Обчисліть джоулі

Відеоролик: Урок 109 (осн). Задачи на вычисление количества теплоты

Зміст

Крок
Метод 1 з 4: Обчислення роботи в джоулях
Метод 2 з 4: Розрахунок кінетичної енергії в джоулях
Метод 3 з 4: Розрахунок Джоуля як електричної енергії
Метод 4 з 4: Обчислення теплоти в джоулях
Поради
Попередження
Потреби

Джоуль (J), названий на честь англійського фізика Джеймса Едварда Джоуля, є однією з найважливіших одиниць Міжнародної метричної системи. Джоуль використовується як одиниця праці, енергії та тепла і широко використовується в науці. Якщо ви хочете, щоб ваша відповідь була в джоулях, завжди використовуйте стандартні наукові одиниці.

Крок

Метод 1 з 4: Обчислення роботи в джоулях

Визначення праці. Робота визначається як постійна сила, прикладена до предмета для переміщення його на певну відстань. Якщо застосовується не більше однієї сили, її можна обчислити як потужність X відстань, і можуть бути записані в одиницях джоулів (еквівалентно "ньютоновому метру"). У нашому першому прикладі ми беремо людину, яка хоче додати вагу від підлоги до висоти грудей, і обчислюємо, скільки роботи ця людина зробила.
- Сила повинна бути прикладена у напрямку руху. Утримуючи предмет і рухаючись вперед, на ньому не робиться ніякої роботи, оскільки ви не штовхаєте предмет у напрямку його руху.
Визначте масу об’єкта, що переміщується. Маса предмета необхідна для обчислення сили, необхідної для його переміщення. У нашому прикладі ми стверджуємо, що вага має масу 10 кг.
- Не використовуйте фунтів або інших одиниць, які не є стандартними, інакше остаточна відповідь не буде в джоулях.
Обчисліть силу. Сила = маса х прискорення. У нашому прикладі, піднімаючи гирю прямо вгору, прискорення, яке ми намагаємось подолати, дорівнює силі тяжіння, 9,8 м / с вниз. Обчисліть силу, необхідну для підняття ваги, використовуючи (10 кг) х (9,8 м / с) = 98 кг м / с = 98 Ньютонів (Н).
- Якщо об’єкт переміщується горизонтально, гравітація тут не має значення. Натомість проблема може підказати вам розрахувати силу, необхідну для подолання опору тертю. Якщо йому вказано, яким є прискорення об’єкта, коли його штовхають, то ви можете помножити дане прискорення на масу.
Виміряйте відстань, до якої рухається об’єкт. У цьому прикладі ми припускаємо, що вага піднімається на 1,5 метра (м). Відстань потрібно вимірювати в метрах, інакше остаточна відповідь не може бути записана в Джоулях.
Помножте силу на відстань. Щоб підняти вагу 98 ньютонів 1,5 метра, вам доведеться виконати 98 х 1,5 = 147 джоулів роботи.
Обчисліть працю для предметів, що рухаються під кутом. Наш приклад вище був простим: хтось застосував на об’єкт висхідну силу, і об’єкт піднявся вгору. Іноді напрямок сили та рух об’єкта не зовсім однакові, оскільки на об’єкт діють множинні сили. У наступному прикладі ми розрахуємо, скільки Джоулів потрібно, щоб перетягнути сани на 25 метрів крізь сніг, натягнувши мотузку, прикріплену до саней, під кутом 30 ° до горизонталі. Справедливо наступне: робота = сила x cos (θ) x відстань. "Символом" є грецька буква "тета" і представляє кут між напрямком сили та напрямком руху.
Визначте загальну прикладену силу. У цій задачі ми говоримо, що хтось тягне мотузку силою 10 ньютонів.
- Якщо сила "вправо", "вгору" або "у напрямку руху" вже подана, "сила х cos (") "є такою, як розраховано, і ви можете продовжувати множення значень.
Обчисліть відповідну силу. Лише частина сили тягне карету вперед. Оскільки мотузка під кутом вгору, сила, що залишилася, намагається підняти каретку вгору, протидіючи силі тяжіння. Обчисліть силу в напрямку руху:
- У нашому прикладі кут θ між землею і мотузкою дорівнює 30º.
- Обчисліть cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = приблизно 0,866. Ви можете використовувати калькулятор, щоб знайти це значення, але переконайтесь, що ваш калькулятор використовує правильну одиницю виміру, як та, в якій вказаний кут (градуси або радіани).
- Помножте загальну силу x cos (θ). У нашому прикладі 10N x 0,866 = 8,66 N у напрямку руху.
Помножте силу х на відстань. Тепер, коли ми знаємо, яка сила прикладена до напрямку руху, ми можемо розрахувати роботу як зазвичай. Наша проблема говорить нам, що карета була буксирована на 20 метрів вперед, тому ми розраховуємо 8,66 Н х 20 м = 173,2 джоуля роботи.

Метод 2 з 4: Розрахунок кінетичної енергії в джоулях

Зрозумійте деяку кінетичну енергію. Кінетична енергія - це кількість енергії у формі руху. Як і будь-яка форма енергії, вона може бути виражена в Джоулях.
- Кінетична енергія дорівнює обсягу роботи, що виконується для прискорення нерухомого об’єкта до певної швидкості. Як тільки ця швидкість досягається, об'єкт зберігає цю кількість кінетичної енергії, поки ця енергія не перетвориться в тепло (тертям), гравітаційну енергію (рухаючись проти сили тяжіння) або інші види енергії.
Визначте масу предмета. Наприклад, ми можемо виміряти кінетичну енергію велосипеда та велосипедиста. Припустимо, маса велосипедиста - 50 кг, а велосипеда - 20 кг. Це складає загальну масу м 70 кг. Тепер ми можемо розглядати їх разом як 1 предмет 70 кг, оскільки вони рухаються разом з однаковою швидкістю.
Обчисліть швидкість. Якщо ви вже знаєте швидкість або векторну швидкість велосипедиста, запишіть це і рухайтеся далі. Якщо вам все-таки потрібно обчислити це, скористайтесь одним із наведених нижче методів. Це стосується швидкості, а не векторної швидкості (яка є швидкістю в певному напрямку), хоча буква буває часто v використовується для швидкості. Ігноруйте будь-які повороти велосипедиста і робіть вигляд, що вся відстань знаходиться по прямій.
- Якщо велосипедист рухається з постійною швидкістю (без прискорення), виміряйте відстань, яку подолав велосипедист, і розділіть на кількість секунд, яку потрібно було подолати на цій відстані. Це обчислює середню швидкість, яка в цьому випадку така ж, як швидкість у будь-який даний момент.
- Якщо велосипедист рухається з постійним прискоренням і не змінює напрямку, обчисліть його швидкість на час т із формулою ’швидкість (час t) = (прискорення) (т) + початкова швидкість. Час у секундах, швидкість у метрах / секунду та прискорення у м / с.
Введіть наступні цифри в наступну формулу. Кінетична енергія = (1/2)м "v. Наприклад, якщо велосипедист рухається зі швидкістю 15 м / с, тоді його кінетична енергія дорівнює K = (1/2) (70 кг) (15 м / с) = (1/2) (70 кг) ( 15 м / с) (15 м / с) = 7875 кгм / с = 7875 ньютонів = 7875 джоулів.
- Формулу кінетичної енергії можна отримати з визначення роботи, W = FΔs, і рівняння v = v₀ + 2aΔs. Δs означає "переміщення", або також пройдену відстань.

Метод 3 з 4: Розрахунок Джоуля як електричної енергії

Обчисліть енергію, використовуючи потужність х час. Потужність визначається як енергія, споживана за одиницю часу, тому ми можемо обчислити спожиту енергію за потужністю, помноженою на одиницю часу. Це корисно при вимірюванні потужності у ватах, оскільки 1 ват = 1 Джоуль / секунда. Щоб дізнатись, скільки енергії використовує лампа розжарювання 60 Вт за 120 секунд, помножте наступне: (60 Вт) х (120 секунд) = 7200 джоулів.
- Цю формулу можна використовувати для будь-якої потужності, виміряної у ватах, але найбільш очевидною є електрика.
Використовуйте наведені нижче кроки для розрахунку потоку енергії в електричному ланцюзі. Наведені нижче кроки наведені як практичний приклад, але ви також можете використовувати цей метод для розуміння теоретичних проблем фізики. Спочатку обчислюємо потужність P за формулою P = I x R, де I - сила струму в амперах, а R - опір в Омах. Ці одиниці дають нам потужність у ватах, тому з цього моменту ми можемо застосовувати формулу, використаною на попередньому кроці для розрахунку енергії в джоулях.
Виберіть резистор. Резистори позначаються в омах, їх значення вказується безпосередньо на резисторі або позначається серією кольорових кілець. Ви також можете перевірити опір омметром або мультиметром. У цьому прикладі ми припускаємо, що опір, який ми використовуємо, становить 10 Ом.
Підключіть резистор до джерела енергії (акумулятора). Використовуйте для цього затискачі або помістіть резистор у тест-ланцюг.
Нехай через нього протягом певного часу протікає струм. У цьому прикладі ми беремо 10 секунд як одиницю часу.
Виміряйте силу струму. Ви робите це за допомогою витратоміра або мультиметра. Більшість побутових струмів в міліамперах, тому ми припускаємо, що струм становить 100 міліампер, або 0,1 ампера.
Використовуйте формулу P = I x R. Тепер, щоб знайти потужність, ви множите квадратну потужність струму на опір. Це дає вам потужність цієї схеми у ватах. Квадрат 0,1 дає 0,01. Помножте це на 10, і ви отримаєте вихідну потужність 0,1 Вт, або 100 міліват.
Помножте потужність на час, що минув. Це забезпечує енергію в джоулях. 0,1 Вт х 10 секунд дорівнює 1 джоулю електричної енергії.
- Оскільки Джоуль є невеликою одиницею, і оскільки споживання енергії приладами зазвичай вказується у ватах, міліваттах і кіловатах, часто зручніше розраховувати кількість кВт-годин (кіловат-годин), споживаних приладом. 1 ват дорівнює 1 джоулю в секунду, або 1 джоуль дорівнює 1 ват секунди; один кіловат дорівнює 1 кілоджоулю на секунду, а один кіловат - 1 кіловат секунди. За годину відбувається 3600 секунд, тому 1 кіловат-година дорівнює 3600 кіловат-секундам, 3600 кілоджоулям або 3600000 джоулів.

Метод 4 з 4: Обчислення теплоти в джоулях

Визначте масу предмета, до якого додається тепло. Для цього використовуйте ваги або ваги. Якщо предмет є рідиною, спочатку зважте порожній контейнер, в який потрапить рідина. Вам доведеться відняти це з маси ємності та рідини разом, щоб знайти масу рідини. У цьому прикладі ми припускаємо, що об’єктом є 500 грамів води.
- Використовуйте грами, а не іншу одиницю, інакше результат не буде вказаний у джоулях.
Визначте питому теплоємність предмета. Цю інформацію можна знайти в довідниках з хімії binas, але ви також можете знайти її в Інтернеті. Це питоме тепло для води c дорівнює 4,19 джоуля на грам для кожного градуса Цельсія - або 4,1855, якщо ви хочете бути дуже точним.
- Питома теплоємність дещо змінюється залежно від температури та тиску. У різних організаціях та підручниках використовуються різні "стандартні температури", тож для питомого тепла води ви можете знайти цілих 4179.
- Ви також можете використовувати Кельвіна замість Цельсія, оскільки 1 градус однаковий для обох страв (нагрівання чогось з 3ºС те саме, що і з 3 Кельвінами). Не використовуйте Фаренгейта, інакше результат не буде подано в Джоулях.
Визначте поточну температуру об’єкта. Якщо об’єктом є рідина, можна скористатися звичайним (ртутним) термометром. Для інших предметів вам може знадобитися термометр із зондом.
Нагрійте предмет і знову виміряйте температуру. Це дозволяє виміряти кількість тепла, яке було додано до предмета під час нагрівання.
- Якщо ви хочете дізнатися загальну кількість енергії, що зберігається у формі тепла, ви можете зробити вигляд, що початкова температура була абсолютною нульовою: 0 Кельвіна або -273,15 ° С.
Відніміть вихідну температуру від температури після нагрівання. Це дає результат зміни температури об'єкта. Припускаючи, що спочатку вода мала 15 градусів Цельсія, а після нагрівання 35 градусів Цельсія, отже, зміна температури становить 20 градусів Цельсія.
Помножте масу об’єкта на питому теплоємність і зміну температури. Ви пишете цю формулу як H =мкΔТ., де ΔT являє собою "зміну температури". У цьому прикладі це стає 500 г х 4,19 х 20 = 41 900 джоулів.
- Тепло зазвичай виражається в калоріях або кілокалоріях. Калорія визначається як кількість тепла, необхідне для того, щоб 1 грам води піднявся на 1 градус Цельсія, тоді як кілокалорія (або Калорія) - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури 1 кілограма води на 1 градус Цельсія. ... У наведеному вище прикладі для підвищення температури 500 грам води на 20 градусів Цельсія потрібно 10 000 калорій або 10 кілокалорій.

Поради

З джоулем пов’язана ще одна одиниця роботи та енергії, яка називається ерг; 1 ерг дорівнює 1 диновій силі, помноженій на відстань 1 см. Один джоуль дорівнює 10 000 000 ерг.

Попередження

Хоча терміни "джоуль" і "ньютономір" відносяться до однієї і тієї ж одиниці, на практиці "джоуль" використовується для позначення будь-якої форми енергії та для роботи, що виконується по прямій лінії, як у прикладі підйому сходами вище. Коли використовується для обчислення крутного моменту (сили на обертається об'єкт), ми віддаємо перевагу терміну "метр Ньютона".