномерно возраставшей силе тока в проводнике сопротивлением R = 8 Ом выделилось количество теплоты Q = 500 Дж. Определить заряд q, проходящий в проводнике, если сила тока в начальный момент времени равна нулю.
Дополнительная информация
Задача 30020. Подробное решение с краткой записью условия, формул и законов, используемых в решении, выводом расчетной формулы и ответом.
Если возникнут вопросы по решению, пишите. Постараюсь помочь.
Отзывы
С товаром «За время t = 8 с при равномерно возраставшей силе тока» также смотрят:
В целях противодействия нарушению авторских прав и права собственности, а также исключения необоснованных обвинений в адрес администрации сайта о пособничестве такому нарушению, администрация торговой площадки Plati (http://www.plati.market) обращается к Вам с просьбой — в случае обнаружения нарушений на торговой площадке Plati, незамедлительно информировать нас по адресу support@plati.market о факте такого нарушения и предоставить нам достоверную информацию, подтверждающую Ваши авторские права или права собственности. В письме обязательно укажите ваши контактные реквизиты (Ф.И.О., телефон).
В целях исключения необоснованных и заведомо ложных сообщений о фактах нарушения указанных прав, администрация будет отказывать в предоставлении услуг на торговой площадке Plati, только после получения от Вас письменных заявлений о нарушении с приложением копий документов, подтверждающих ваши авторские права или права собственности, по адресу: 123007, г. Москва, Малый Калужский пер. д.4, стр.3, Адвокатский кабинет «АКАР №380».
В целях оперативного реагирования на нарушения Ваших прав и необходимости блокировки действий недобросовестных продавцов, Plati просит Вас направить заверенную телеграмму, которая будет являться основанием для блокировки действий продавца, указанная телеграмма должна содержать указание: вида нарушенных прав, подтверждения ваших прав и ваши контактные данные (организиционно-правовую форму лица, Ф.И.О.). Блокировка будет снята по истечение 15 дней, в случае непредставления Вами в Адвокатский кабинет письменных документов подтверждающих ваши авторские права или права собственности.
- Мои покупки
- Мои закладки
- Мой чат
- API
- Поддержка
- Политика возвратов
Этот сайт использует cookie (куки) для обеспечения более эффективного пользовательского опыта. Подробнее читайте в нашей Политике использования файлов cookie.
Политика использования файлов cookie
Пожалуйста, внимательно ознакомьтесь с данной политикой использования файлов cookie, прежде чем пользоваться услугами plati.market. Посещая сайт plati.market вы соглашается с тем, что plati.market может использовать файлы cookie для их последующей обработки системами Google Analytics, Яндекс.Метрика.
Что такое cookies?
Cookies — это простые текстовые файлы, которые хранятся на вашем компьютере или мобильном устройстве сервером веб-сайта. Каждый файл cookie уникален для вашего веб-браузера. Он содержит некоторую анонимную информацию, такую как уникальный идентификатор, доменное имя сайта, некоторые цифры и числа.
Какие типы файлов cookie мы используем?
Необходимые файлы cookie
Необходимые файлы cookie позволяют нам предложить вам наилучший возможный опыт при доступе и навигации по нашему сайту и использовании его функций. Например, эти файлы cookie позволяют нам узнать, что вы создали учетную запись и вошли в нее.
Функциональные файлы cookie
Функциональные файлы cookie позволяют нам управлять сайтом в соответствии с вашим выбором. Например, мы узнаем ваше имя пользователя и запоминаем, как вы настраивали сайт при последующих посещениях.
Количество теплоты
Понятие количества теплоты.
Мы знаем, что внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами. Путем совершения работы и путём теплообмена. При осуществлении 2 способа изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты. Количество теплоты может быть, как положительным, так и отрицательным.
Если внутренняя энергия тела увеличивается в процессе теплообмена, то количество теплоты больше нуля. Если внутренняя энергия тела уменьшается в процессе теплообмена, то количество теплоты меньше нуля. То есть тело отдает количество теплоты. Отсюда можно сделать вывод:
Количеством теплоты называют ту часть внутренней энергии, которую тело теряет или получает при теплопередаче.
Отчего зависит Q
О пыт № 1: Возьмём два одинаковых сосуда. Нальем в один из них воду массой 400 г, а в другой растительное масло массой 400 г. Начнём их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров. Мы видим, что масло нагревается быстрее. Значит количество теплоты зависит от температуры. Опыт 2: Возьмём 1 кг воды и 1 кг подсолнечного масла. Нагреем оба сосуда на 1 градус. На нагревание воды было потрачено 4.200 Дж. А для нагревания масла потрачено 1700 Дж. Отсюда можно сделать вывод: Количество теплоты зависит от рода вещества.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 градус называется удельной теплоемкостью вещества.
Обозначается буквой С. Измеряется в Дж, поделить на кг, умножить на градус по Цельсию.
Опыт 3: Возьмём в одном сосуде 400 г воды, а в другом сосуде 200 г воды. Нагреем оба сосуда на одинаковое количество градусов. Для нагревания 1 сосуда потребовалось потратить большее количество теплоты. Вывод: количество теплоты зависит от массы.
Q требуется
При нагревании
Формула: Q = cm (t2 -t1)
При плавлении вещества
Плавлением называют переход вещества из твердого состояния в жидкое состояние.
Формула: Q = m * λ.
Физический смысл удельной теплоты плавления: лямбда показывает, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы расплавить 1 кг вещества при температуре плавления.
Единица измерения: Дж/кг.
При парообразовании
Парообразованием называют переход молекул из жидкости в пар.
Формула: Q = m * L
где L — удельная теплота парообразования. Физический смысл удельной теплоты парообразования: L показывает какое количество теплоты необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости при температуре кипения.
Единицы: Дж/кг.
Количество теплоты выделяется
- При горении топлива.
- При охлаждении вещества.
- При кристаллизации жидкости.
- При конденсации пара.
1. Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива.
Различают виды топлива: уголь, нефть, бензин, керосин, торф, спирт, природный газ и так далее.
Энергия, выделяющееся при полном сгорании топлива, называют теплотой сгорания топлива.
Формула: Q = m * q
где q называется удельной теплотой сгорания топлива.
Физический смысл: q показывает какое количество теплоты выделится при горении 1 кг топлива.
Единицы: Дж / кг.
2. При охлаждении веществ: (Так же как и при нагревании вещества).
Формула Q = cm (t2 — t1)
3. При кристаллизации веществ: (Так же как и при плавлении вещества).
Формула Q = m * λ
4. При парообразовании веществ: (Так же как и при парообразовании жидкости).
Формула Q = — m * λ
—>Решение задач и примеров —>
- Решения Лебедева М. И. (414)
- Решения Шимановича И.Л. (451)
- Разные решения по химии (328)
- Аналитическая геометрия (35)
- Комплексные числа (5)
- Пределы функций (15)
- Производные и дифференциалы (34)
- Интегральное исчисление (34)
- Дифференциальные уравнения (20)
- Ряды (31)
- Кратные, криволинейные интегралы (1)
- Контрольные на заказ (61)
—> 23.08.2021
ЮMoney+Банковская карта. Принимаются виды оплат: MasterCard, Visa, МИР, ЮMoney-кошелек (Снижена комиссия)
Оплата картой Каспи для Казахстана, пишите на почтовый ящик pmaxim2006@mail.ru
23.08.2021
В digiseller можно найти все решения, что и на fizmathim.ru Перейти в Магазин на digiseller
Можно воспользоваться формой поиска по первым 3-4 словам. Способы оплаты: Банковская карта, QIWI, Webmoney, Скины Steam, enot.io
26.04.2019
— Все задачи оформлены в текстовом редакторе Microsoft Word, по просьбе в индивидуальном порядке могу выслать в PDF формате.
— Ссылки действительны в течение 24 часов до первой попытки скачать (90 минут с момента первого скачивания).
— Instagram: @math_example
05.02.2019
— При добавлении товаров в корзину на сумму выше 250 руб. и оформлении заказа активируется 5 % скидка на оплату.
— Ссылка на скачивание задач, приходит на указанный вами почтовый ящик при оформлении заказа и его оплаты. Дополнительная рассылка оплаченных заказов на E-mail производится в течение нескольких минут/часов, тема писем имеет вид «Заказ xxxxx». —>
За время t = 20 с при равномерно возраставшей силе тока от нуля до некоторого значения в проводнике сопротивлением R = 5 Ом выделилось количество теплоты Q = 4 кДж Определить скорость нарастания силы
|
