Определение количество теплоты выделенное током

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание и, по закону сохранения энергии,

Таким образом, используя выражения (4), (1) и (2), получим:

Выражение (5) и представляет собой закон Джоуля – Ленца, экспериментально установленный независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э.X. Ленцем.

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА – это отношение работы тока за время (t) к этому интервалу времени.

В системе СИ: ([P] = B cdot A =) Вт.

Если силу тока в проводнике уменьшить в (2) раза, то количество теплоты, выделяемое проводником с током

При перемещении заряда (20cdot10^<-9>) Кл из точки с потенциалом (700) В в точку с потенциалом (200) В поле совершит работу

Для того чтобы расплавить за (1) мин (6) кг свинца, взятого при температуре плавления, мощность нагревателя должна быть ( (lambda=22,6) кДж/кг)

Напряжение на электрической лампе – (20) В, а сила тока в ней – (5) А. Работа тока за (2) с равна

При перемещении положительного заряда 20 нКл из точки с потенциалом (φ_1=) (+100 В) в точку с потенциалом (φ_2 = ) (–400 В) электрическое поле совершит работу

Выражение для вычисления работы электрического тока

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется по

Две электрические лампы имеют одинаковые мощности и рассчитаны на напряжения (U_1=5) В и (U_2=20) В. Определите отношение сопротивлений (frac) .

Что можно измерить электросчетчиком в квартире?

Вычислите работу тока в паяльнике за (15) минут, если он рассчитан на напряжение (130) В и силу тока (0,7) А.

Какова сила тока в лампе карманного фонарика, если ее мощность – (1) Вт, а напряжение на ней – (2,!5) В?

Сколько времени понадобится, чтобы вскипятить (0,5) литра воды, находящейся при температуре (20^ C) , если для ее кипячения используют кипятильник из нихромовой проволоки длиной (1) м и площадью поперечного сечения (0,02) мм (_2) ?

Напряжение равно (110) В (Удельное сопротивление нихрома – (1,1) (cfrac< Омcdot мм^2><м>) ). Потерями теплоты в окружающую среду пренебречь.

Формула количества теплоты

Определение и формула количества теплоты

Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами:

1. совершая над системой работу,
2. при помощи теплового взаимодействия.

Передача тепла телу не связана с совершением над телом макроскопической работы. В данном случае изменение внутренней энергии вызвано тем, что отдельные молекулы тела с большей температурой совершают работу над некоторыми молекулами тела, которое имеет меньшую температуру. В этом случае тепловое взаимодействие реализуется за счет теплопроводности. Передача энергии также возможна при помощи излучения. Система микроскопических процессов (относящихся не ко всему телу, а к отдельным молекулам) называется теплопередачей. Количество энергии, которое передается от одного тела к другому в результате теплопередачи, определяется количеством теплоты, которое предано от одного тела другому.

Теплотой называют энергию, которая получается (или отдается) телом в процессе теплообмена с окружающими телами (средой). Обозначается теплота, обычно буквой Q.

Это одна из основных величин в термодинамике. Теплота включена в математические выражения первого и второго начал термодинамики. Говорят, что теплота – это энергия в форме молекулярного движения.

Теплота может сообщаться системе (телу), а может забираться от нее. Считают, что если тепло сообщается системе, то оно положительно.

Формула расчета теплоты при изменении температуры

Элементарное количество теплоты обозначим как $delta Q$. Обратим внимание, что элемент тепла, которое получает (отдает) система при малом изменении ее состояния не является полным дифференциалом. Причина этого состоит в том, что теплота является функцией процесса изменения состояния системы.

Элементарное количество тепла, которое сообщается системе, и температура при этом меняется от Tдо T+dT, равно:

где C – теплоемкость тела. Если рассматриваемое тело однородно, то формулу (1) для количества теплоты можно представить как:

$$delta Q=c m d T=nu c_ d T(2)$$

где $c=frac$ – удельная теплоемкость тела, m – масса тела, $c_=c cdot mu$ — молярная теплоемкость, $mu$ – молярная масса вещества, $nu=frac$ – число молей вещества.

Если тело однородно, а теплоемкость считают независимой от температуры, то количество теплоты ($Delta Q$), которое получает тело при увеличении его температуры на величину $Delta t = t_2 — t_1$ можно вычислить как:

$$Delta Q=c m Delta t(3)$$

где t₂, t₁ температуры тела до нагрева и после. Обратите внимание, что температуры при нахождении разности ($Delta t$) в расчетах можно подставлять как в градусах Цельсия, так и в кельвинах.

Формула количества теплоты при фазовых переходах

Переход от одной фазы вещества в другую сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которая носит название теплоты фазового перехода.

Так, для перевода элемента вещества из состояния твердого тела в жидкость ему следует сообщить количество теплоты ($delta Q$) равное:

$$delta Q=lambda d m$$

где $lambda$ – удельная теплота плавления, dm – элемент массы тела. При этом следует учесть, что тело должно иметь температуру, равную температуре плавления рассматриваемого вещества. При кристаллизации происходит выделение тепла равного (4).

Количество теплоты (теплота испарения), которое необходимо для перевода жидкости в пар можно найти как:

где r – удельная теплота испарения. При конденсации пара теплота выделяется. Теплота испарения равна теплоте конденсации одинаковых масс вещества.

Единицы измерения количества теплоты

Основной единицей измерения количества теплоты в системе СИ является: [Q]=Дж

Внесистемная единица теплоты, которая часто встречается в технических расчетах. [Q]=кал (калория). 1 кал=4,1868 Дж.

Примеры решения задач

Задание. Какие объемы воды следует смешать, чтобы получить 200 л воды при температуре t=40С, если температура одной массы воды t₁=10С, второй массы воды t₂=60С?

Решение. Запишем уравнение теплового баланса в виде:

где Q=cmt – количество теплоты приготовленной после смешивания воды; Q₁=cm₁t₁ — количество теплоты части воды температурой t₁ и массой m₁; Q₂=cm₂t₂— количество теплоты части воды температурой t₂ и массой m₂.

Из уравнения (1.1) следует:

cm>_ <2>t_ <2>rightarrow mathrm=mathrm_ <1>t_<1>+mathrm<

m>_ <2>t_ <2>rightarrow \ rightarrow rho mathrm=rho V_ <1>t_<1>+rho mathrm_ <2>t_ <2>rightarrow mathrm=V_ <1>t_<1>+V_ <2>t_<2>(1.2) end $$

При объединении холодной (V₁) и горячей (V₂) частей воды в единый объем (V) можно принять то, что:

Так, мы получаем систему уравнений:

Решив ее получим:

Проведем вычисления (это можно сделать, не переходя в систему СИ):

Ответ. V₁=80 л, V₂=120 л.

Формула количества теплоты не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Задание. Теплоемкость тела изменяется по линейному закону (рис.1) в зависимости от абсолютной температуры в рассматриваемом интервале $T_ <1>leq T leq T_<2>$ . Какое количество теплоты получает тело, если T₁=300 К, T₂=400 К.

Решение. Исследуя график функции теплоемкости (C(T)) (рис.1) запишем его аналитическое выражение, оно получится:

$C(T)=10+2 cdot 10^ <-2>T$ (Дж/К)

Основой для решения задачи послужит формула для количества теплоты в виде:

Подставим полученное выражение для теплоемкости (2.1) в формулу (2.2) поведем интегрирование в заданном интервале температур:

$$ begin Delta Q=int_<300>^<400>left(10+2 cdot 10^ <-2>Tright) d T=left.left(10 cdot T+10^ <-2>T^<2>right)right|_ <300>^<400>= \ =left(10 cdot 400+10^ <-2>cdot(400)^<2>right)-left(10 cdot 300+10^ <-2>cdot(300)^<2>right)=1700left(mathrm<

Закон Джоуля-Ленца

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению тепловых действий электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Данный закон отражает взаимосвязь количества теплоты, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего по этому проводнику в течение определенного периода времени.

1. Свойства электрического тока
2. Закон джоуля Ленца формула и определение
3. Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате, его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединиться с положительным ионом и образовать нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же качествами, как и у обычного сопротивления. Для того чтобы провести ток через проводник, источником тока затрачивается определенное количество энергии, превращающейся в тепло. Данное превращение как раз и отражает закон Джоуля – Ленца, известного также, как закон теплового действия тока.

Закон джоуля Ленца формула и определение

Согласно закону джоуля Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени. Величина “к” представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в Омах, а время – в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина “к”, применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I 2 Rt. В соответствии с законом Ома I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки.

При параллельном соединении этих же проводников, значение электрического тока в каждом из них будет различным, а напряжение на концах – одинаковым. В этом случае для расчетов больше подойдет формула Q = (U 2 /R)t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля – Ленца широко используется для расчетов установок электрического освещения, различных отопительных и нагревательных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

«Количество теплоты, выделяемое проводником с током. КПД электронагревательных приборов». 8-й класс

Разделы: Физика

Класс: 8

Тип урока: усвоение нового материала.

Вид обучения на уроке: объяснительно-иллюстративный, практический.

Цель: вывести формулу для нахождения количества теплоты, выделяемого проводником с током.

Задачи:

• образовательная: практическим путем вывести формулу для нахождения количества теплоты, выделяемого проводником с током; преобразовать полученную формулу, используя имеющиеся знания о законе Ома; ввести понятие КПД электронагревательных приборов
• воспитательная: научиться быть внимательным и прислушиваться к мнению окружающих, бережно относиться к школьному оборудованию
• развивающая:научиться работать в группе, анализировать результаты, полученные практическим путем.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, 5 плоских батареек на 4,5 В, 2 амперметра, 2 резистора сопротивлением по 2 Ом, резистор сопротивлением 1Ом, резистор сопротивлением 3 Ом, соединительные провода.

Используемые материалы: презентация к уроку (Приложение 1), распечатка задач (Приложение 2).

Меры безопасности: учащиеся должны быть ознакомлены с техникой безопасности при работе с электрооборудованием. Цепи замыкаются только после проверки их учителем. Тактильная проверка резисторов осуществляется только после размыкания цепей.

Примечание: используются резисторы с открытой спиралью, при указанных в работе технических характеристиках оборудования и времени прохождения электрического тока, температура спиралей безопасна для учащихся.

Ход урока

Вспоминаем действия электрического тока (Приложение 1, слайды 2-5). Останавливаем внимание на тепловом действии. (3 мин)

Демонстрируем электроприборы (Приложение 1, слайд 6). Ставим вопрос: “Почему в одном случае тепловое действие тока сильнее, а в другом слабее?” Формулируем тему урока. (1 мин)

Разбиваем класс на 4 группы. Группам выдается соответствующее оборудование и предлагается собрать электрические схемы, различные для каждой группы (Приложение 1, слайд 8). (6 мин)

По команде учителя цепи замыкаются. Через 1 минуту цепи размыкаются, и участникам предлагается проверить (рукой), какой резистор нагрелся больше. Участники первой группы сравнивают свой резистор с резистором второй группы, а участники второй группы – с резистором первой. Участники третьей группы сравнивают свой резистор с резистором четвертой группы, а участники четвертой группы – с резистором третьей. (3 мин)

Группам предлагается сформулировать вывод (4 мин):

• 1,2 группы: как количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока, зависит от напряжения в цепи? Все записывают этот вывод.
• 3,4 группы: как количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока, зависит от силы тока в цепи? Все записывают этот вывод.

По команде учителя замыкаются все цепи теперь уже на 2 минуты. (2 мин)

Цепи размыкаются, и все учащиеся формулируют вывод о том, как количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока, зависит от времени его прохождения. Все записывают вывод. (1 мин)

Совместно выводим формулу для расчета теплоты. (Приложение 1, слайд 9). (2 мин)

Используя закон Ома, преобразуем эту формулу. 1, 2 группы записывают значение теплоты через сопротивление и напряжение. 3,4 группы – через сопротивление и силу тока. (3 мин)

Записываем все выведенные формулы. (1 мин)

Решаем 3 задачи, 3 человека у доски [1]. В каждой задаче используется одна из выведенных формул (приложение 2). (7 мин)

Делаем вывод, от чего же зависит эффективность электронагревательных приборов. (2 мин)

Говорим о том, что не вся энергия электрического тока оказывается нам полезной. Вводим понятие КПД электронагревательных приборов. (7 мин)

Домашнее задание на выбор (3 мин)

3 любые задачи из задачника на расчет величин, входящих в новые формулы.

Вычисление КПД одного из электронагревательных приборов, находящихся у вас дома.

Используемая литература.

1. Сборник задач по физике: 7-9 классы/Авт.-сост. Е.Г. Московкина, В.А. Волков. — М.: ВАКО, 2011. — 176 с.