gtemata.com

Cum se calculează jouliile

Joule (J) este o unitate fundamentală de măsurare a Sistemului Internațional și își ia numele de la fizicianul englez James Edward Joule. Joule este unitatea de măsură pentru muncă, energie și căldură și este utilizată pe scară largă în aplicații științifice. Dacă doriți ca soluția la o problemă să fie exprimată în jouli, atunci trebuie să vă asigurați că utilizați unitățile de măsură standard în calcule. "picioare pe kilogram" sau le "BTU

" (Unități termice britanice) sunt încă folosite în unele țări, dar pentru sarcinile fizicii nu există loc pentru unitățile de măsură care nu sunt codificate la nivel internațional.

paşi

Metoda 1

Calculați lucrarea în Joule
1
Înțelegeți conceptul fizic de lucru. Dacă împingeți o cutie într-o cameră, ați făcut ceva lucru. Dacă o ridici, ați făcut ceva lucru. Există doi factori determinanți care trebuie îndeplinite pentru ca acesta să existe "de lucru":
  • Trebuie să aplicați o forță constantă.
  • Forța trebuie să genereze deplasarea corpului în direcția în care este aplicat.
  • 2
    Definiți lucrarea. Este o dimensiune care este ușor de calculat. Doar înmulțiți forța de forță folosită pentru a muta corpul. De obicei, oamenii de știință măsoară forța în Newton și distanța în metri. Dacă utilizați aceste unități, produsul va fi exprimat în jouli.
  • Când citiți o problemă de fizică cu privire la locul de muncă, opriți și evaluați unde se aplică forța. Dacă ridicați o cutie, atunci veți împinge în sus și cutia va crește, astfel că distanța este reprezentată de înălțimea atinsă. Dar dacă umblați cu o cutie, atunci știți că nu există nici o muncă. Aplicați suficientă forță pentru a nu lăsa caseta să cadă, dar nu generează o mișcare ascendentă.
  • 3
    Găsiți masa obiectului în care vă deplasați. Trebuie să cunoașteți aceste date pentru a înțelege forța necesară pentru ao muta. În exemplul nostru anterior, considerăm o persoană care ridică o greutate de la sol la piept și calculează munca pe care persoana o exercită asupra ei. Să presupunem că obiectul are o masă de 10 kg.
  • Nu utilizați grame, kilograme sau alte unități de măsură care nu sunt standardizate prin Sistemul internațional, altfel nu veți obține locul de muncă exprimat în jouli.
  • 4
    Calculați puterea. Forța = masa x accelerația. În exemplul anterior, ridicarea greutății în linie dreaptă, accelerarea pe care trebuie să o depășim este cea a gravitației, care este egală cu 9,8 m / s2. Calculați forța necesară pentru a deplasa obiectul în sus prin înmulțirea masei sale prin accelerația gravitațională: (10 kg) x (9,8 m / s2) = 98 kg m / s2 = 98 newton (N).
  • Dacă obiectul se deplasează orizontal, gravitatea este irelevantă. Problema, cu toate acestea, vă poate cere să calculați forța necesară pentru a depăși fricțiunea. Dacă problema vă oferă datele despre accelerația pe care o suferă atunci când este împinsă, atunci este suficient să multiplicați această valoare cu masa cunoscută a obiectului în sine.
  • 5
    Măsurați mișcarea. În acest exemplu, să presupunem că greutatea este ridicată pentru 1,5 m. Este esențial ca distanța să fie măsurată în metri, altfel nu veți obține un rezultat în jouli.
  • 6
    Multiplicați forța pe distanță. Pentru a ridica 98 N de 1,5 m, va trebui să exersați o lucrare de 98 x 1,5 = 147 J.
  • 7
    Calculați lucrarea pentru obiectele care se mișcă în diagonală. Exemplul nostru precedent este destul de simplu: o persoană exercită o forță ascendentă și obiectul se ridică. Cu toate acestea, uneori, direcția în care forța și direcția în care este mutat obiectul nu sunt exact identice, datorită forțelor diferite care acționează asupra corpului. În exemplul de mai jos, vom calcula cantitatea de jouli necesară pentru ca un copil să tragă o sanie de 25 de metri pe o suprafață plană acoperită cu zăpadă tragând un cablu care formează un unghi de 30 °. În acest caz, lucrarea este: work = force x cosine (θ) x distanța. Simbolul θ este litera grecească "teta" și descrie unghiul format de direcția forței și direcția de deplasare.
  • 8
    Găsiți forța totală aplicată. Pentru această problemă, să presupunem că copilul aplică o forță de 10 N. la frânghie.
  • Dacă problema vă oferă datele din "vigoare în direcția de mișcare", aceasta corespunde porțiunii formulei "forța x cos (θ)" și puteți sări peste această multiplicare.
  • 9
    Calculați puterea relevantă. Numai o parte din forță este eficientă pentru generarea mișcării diapozitivului. Deoarece coarda este înclinată în sus, restul forței este folosit pentru a trage sania în sus "risipindu-l" împotriva gravitației. Calculează forța aplicată în direcția mișcării:
  • În exemplul nostru, unghiul θ format între zăpada plat și coarda este de 30 °.
  • Calculați cos (θ). cos (30 °) = (√3) / 2 = aproximativ 0,866. Puteți utiliza un calculator pentru a obține această valoare, dar asigurați-vă că este setat la aceeași unitate ca unghiul în cauză (grade sau radiani).
  • Înmulțiți forța totală pentru cosinusul lui θ. Deci, considerăm datele exemplului și: 10 N x 0.866 = 8.66 N adică valoarea forței aplicată în direcția mișcării.
  • 10
    Înmulțiți forța pentru a vă deplasa. Acum, că știți câtă forță este efectiv funcțională pentru a vă deplasa, puteți calcula munca ca de obicei. Problema vă informează că copilul se mișcă înainte cu 20 m, astfel încât lucrarea este: 8.66 N x 20 m = 173.2 J.

    • Metoda 2

    Calculați Joulele de la Watte
    1
    Înțelegeți conceptul de putere și energie. Wattele sunt unitatea de măsură a putere, adică, cât de repede este folosită energia (energia în unitatea de timp). Joulele măsoarăenergie. Pentru a obține jouli din wați trebuie să cunoașteți valoarea timpului. Cu cât mai mult un curent curge, cu atât mai multă energie pe care o folosește.
  • 2
    Înmulțiți wați-urile pentru secunde și veți obține jouliile. Un dispozitiv de 1 watt consumă 1 joulu de energie în fiecare secundă. Dacă înmulțiți numărul de wați cu numărul de secunde, veți obține jouliile. Pentru a afla cât de multă energie consumă un bec de 60W în 120 de secunde, pur și simplu procedați la această multiplicare: (60 watt) x (120 secunde) = 7200 J.
  • Această formulă este potrivită pentru orice tip de putere măsurată în wați, dar electricitatea este cea mai comună aplicație.

    • Metoda 3

    Calculați energia cinetică în Joule
    1
    Înțelegeți conceptul de energie cinetică. Aceasta este cantitatea de energie pe care un corp în mișcare îl are sau cumpără. La fel ca orice unitate de energie, chiar cel cinetic poate fi exprimat în jouli.
    • Energia cinetică este egală cu munca efectuată pentru a accelera un corp staționar până la o anumită viteză. Odată ce a atins această viteză, corpul reține energia cinetică până când este transformată în căldură (de la frecare), în potențială energie gravitațională (în mișcare împotriva gravitației) sau într-un alt tip de energie.
  • 2
    Găsiți masa obiectului. Luați în considerare că vrem să măsuram energia unui ciclist și a bicicletei lui. Să presupunem că atletul are o masă de 50 kg, iar cea a bicicletei este de 20 kg - masa totală m este egal cu 70 kg. În acest moment, putem considera grupul "ciclist + bike" drept un singur corp de 70 kg, deoarece ambele vor călători la aceeași viteză.
  • 3
    Calculați viteza. Dacă știți deja acest lucru, scrieți-l și continuați cu problema. Dacă, în schimb, trebuie să o calculați, utilizați una dintre metodele descrise mai jos. Amintiți-vă că suntem interesați de viteza scalară și nu de viteza vectorului (care ia în considerare și direcția), pentru a simboliza viteza pe care o folosim v. Din acest motiv, ignoră fiecare curbă și schimbare de direcție pe care ciclistul o va face și consideră că se mișca mereu în linie dreaptă.
  • Dacă călărețul se mișcă cu o viteză constantă (fără accelerare), el măsoară distanța parcursă în metri și împarte această valoare cu numărul de secunde pe care-l folosea pentru a face călătoria. Acest calcul vă oferă viteza medie care, în cazul nostru, este constantă în orice moment.
  • Dacă biciclistul accelerează în mod constant și nu schimbă direcția, el își calculează viteza la un anumit moment T cu formula lui "viteza instantanee = (accelerație) (T) + viteza inițială. Utilizați secundele pentru a măsura timpul, metri pe secundă (m / s) pentru viteză și m / s2 pentru accelerare.
  • 4
    Introduceți toate datele din formula de mai jos. Energia cinetică = (1/2) mv2. De exemplu, să luăm în considerare un ciclist care călătorește cu o viteză de 15 m / s, energia sa kinetică K = (1/2) (70 kg) (15 m / s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm2/ s2 = 7875 newton metri = 7875 J.
  • Formula de energie cinetică poate fi dedusă din definiția muncii, W = FΔs, și din ecuația cinematică v2 = v02 + 2aΔs. Unde se referă Δs "schimbarea poziției", adică la distanța parcursă.

    • Metoda 4

    Calculați căldura în Joule

    1
    Găsiți masa obiectului de încălzit. Utilizați o scală pentru această operație. Dacă obiectul este în stare lichidă, mai întâi măsurați recipientul gol (tara). Va trebui să scăpați această valoare de la următoarea măsurătoare pentru a găsi numai masa lichidului. În cazul nostru, considerăm că obiectul este reprezentat de 500 g de apă.
    • Este important să utilizați grame și nu o altă unitate de măsură a masei, altfel rezultatul nu va fi în jouli.
  • 2
    Găsiți căldura specifică a obiectului. Aceasta este o informație disponibilă în cărțile de chimie, dar o puteți găsi și online. În cazul apei, căldură specifică c este egală cu 4,19 jouli pe gram pentru fiecare grad Celsius sau, pentru a fi mai precis, 4,855.
  • Schimbările specifice de căldură se bazează ușor pe presiune și temperatură. Diferitele manuale și organizații științifice folosesc valorile "temperatura standard" ușor diferit, astfel încât, de asemenea, puteți găsi că căldura specifică a apei este indicată ca fiind 4.79.
  • Puteți utiliza gradele Kelvin în loc de grade Celsius, deoarece diferența de temperatură rămâne constantă în cele două scale (încălzirea unui obiect pentru creșterea temperaturii cu 3 ° C echivalează cu creșterea cu 3 ° K). Nu utilizați Fahrenheit, altfel rezultatul nu va fi exprimat în jouli.
  • 3
    Găsiți temperatura curentă a corpului. Dacă este un material lichid, utilizați un termometru cu bulb. În alte cazuri va fi nevoie de un instrument de sonde.
  • 4
    Încălziți obiectul și măsurați din nou temperatura acestuia. Acest lucru vă permite să urmăriți înapoi cantitatea de căldură adăugată materialului.
  • Dacă doriți să măsurați energia stocată ca căldură, trebuie să presupuiți că temperatura inițială este la zero absolută, 0 ° K sau -273,15 ° C. Acest lucru nu este deosebit de util.
  • 5
    Se scade temperatura inițială de la valoarea obținută după aplicarea căldurii. Această diferență reprezintă schimbarea temperaturii corpului. Luați în considerare temperatura inițială a apei de 15 ° C și temperatura după încălzire de 35 ° C - în acest caz, diferența de temperatură este de 20 ° C.
  • 6
    Înmulțiți masa obiectului prin diferența de căldură și temperatură. Această formulă este: H = mcΔT, unde ΔT înseamnă "diferența de temperatură". Urmând datele din exemplu, formula aduce: 500 g x 4,19 x 20 ° C, adică 41900 j.
  • Căldura este cel mai frecvent exprimată în calorii sau kilocalorii. O calorie este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii de 1 g de apă cu 1 ° C, în timp ce o cantitate de kilocalorie este cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii de 1 kg de apă cu 1 ° C. În exemplul precedent, creșterea temperaturii a 500 g de apă cu 20 ° C am folosit 10.000 de calorii sau 10 kilocalorii.

    • Metoda 5

    Calculați energia electrică în Joule
    1
    Urmați pașii următori pentru a calcula fluxul de energie într-un circuit electric. Acestea descriu un exemplu practic, dar puteți folosi aceeași metodă pentru a înțelege o gamă largă de probleme de fizică. Mai întâi trebuie să calculați puterea P mulțumită formulei: P = I2 x R, unde I este intensitatea curentului exprimată în amperi (amp) și R este rezistența circuitului în ohmi. Aceste unități permit obținerea puterii în wați și de la această valoare se obține energia în jouli.
  • 2
    Alegeți un rezistor. Acestea sunt elemente ale unui circuit care sunt diferențiate cu valoarea în ohmi ștampilate pe ele sau printr-o serie de benzi colorate. Puteți testa rezistența unui rezistor conectându-l la un multimetru sau la un ohmmetru. Pentru exemplul nostru, considerăm o rezistență de 10 ohmi.
  • 3
    Conectați rezistorul la o sursă de curent. Puteți utiliza cabluri cu clipuri Fahnestock sau cu un cioc de crocodil - în mod alternativ puteți introduce rezistența într-o singură baza experimentală.
  • 4
    Activează fluxul curent în circuit pentru o anumită perioadă de timp. Să presupunem 10 secunde.
  • 5
    Măsurați puterea curentului. Pentru a face acest lucru, trebuie să aveți un ampermetru sau un multimetru. Majoritatea sistemelor de uz casnic utilizează un curent electric în milliampe, adică în mii de amperi - din acest motiv, presupunem că intensitatea este egală cu 100 milliampuri sau 0,1 amperi.
  • 6
    Utilizați formula P = I2 x R. Pentru a găsi puterea, înmulțiți pătratul curentului pentru rezistență - produsul vă va furniza puterea exprimată în wați. Prin creșterea valorii de 0.1 amperi pătrat, veți obține 0.01 amperi2, iar acest lucru înmulțit cu 10 ohmi vă oferă puterea de 0,1 wați sau 100 milliwați.
  • 7
    Înmulțiți puterea pentru timpul în care ați aplicat energia electrică. În acest fel veți obține valoarea energiei emise în jouli: 0,1 wați x 10 secunde = 1 J de energie electrică.
  • Deoarece un joulu este o unitate mică de măsură și deoarece aparatele de uz casnic sunt adesea calibrate în wați, milliwați sau kilowați pentru a indica cantitatea de energie pe care o consumă, furnizorii de energie electrică exprimă energia consumată în kilowați. Un watt corespunde unei joule pe secundă (sau o joulă este egală cu un watt pe secundă) - un kilowatt este echivalent cu un kilojoule pe secundă și cu un kilojoule până la 1 kilowatt pe secundă. Deoarece există 3600 de secunde într-o oră, 1 kilowatt oră este egală cu 3600 kilowați pe secundă, 3600 kilojouli sau 3.600.000 jouli.

    • Sfaturi

    • Există o altă unitate de măsură care se referă la joule și care măsoară munca și energia: erg. Un erg corespunde unei forțe de forță aplicată la o distanță de un centimetru. Un joulu corespunde unui număr de 10.000.000 ergs.

    Avertismente

    • Deși termenii "joule" și "newton-metru" descrie aceeași unitate, în practică "joule" este folosit pentru a reprezenta fiecare formă de energie și de muncă aplicată într-o linie dreaptă. Atunci când cuplul trebuie să fie exprimat, adică o forță aplicată unui obiect care se rotește, atunci este preferabil să se folosească "newton-metru".

    Lucruri de care ai nevoie

    Energie cinetică sau de lucru:

    • Timer sau cronometru
    • Balanța
    • Calculator cu funcția cosinus (numai pentru muncă, nu este întotdeauna necesar)

    electricitate:

    • rezistor
    • Cabluri experimentale sau bază
    • Multimetru (un ohmmetru separat și ampermetru)
    • Un ciocan sau o clemă cu un cioc de crocodil

    căldură:

    • Obiect de încălzit
    • Sursă de căldură (ca un arzător Bunsen)
    • Termometru (atât bec cât și sonda)
    • Cartea chimică (pentru a cunoaște capacitatea termică specifică a obiectului încălzit)
    Distribuiți pe rețelele sociale:

    înrudit