Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.

Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное (подробно об этом можно почитать в \(7\) теме). Вспомним, с чем связано тепловое действие тока. Оно объясняется тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.

 

 

Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока, т.е. Q = A, где \(А\) — работа тока, \(Q\) — количество теплоты.
Работу тока рассчитывают по формуле: A = U⋅I⋅t. Тогда количество теплоты будет определяться по такой же формуле: Q = U⋅I⋅t.

Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока \(I\), сопротивление участка цепи \(R\) и время \(t\). Зная, что напряжение U = IR, получим: Q = I2⋅R⋅t.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

К такому же выводу на основании опытов пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля—Ленца.

 

 

Джоуль Джеймс Прескотт (\(1818—1889\)) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.

 

 

Эмилий Христианович Ленц (\(1804—1865\)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской АН (\(1830\)), ректор Санкт-Петербургского университета (с \(1863\)) — один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

 

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.

 

Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).

 

 

Для примера, перегрузка проводов на \(25\)% приводит к сокращению срока их службы где-то с \(20\) лет до \(3—5\) месяцев, а перегрузка проводов на \(50\)% — до нескольких часов.

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://www.myshared.ru/slide/93472/ 
http://electricalschool.info/main/osnovy/1090-zakon-dzhoulja-lenca.html
http://class-fizika.narod.ru/10_7.htm
http://уроки.мирфизики.рф/%d0%b7%d0%b0%d0%ba%d0%be%d0%bd-%d0%b4%d0%b6%d0%be%d1%83%d0%bb%d1%8f-%d0%bb%d0%b5%d0%bd%d1%86%d0%b0/
http://www.nscience.ru/chemistry/physical/thermodynamics/what_does_thermidynamics_research/
http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-1/1-2
http://to-name.ru/biography/emilij-lenc.htm
http://mistroim.ru/remont-pomesheniy/elektrichestvo/kakie-neispravnosti-v-elektroseti-mogut-vozniknut/
http://frutmrut.ru/zakon-dzhoulya-lenca

Формула количества теплоты через силу тока

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] . <2>> является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Выбор проводов для цепей [ править | править код ]

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы [ править | править код ]

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают

электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители [ править | править код ]

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

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.

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.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

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.

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.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Урок 30. закон джоуля-ленца. эдс — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 30. Закон Джоуля — Ленца. ЭДС

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Работа электрического тока;

2) Мощность электрического тока;

3) Закон Джоуля — Ленца;

4) Сторонние силы;

5) Электродвижущая сила.

Глоссарий по теме

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течении которого совершалась работа.

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил, называются сторонними силами.

Электродвижущая сила (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к этому заряду.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

1. Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 343 – 347.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа,2009.- 68 – 74.

Дополнительная литература.

http://kvant.mccme.ru/1972/10/zakon_dzhoulya-lenca.htm

Основное содержание урока

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу, равную произведению заряда, прошедшего через проводник, и напряжения.

Сила тока равна отношению заряда прошедшего через проводник ко времени прохождения

Выразим заряд из формулы силы тока

через силу тока и время:

после подстановки в формулу (1) получим

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток.

Из закона Ома для участка цепи выразим напряжение через силу тока и напряжение

и подставив в формулу работы получим:

При последовательном соединении проводников для определения работы тока удобнее пользоваться этой формулой, так как сила тока одинакова во всех проводниках.

При параллельном соединении проводников формулой:

так как напряжение на всех проводниках одинаково.

Работа тока показывает, сколько электроэнергии превратилось в другие виды энергии за конкретный период времени. Для электроэнергии справедлив закон сохранения энергии.

Мощность определяется по формуле:

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

Так же формулу для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах:

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, то происходит только нагревание проводника.

Электрическое поле действует с силой на свободные электроны, которые начинают упорядоченно двигаться, одновременно участвуя в хаотическом движении, ускоряясь в промежутках между столкновениями с ионами кристаллической решетки. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом. Последующие столкновения электронов с другими ионами увеличивают амплитуду их колебаний и соответственно температуру всего проводника.

В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии:

Количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику:

При последовательном соединении большее количество теплоты выделяется в проводнике с большим сопротивлением, а при параллельном соединении – с меньшим.

Измерения, приводящие к закону Джоуля-Ленца, можно выполнить, поместив в калориметр с водой проводник с известным сопротивлением и пропуская через него ток определенной силы в течение известного времени. Количество выделяющейся при этом теплоты определяют, составив уравнение теплового баланса.

Если соединить проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков, под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает кратковременный электрический ток. Заряды быстро нейтрализуют друг друга, и электрическое поле исчезнет.

Чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство, которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, должны действовать силы неэлектростатического происхождения. Одно лишь электрическое поле заряженных частиц не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (то есть кулоновских), называют сторонними силами. Необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи объясняет закон сохранения энергии.

Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. Работа этих сил вдоль замкнутого контура отлична от нуля. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда:

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Разбор тренировочных заданий

1. Электрочайник со спиралью нагревательного элемента сопротивлением 30 Ом включен в сеть напряжением 220 В. Какое количество теплоты выделится в нагревательном элемента за 5 мин?

1) 7260000 Дж;

2) 2200 Дж;

3) 484000 Дж.

Дано:

R=30Ом

U=220B

t=5мин=300с

Найти Q-?

Решение. Количество теплоты выделяемой нагревательным элементом определяется законом Джоуля – Ленца:

Правильный ответ 3) 484000 Дж.

2. Определите работу сторонних сил при перемещении по проводнику заряда 10 Кл, если ЭДС равно 9 В. Ответ округлите до десятых.

Дано:

q=10Кл

=9В

Найти: А_ст

Решение. Из формулы ЭДС выражаем

Правильный ответ: 90 Дж.

Как найти количество теплоты в электрической цепи. Закон джоуля-ленца. Выбор проводов для цепей

Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмилий Христианович Ленц (справа)

Электрические нагреватели всевозможных типов используются человечеством уже столетия, благодаря свойству электрического тока выделять тепло при прохождении через проводник. У этого явления есть и негативный фактор – перегретая электропроводка из-за слишком большого тока часто становилась причиной короткого замыкания и возникновения пожаров. Выделение тепла от работы электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие позабыли эти знания.

Впервые зависимость выделения теплоты от силы электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, и чуть позже, в 1842 г., независимо от него, Эмилем Ленцем. В честь этих физиков и был назван закон Джоуля-Ленца, по которому рассчитывают мощность электронагревателей и потери на тепловыделение в линиях электропередач.

Определение закона Джоуля – Ленца

В словесном определении, согласно исследований Джоуля и Ленца закон звучит так:

Количество теплоты, выделяемой в определенном объеме проводника при протекании электрического тока прямо пропорционально умножению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля

В виде формулы данный закон выглядит следующим образом:

Выражение закона Джоуля — Ленца

Поскольку описанные выше параметры редко применяются в обыденной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты выделения теплоты от работы электрического тока касаются тонких проводников (кабели, провода, нити накаливания, шнуры питания, токопроводящие дорожки на плате и т. п.), используют закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегральном виде:

Интегральная форма закона

В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:

Словесное определение закона Джоуля — Ленца

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля — Ленца можно записать в упрощенном виде:

Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:

Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома

Применение и практическое значение закона Джоуля – Ленца

Исследования Джоуля и Ленца в области тепловыделения от работы электрического тока существенно продвинули научное понимание физических процессов, а выведенные основные формулы не претерпели изменений и используются по сей день в различных отраслях науки и техники. В сфере электротехники можно выделить несколько технических задач, где количество выделяемой при протекании тока теплоты имеет критически важное значение при расчете таких параметров:

• теплопотери в линиях электропередач;
• характеристики проводов сетей электропроводки;
• тепловая мощность (количество теплоты) электронагревателей;
• температура срабатывания автоматических выключателей;
• температура плавления плавких предохранителей;
• тепловыделение различных электротехнических аппаратов и элементов радиотехники.

Электроприборы, в которых используется тепловая работа тока

Тепловое действие электрического тока в проводах линий электропередач (ЛЭП) является нежелательным из-за существенных потерь электроэнергии на тепловыделение.

По различным данным в линиях электропередач теряется до 40% всей производимой электрической энергии в мире. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния, поднимают напряжение в ЛЭП, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля – Ленца.

Диаграмма всевозможных потерь электроэнергии, среди которых теплопотери на воздушных линиях составляют львиную долю (64%)

Очень упрощенно тепловую работу тока можно описать следующим образом: двигаются электроны между молекулами, и время от времени сталкиваются с ними, отчего их тепловые колебания становятся более интенсивными. Наглядная демонстрация тепловой работы тока и ассоциативные пояснения процессов показаны на видео ниже:

Расчеты потерь электроэнергии в линиях электропередач

В качестве примера можно взять гипотетический участок линии электропередач от электростанции до трансформаторной подстанции. Поскольку провода ЛЭП и потребитель электроэнергии (трансформаторная подстанция) соединены последовательно , то через них течет один и тот же ток I. Согласно рассматриваемому тут закону Джоуля – Ленца количество выделяемой на проводах теплоты Q w (теплопотерь) рассчитывается по формуле:

Производимая электрическим током мощность (Q c) в нагрузке рассчитывается согласно закону Ома:

Таким образом, при равенстве токов, в первую формулу можно вставить вместо I выражение Q c /U c , поскольку I = Q c /U c:

Если проигнорировать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то можно считать R w неизменным (константой). Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции), тепловыделение в проводах ЛЭП будет обратно пропорционально квадрату напряжения в конечной точке линии. Другими словами, чем больше напряжение электропередачи, тем меньше потери электроэнергии.

Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры ЛЭП

Работа закона Джоуля – Ленца в быту

Данные расчеты справедливы также и в быту при передаче электроэнергии на малые расстояния – например, от ветрогенератора до инвертора. При автономном энергоснабжении ценится каждый Ватт выработанной низковольтным ветряком энергии, и возможно, будет выгодней поднять напряжение трансформатором прямо у ветрогенератора, чем тратиться на большое сечение кабеля, чтобы уменьшить потери электроэнергии при передаче.

При значительном удалении низковольтного ветрогенератора переменного тока для уменьшения потерь электроэнергии будет выгодней подключение через повышающий трансформатор

В бытовых сетях электропроводки расстояния крайне малы, чтобы уменьшения тепловых потерь поднимать напряжение, поэтому при расчете проводки учитывается тепловая работа тока, согласно закону Джоуля – Ленца при выборе поперечного сечения проводов, чтобы их тепловой нагрев не привел к оплавлению и возгоранию изоляции и окружающих материалов. Выбор кабеля по мощности и электропроводки проводятся согласно таблиц и нормативных документов ПУЭ, и подробно описаны на других страницах данного ресурса.

Соотношения силы тока и поперечного сечения проводников

При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов, биметаллической пластины автоматического выключателя или плавкого предохранителя используется закон Джоуля – Ленца в интегральной форме, так как при росте температуры изменяется сопротивление данных материалов. При данных сложных расчетах также учитываются теплоотдача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и множество других факторов.

Программное моделирование тепловыделения полупроводникового прибора

Полезная тепловая работа электрического тока

Тепловыделяющая работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с различным сопротивлением. Данный принцип работает следующим образом: в соединенных последовательно проводниках течет одинаковый ток, значит, согласно закону Джоуля – Ленца, тепла выделится больше у материала проводника с большим сопротивлением.

Спираль с повышенным сопротивлением накаляется, но питающие провода остаются холодными

Таким образом, шнур питания и подводящие провода электроплитки остаются относительно холодными, в то время как нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала для проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (относительно меди и алюминия электропроводки) удельным сопротивлением — нихром, константан, вольфрам и другие.

Нить лампы накаливания изготовляют из тугоплавких вольфрамовых сплавов

При параллельном соединении проводников тепловыделение будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении возрастает ток относительного соседнего компонента цепи. В качестве примера можно привести очевидный пример свечения двух лампочек накаливания различной мощности – у более мощной лампы тепловыделение и световой поток больше.

Если прозвонить омметром лампочки, то окажется, что у более мощной лампы сопротивление меньше. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но к сожалению, он ошибся в комментарии — будет ярче светить лампа с большим сопротивлением, а не наоборот.

Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него , пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

ω = j E = ϭ E²,

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием . Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k I² R t,

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Сообщение от администратора:

Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
Переходите по и получите два бесплатных урока в школе английского языка SkyEng!
Занимаюсь там сам — очень круто. Прогресс налицо.

В приложении можно учить слова, тренировать аудирование и произношение.

Попробуйте. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Жмите

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

Закон Джоуля Ленца в интегральной форме в тонких проводах:

Если сила тока изменяется со временем, проводник неподвижен и химических превращений в нем нет, то в проводнике выделяется тепло.

— Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольным затратам энергии (потере энергии и снижении КПД). Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В формуле мы использовали:

Количество теплоты

Работа тока

Напряжение в проводнике

Сила тока в проводнике

Промежуток времени

Задача по теме «Законы постоянного тока». Задача может быть интересна учащимся 10-х классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, подобного рода задача была на ЕГЭ в части 1 с несколько иным вопросом (необходимо было найти отношение количеств теплоты, выделяющихся на резисторах).

На каком из резисторов выделится наибольшее (наименьшее) количество теплоты? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2Ом. Дать решение. Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо сравнить количество теплоты, выделяющееся на каждом их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля — Ленца. То есть основной задачей будет являться определение силы тока (или сравнение), протекающей через каждый резистор.

Согласно законам последовательного соединения, сила тока, протекающая через резисторы R1 и R2, и R3 и R4, одинаковая.Чтобы определить силу тока в верхней и в нижней ветвях, воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому, напряжение на этих ветвях одинаковое.Расписывая напряжение на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи, имеем: Подставляя численные значения сопротивлений резисторов, получаем:То есть получаем соотношение между токами, протекающими в верхней и в нижней ветви:Определив силу тока через каждый из этих резисторов, определяем количество теплоты, выделяющееся на каждом из резисторов. Сравнивая числовые коэффициенты, приходим к выводу, что максимальное количество теплоты выделится на четвёртом резисторе, а минимальное количество теплоты — на втором.

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

fizika-doma.ru

Тепловая мощность — формула расчета

С теплотехническими расчётами приходится сталкиваться владельцам частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа основ проектирования зданий.

Понять суть этих расчётов в официальных бумагах, не так сложно, как кажется.

Для себя также можно научиться выполнять вычисления, чтобы решить, какой утеплитель применять, какой толщины он должен быть, какой мощности приобретать котёл и достаточно ли имеющихся радиаторов на данную площадь.

Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если понять, что такое тепловая мощность. Формула, определение и сферы применения – читайте в статье.

Что такое тепловой расчет?

Если говорить просто, тепловой расчёт помогает точно узнать, сколько тепла хранит и теряет здание, и сколько энергии должно вырабатывать отопление, чтобы поддерживать в жилье комфортные условия.

Оценивая теплопотери и степень теплоснабжения, учитываются следующие факторы:

1. Какой это объект: сколько в нём этажей, наличие угловых комнат, жилой он или производственный и т. д.
2. Сколько человек будет «обитать» в здании.
3. Важная деталь — это площадь остекления. И размеры кровли, стен, пола, дверей, высота потолков и т. д.
4. Какова продолжительность отопительного сезона, климатические характеристики региона.
5. По СНиПам определяют нормы температур, которые должны быть в помещениях.
6. Толщина стен, перекрытий, выбранные теплоизоляторы и их свойства.

Могут учитываться и другие условия и особенности, например, для производственных объектов считаются рабочие и выходные дни, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и др.

Для чего нужен тепловой расчет?

Как умудрялись обходиться без тепловых расчётов строители прошлого?

Сохранившиеся купеческие дома показывают, что всё делалось просто с запасом: окна поменьше, стены — потолще. Получалось тепло, но экономически не выгодно.

Теплотехнический расчёт позволяет строить наиболее оптимально. Материалов берётся ни больше — ни меньше, а ровно столько, сколько нужно. Сокращаются габариты строения и расходы на его возведение.

Вычисление точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.

Для определения необходимой мощности котла также не обойтись без расчётов. Суммарная мощность его складывается из затрат энергии на обогрев комнат, нагрев горячей воды для хозяйственных нужд, и способности перекрывать теплопотери от вентиляции и кондиционирования. Прибавляется запас мощности, на время пиковых холодов.

При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитывается годовой расход газа на отопление и общая мощность тепловых источников в гигакалориях.

Нужны расчёты при подборе элементов отопительной системы. Обсчитывается система труб и радиаторов – можно узнать, какова должна быть их протяжённость, площадь поверхности. Учитывается потеря мощности при поворотах трубопровода, на стыках и прохождении арматуры.

При расчетах затрат тепловой энергии могут пригодиться знания, как перевести Гкал в Квт и обратно. В следующей статье подробно рассмотрена эта тема с примерами расчета.

Полный расчет теплого водяного пола приведен в этом примере.

Знаете ли вы, что количество секций радиаторов отопления не берется «с потолка»? Слишком малое их количество приведет к тому, что в доме будет холодно, а чрезмерно больше создаст жару и приведет к чрезмерной сухости воздуха. По ссылке http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

Расчет тепловой мощности: формула

Рассмотрим формулу и приведем примеры, как произвести расчет для зданий с разным коэффициентом рассеивания.

Vx(дельта)TxK= ккал/ч (тепловая мощность), где:

• Первый показатель «V» – объем рассчитываемого помещения;
• Дельта «Т» — разница температур – это та величина, которая показывает насколько градусов внутри помещения теплее, чем снаружи;
• «К» — коэффициент рассеивания (его еще называют «коэффициент пропускания тепла»). Величина берется из таблицы. Обычно цифра колеблется от 4 до 0,6.

Примерные величины коэффициента рассеивания для упрощенного расчёта

• Если это неутепленный металлопрофиль или доска то «К» будет = 3 – 4 единицы.
• Одинарная кирпичная кладка и минимальное утепление – «К» = от 2 до 3-ёх.
• Стена в два кирпича, стандартное перекрытие, окна и
• двери – «К» = от 1 до 2.
• Самый теплый вариант. Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплителем и т. п. – «К» = 0,6 – 0,9.

Более точный расчет можно произвести, высчитывая точные размеры отличающихся по свойствам поверхностей дома в м2 (окна, двери и т. д.), производя расчёт для них отдельно и складывая получившиеся показатели.

Пример расчета тепловой мощности

Возьмем некое помещение 80 м2 с высотой потолков 2,5 м и посчитаем, какой мощности котел нам потребуется для его отопления.

Вначале высчитываем кубатуру: 80 х 2,5 = 200 м3. Дом у нас утеплен, но недостаточно – коэффициент рассеивания 1,2.

Морозы бывают до -40 °C, а в помещении хочется иметь комфортные +22 градуса, разница температур (дельта «Т») получается 62 °C.

Подставляем в формулу мощности тепловых потерь цифры и перемножаем:

200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал/ч.

Полученные килокалории переводим в киловатты, пользуясь конвертером:

• 1 кВт = 860 ккал;
• 14880 ккал = 17302,3 Вт.

Округляем в большую сторону с запасом, и понимаем, что в самый сильный мороз -40 градусов нам потребуется 18 кВт энергии в час.

Умножаем периметр дома на высоту стен:

(8 + 10) х 2 х 2,5 = 90 м2 поверхности стены + 80 м2 потолок = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодом. Теплопотери, высчитанные нами выше, составили 18 кВт/ч, делим поверхность дома на расчетную израсходованную энергию получаем, что 1 м2 теряет примерно 0,1 кВт или 100 Вт ежечасно при температуре на улице -40 °C, а в помещении +22 °С.

Эти данные могут стать основой для расчёта требуемой толщины утеплителя на стены.

Приведем другой пример расчета, он в некоторых моментах сложнее, но более точный.

Формула:

Q = S x (дельта)T / R:

• Q– искомая величина теплопотерь дома в Вт;
• S– площадь охлаждающих поверхностей в м2;
• T– разница температур в градусах Цельсия;
• R– тепловое сопротивление материала (м2 х К/Вт) (Метры квадратные умноженные на Кельвин и делёный на Ватт).

Итак, чтобы найти «Q» того же дома, что и в примере выше, подсчитаем площадь его поверхностей «S» (пол и окна считать не будем).

• «S» в нашем случае = 170 м2, из них 80 м2 потолок и 90 м2 — стены;
• T = 62 °С;
• R– тепловое сопротивление.

Ищем «R» по таблице тепловых сопротивлений или по формуле. Формула для расчета по коэффициенту теплопроводности такая:

R= H/ К.Т. (Н – толщина материала в метрах, К.Т. – коэффициент теплопроводности).

В этом случае, дом у нас имеет стены в два кирпича обшитые пенопластом толщиной 10 см. Потолок засыпан опилками толщиной 30 см.

Отопительную систему частного дома нужно устраивать с учетом экономии средств на энергоносители. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов — читайте внимательно.

Чем и как утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию. Выбор утеплителя и технология утепления.

Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеряется Вт / (м2 х К) Ватт делёный на произведение метра квадратного на Кельвин). Находим значения для каждого материала, они будут:

• кирпич — 0,67;
• пенопласт – 0,037;
• опилки – 0,065.

Подставляем данные в формулу (R= H/ К.Т.):

• R (потолка 30 см толщиной) = 0,3 / 0,065 = 4,6 (м2 х К) / Вт;
• R (кирпичной стены 50 см) = 0,5 / 0,67 = 0,7 (м2 х К) / Вт;
• R (пенопласт 10 см) = 0,1 / 0,037 = 2,7 (м2 х К) / Вт;
• R (стен) = R(кирпич) + R(пенопласт) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 х К) / Вт.

Теперь можем приступить к расчету теплопотерь «Q»:

• Q для потолка = 80 х 62 / 4,6 = 1078,2 Вт.
• Q стен = 90 х 62 / 3,4 = 1641,1 Вт.
• Остается сложить 1078,2 + 1641,1 и перевести в кВт, получается (если сразу округлить) 2,7 кВт энергии за 1 час.

Можно обратить внимание, насколько большая разница получилась в первом и втором случае, хотя объём домов и температура за окном в первом и втором случае были совершенно одинаковыми.

Всё дело в степени утомлённости домов (хотя, конечно, данные могли быть и иными, если бы мы рассчитывали пол и окна).

Заключение

Приведённые формулы и примеры показываю, что при теплотехнических расчётах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, степень их утомлённости и т. д.

А подход, когда на 10 м2 дома берётся 1 кВт мощности котла – слишком приблизительный, чтобы всерьёз опираться на него.

Видео на тему

microklimat.pro

13 Тепловой расчет

10. Тепловой расчет.

Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выделяющаяся при ее функционировании, не приводила в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К основным тепловыделяющим элементам следует отнести, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невелики. Пленочная коммутация ИМС, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры платы ГИС и кристалла полупроводниковой ИМС.

Рис. 10.1. Вариант крепления платы на корпус.

Тепловой расчёт резисторов.

Тепловое сопротивление резистора вычислим по формуле (10.1)

п = 0.03 [Вт/см °С] — коэффициент теплопроводности материала подложки;

δп = 0.06 см – толщина платы.

RT=0.06/0.03=2 см2∙°С/Вт

Рассчитаем температуру пленочных резисторов по формуле

PR – мощность, выделяемая на резисторе;

SR – площадь, занимаемая резистором на плате;

P0 – суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

Sп – площадь платы.

PR = 0.43 мВт – мощность выделяемая на резисторе;

SR = 0. 426мм2 – площадь занимаемая резистором;

Sn = 80 мм2 – площадь платы;

RT = 2 см2∙°С/Вт – тепловое сопротивление резистора;

Токр.ср = 40С – максимальная температура окружающей среды;

T = 125С = максимально допустимая температура пленочных резисторов.

TR=(0.43∙10-3∙200)/0.426+(24.82∙10-3∙200)/80+40=40.26 С

Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCad. Результаты расчётов представлены в Таблице10.1

Таблица. 10.1

Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов заданный тепловой режим соблюдается.

Тепловой расчет для навесного элемента.

Тепловое сопротивление будет вычисляться по формуле:

k = 0.003 [Вт/см °С] — коэффициент теплопроводности клея;

δк1 = 0.01 см – толщина клея.

Rт=(0.06/0.03)+(0.01/0.003)=5.33 см2∙°С/Вт

Рассчитаем температуру навесного элемента по формуле:

Расчет транзистор КТ202А, VT14

Pнэ = 2,6 мВт – мощность выделяемая на транзисторе;

Sнэ = 0,49 мм2 – площадь занимаемая транзистором;

P0 = 24. 82 мВт – мощность выделяемая всеми компонентами платы;

Sn = 80 мм2 – площадь платы;

Т0С = 40С – максимальная температура окружающей среды;

T = 85С = максимально допустимая температура транзистора.

Tнэ=(2.6∙10-3∙533)/0.49+(24.82∙10-3∙533)/80+40=42.99С

Следовательно заданный тепловой режим соблюдается.

Температура остальных транзисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCad. Результаты расчётов представлены в Таблице10.2

Таблица 10.2

Из таблицы видно, что для всех транзисторов заданный тепловой режим соблюдается. Следовательно и тепловые условия для всей схемы выполняются.

studfiles.net

Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

Причина нагревания проводника кроется в том, что энергия движущихся в нем электронов (иными словами, энергия тока) при последовательном столкновении частиц с ионами молекулярной решётки металлического элемента преобразуется в тёплый тип энергии, или Q, так образуется понятие «тепловая мощность».

Работу тока измеряют с помощью международной системы единиц СИ, применяя к ней джоули (Дж), мощность тока определяют как «ватт» (Вт). Отступая от системы на практике, могут применять в том числе и внесистемные единицы, измеряющие работу тока. Среди них ватт-час (Вт × ч), киловатт-час (сокращённо кВт × ч). Например, 1 Вт × ч обозначает работу тока с удельной мощностью 1 ватт и длительностью времени на один час.

Если электроны движутся по неподвижному проводнику из металла, в этом случае вся полезная работа вырабатываемого тока распределяется на нагревание металлической конструкции, и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать формулой Q=A=IUt=I2Rt=(U2/R)*t. Такие соотношения с точностью выражают известный закон Джоуля-Ленца. Исторически он впервые был определён опытным путём учёным Д. Джоулем в середине 19-го века, и в то же время независимо от него ещё одним учёным — Э.Ленцем. Практическое применение тепловая мощность нашла в техническом исполнении с изобретения в 1873 году русским инженером А. Ладыгиным обыкновенной лампы накаливании.

Тепловая мощность тока задействуется в целом ряде электрических приборов и промышленных установок, а именно, в тепловых измерительных приборах, нагревательного типа электрических печках, электросварочной и инвенторной аппаратуре, очень распространены бытовые приборы на электрическом нагревательном эффекте – кипятильники, паяльники, чайники, утюги.

Находит себя тепловой эффект и в пищевой промышленности. С высокой долей использования применяется возможность электроконтактного нагрева, что гарантирует тепловая мощность. Он обуславливается тем, что ток и его тепловая мощность, оказывая влияние на пищевой продукт, который обладает определённой степенью сопротивления, вызывает в нем равномерное разогревание. Можно привести в пример то, как производятся колбасные изделия: через специальный дозатор мясной фарш поступает в металлические формы, стенки которых одновременно служат электродами. Здесь обеспечивается постоянная равномерность нагрева по всей площади и объёму продукта, поддерживается заданная температура, сохраняется оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, вместе с этими факторами длительность технологических работ и расход энергии остаются наименьшими.

Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), иными словами — количество теплоты, что выделяется в единице объёма за определённую единицу времени, рассчитывается следующим образом. Элементарный цилиндрический объём проводника (dV), с поперечным проводниковым сечением dS, длиной dl, параллельной направлению тока, и сопротивлением составляют уравнения R=p(dl/dS), dV=dSdl.

Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведённое время (dt) во взятом нами объёме выделится уровень теплоты, равный dQ=I2Rdt=p(dl/dS)(jdS)2dt=pj2dVdt. В таком случае ω=(dQ)/(dVdt)=pj2 и, применяя здесь закон Ома для установления плотности тока j=γE и соотношение p=1/γ, мы сразу получаем выражение ω=jE= γE2. Оно в дифференциальной форме даёт понятие о законе Джоуля-Ленца.

fb.ru

Страничка эмбеддера » Тепловые расчеты

Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитывать радиаторы так, чтобы не пролетать в прикидках на пару порядков очень полезно любому электронщику.

Тепловые расчеты очень просты и имеют очень много общего с расчетами электронных схем. Вот, посмотрите на обычную задачу теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для 5-вольтового линейного стабилизатора, который питается от 12вольт максимум и выдает 0.5А. Максимальная выделяемая мощность получается (12-5)*0.5 = 3.5Вт

Погружение в теорию

Для того, чтобы не плодить сущностей, люди почесали тыковку и поняли, что тепло очень похоже на электрической ток, и для тепловых расчетов можно использовать обычный закон Ома, только

Напряжение (U) заменяется температурой (T)

Ток (I) заменяется мощностью (P)

Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением. Обычное сопротивление имеет размерность Вольт/Ампер, а тепловое – °C/Ватт

В итоге, закон Ома заменяется на свой тепловой аналог:

Небольшой замечание – для того, чтобы обозначить, что имеется ввиду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R, дописывают букву тэта:на клавиатуре у меня такой буквы нет, а копировать из таблицы символов лень, поэтому я буду пользоваться просто буквой R.

Продолжаем

Тепло выделяется в кристалле стабилизатора, а наша цель – не допустить его перегрева (не допустить перегрева именно кристалла, а не корпуса, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно, предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = переход – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура переходов равна температуре кристалла)

Без радиатора

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора, в даташитах пишут тепловое сопротивление кристалл-атмосфера (Rj-a) (что такое j вы уже в курсе, a = ambient = окружающая среда)

Заметьте, что температура “земли” не нулевая, а равняется температуре окружающего воздуха (Ta). Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор Если стоит на открытом воздухе, то можно положить Ta = 40 °C, а вот, если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Записываем тепловой закон Ома: Tj = P*Rj-a + Ta. Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 267.5 °C. Многовато, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе становится вот такой:

• Rj-c – сопротивление от кристалла до теплоотвода корпуса (c = case = корпус). Дается в даташите. В нашем случае – 5 °C/Вт – из даташита
• Rc-r – сопротивление корпус-радиатор. Тут не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. К примеру, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт/(м*°C), а паста КПТ-8 – 0.75Вт/(м*°C). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

  R = толщина прокладки/(коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

  Часто Rc-r вообще можно игнорировать. К примеру, в нашем случае (используем корпус TO220, с пастой КПТ-8, средняя глубина пасты, взятая с потолка – 0.05мм). Итого, Rc-r = 0.5 °C/Вт. При мощности 3.5вт, разница температур корпуса стабилизатора и радиатора — 1. 75градуса. Это – не много. Для нашего примера, возьмем Rc-r = 2 °C/Вт

Rr-a – тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува, и кучей других факторов. Этот параметр намного проще измерить, чем посчитать (см в конце статьи). Для примера — Rr-c = 12.5 °C/Вт

Ta = 40°C – тут мы прикинули, что атмосферная температура редко выше, можно взять и 50 градусов, чтобы уж точно было.

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3.5*(5+2+12.5) + 40 = 108.25 °C

Это значительно меньше, чем предельные 150 °C. Такой радиатор можно использовать. При этом, корпус радиатора будет греться до Tc = 3.5*12.5 + 40 = 83.75 °C. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее-всего, у вас уже валяется куча радиаторов, которые можно задействовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это этого нужно сопротивление и источник питания.

Лепим сопротивление на радиатор, используя термопасту:

Подключаем источник питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некая мощность. Лучше, конечно, нагревать радиатор той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Я обычно оставляю такую конструкцию на пол часа, чтобы она хорошо прогрелась.

После того, как измерили температуру, можно рассчитать тепловое сопротивление

Rr-a = (T-Ta)/P. К примеру, у меня радиатор нагрелся до 81 градуса, а температура воздуха – 31 градус. таким образом, Rr-a = 50/4 = 12.5 °C/Вт.

Прикидка площади радиатора

В древнем справочнике радиолюбителя приводился график, по которому можно прикинуть площадь радиатора. Вот он:

Работать с ним очень просто. Выбираем перегрев, который хочется получить и смотрим, какая площадь соответствует необходимой мощности при таком перегреве.

К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 250см^2 радиатора. Этот график дает завышенную оценку площади, и не учитывает кучу факторов как то принудительный обдув, геометрия ребер, итп.

bsvi.ru

В 1841 и 1842 года независимо друг от друга английский и русский физики установили зависимость количества тепла от протекания тока в проводнике. Эту зависимость назвали «Закон Джоуля-Ленца». Англичанин установил зависимость на год раньше, чем русский, но название закон получил от фамилий обоих ученных, потому как их исследования были независимы. Закон не носит теоретический характер, но имеет большое практическое значение. И так давайте кратко и понятно узнаем определение закона Джоуля-Ленца и где он применяется.

Формулировка

В реальном проводнике при протекании через него тока выполняется работа против сил трения. Электроны движутся через провод и сталкиваются с другими электронами, атомами и прочими частицами. В результате этого выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник. Оно прямо пропорционально зависит от силы тока, сопротивления и времени протекания.

В интегральной форме Закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Сила тока обозначается буквой I и выражается в Амперах, Сопротивление — R в Омах, а время t — в секундах. Единица измерения теплоты Q — Джоуль, чтобы перевести в калории нужно умножить результат на 0,24. При этом 1 калория равна количеству теплоты, которое нужно подвести к чистой воде, чтобы увеличить её температуру на 1 градус.

Такая запись формулы справедлива для участка цепи при последовательном соединении проводников, когда в них протекает одна величина тока, но падает на концах различное напряжение. Произведение силы тока в квадрате на сопротивление равняется мощности. В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи при параллельном соединении можно Закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

В дифференциальной форме он выглядит следующим образом:

Где j — плотность тока А/см 2 , E — напряженность электрического поля, сигма — удельное сопротивление проводника.

Стоит отметить что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том, который имеет самое большое сопротивление, о чем можно сделать вывод, проанализировав формулу Закона Джоуля-Ленца.

Частые вопросы

Как найти время? Здесь имеется в виду период протекания тока через проводник, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используют формулу, которую часто называют “рельс”, то есть:

Здесь буквой «Ро» обозначается удельное сопротивление, оно измеряется в Ом*м/см2, l и S это длина и площадь поперечного сечения. При вычислениях метры и сантиметры квадратные сокращаются и остаются Омы.

Удельное сопротивление — это табличная величина и для каждого металла она своя. У меди на порядки меньше, чем у высокоомных сплавов типа вольфрама или нихрома. Для чего это применяется мы рассмотрим ниже.

Перейдем к практике

Закон Джоуля-Ленца имеет большое значение для электротехнических расчетов. В первую очередь вы можете его применить при расчете нагревательных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего применяется проводник, но не простой (типа меди), а с высоким сопротивлением. Чаще всего это нихром или кантал, фехраль.

Они имеют большое удельное сопротивление. Вы можете использовать и медь, но тогда вы потратите очень много кабеля (сарказм, медь не используют в этих целях). Чтобы рассчитать мощность тепла для нагревательного прибора вам нужно определится, какое тело и в каких объемах вам нужно нагреть, учесть количество требуемой теплоты и за какое время её нужно передать телу. После расчетов и преобразований вы получите сопротивление и силу тока в этой цепи. На основании полученных данных по удельному сопротивлению подбираете материал проводника, его сечение и длину.

Нагревание проводников электрическим током.

Закон Джоуля-Ленца

Цели урока:

Образовательная:

• Способствовать формированию у учащихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах.
• Вывести закона Джоуля-Ленца.
• Содействовать в понимании практической значимости данной темы.

Развивающая:

• Развитие интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы)

Воспитательная:

• формирование коммуникативных умений учащихся.
• содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира;

Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация к уроку, источник тока, амперметр, вольтметр, низковольтная лампа на подставке, ключ, соединительные провода, три провода из разного металла, настольная лампа.

Тип урока: Изучение нового материала.

Ход урока

І. Организационный момент

– Здравствуйте, ребята! Я рада вас сегодня видеть на нашем уроке! Посмотрите друг на друга. Улыбнитесь, пошлите друг другу положительные эмоции и начнём урок!

Слайд 2

Эпиграф: 

Науки все глубже постигнуть стремись, 
Познанием вечного жаждой томись. 
Лишь первых познаний блеснет тебе свет, 
Узнаешь: предела для знания нет. 

Фирдоуси 

Учитель: Эти слова по праву можно отнести к разделу «Электрические явления». Было сделано немало открытий, осветивших нашу жизнь в прямом и переносном смысле. А сколько еще вокруг нас осталось не исследованным! Хочется надеяться, что сегодняшний урок разбудит у вас, восьмиклассников, жажду новых познаний и стремление использовать открытые эффекты и закономерности на практике.  

У вас на столе лежат оценочные листки (приложение 1), куда вы будете вносить оценки за все ваши действия, а в конце выставите итоговую оценку за урок. Подпишите их пожалуйста.

II. Мотивация

Мы с вами на прошлом уроке познакомились с двумя новыми величинами электричества: это работа и мощность. Сегодня придём к новому названию одной из величин.

На данном этапе учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать цель урока.

На столе стоит электрическая лампа, учитель включает её. 

Учитель: Ребята попробуйте это объяснить с точки зрения физики. Почему лампочка горит? Почему это происходит?

Учащиеся: Основная часть лампы – спираль из тонкой вольфрамовой проволоки, она нагревается до 3000 °С, при такой температуре достигает белого накала и светится ярким светом и даёт тепло.

Какое действие тока мы здесь с вами наблюдаем?

Разомкнув ключ потрогать лампочку.

Что произошло с лампочкой? (Нагрелась)

Какое действие электрического тока вы наблюдаете? 

Если лампочка долго горит, можно ли её выкрутить голыми руками? Почему?

(Световое и Тепловое)

Здесь мы наблюдаем тепловое действие электрического тока.

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Учащиеся: Электронагревательные приборы: утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, электроплиты, фены и т.д.

Учитель: В промышленности также широко используют тепловое действие электрического тока в паяльниках, сварочных аппаратах.

На столе у меня стоят разные электрические приборы, которыми вы пользуетесь в повседневной жизни,

Что это за приборы? Для чего они нужны? Что ими делают?

Посмотрим характеристики.

Паяльник и утюг нельзя трогать рукой, можно обжечься, а феном мы сушим голову и не испытываем ожога. Почему?

Учитель: А теперь попытаемся сформулировать тему нашего урока. (Ребята рассуждают)

Слайд 2

Итак, мы имеем дело с тепловым действием тока, следовательно, тема сегодняшнего урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца». Записываем тему урока в тетрадь.

Каких целей мы должны сегодня достичь?

Слайд 3

Цели урока:

• объяснить явление нагревания проводников электрическим током;
• установить зависимость выделяющейся при этом тепловой энергии от параметров электрической цепи;
• сформулировать закон Джоуля – Ленца; 
• формировать умение применять этот закон для решения физических задач.

ІІІ.

Актуализация опорных знаний

Фронтальный опрос.

Слайд 4

Вспомним изученный ранее материал:

• Что называют электрическим током? (Упорядоченное движение заряженных частиц)
• Что представляет собой электрический ток в металлах? (Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов)
• Какие действия тока вам известны? (Тепловое, электрическое, магнитное, химическое)
• Какие три величины связывают закон Ома? (I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.).
• Как формулируется закон Ома? (Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)
• Чему равна работа электрического тока на участке цепи? (равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток А = U*I*t )
• Что такое мощность электрического тока? (физическая величина характеризующая быстроту совершения работы электрическим током)
• Что такое электрическое сопротивление? (физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике)
•  От каких величин зависит сопротивление? (длины проводника, площади поперечного сечения, рода вещества) Рассмотреть как зависит сопротивление от длины проводника, площади поперечного сечения.
• При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока? (При последовательном соединении)
•  Закон сохранения и превращения энергии. (Во всех явления, происходящих в природе, энергия не возникает ни откуда и не исчезает бесследно. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.)

Все, что стоит на столе – это потребители электрического тока.

Слайд 5

Потребители электрического тока

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем ты руководствовался, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах? (Тепловое)

Во всех приборах есть нагревательный элемент. А у дрели щётки, они ни чего не нагревают.

IV. Изучение нового материала

Давайте потрем ладошки. Что мы совершаем, когда трём ладошками? (работу). Что мы чувствуем? (тепло). Почему они нагреваются?

(Ребята рассуждают.)

Остановимся на тепловом действии электрического тока. Электрический ток нагревает проводник. Объясняется нагревание тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, щелочей, кислот, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Можно сказать, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Слайд 6

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику.

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов.

Провод – это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника, и следовательно его температура.

А это и значит что, проводник нагревается.

В неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока идёт на увеличение внутренней энергии.

Слайд 7

Переход работы тока в теплоту

• Электроны направленно движутся
• Сталкиваются с ионами
• Передают им часть энергии
• Ионы колеблются быстрее
• Увеличивается внутренняя энергия проводника
• Выделяется теплота
• По закону сохранения и превращения энергии A = Q

Слайд 8

Вывод закона Джоуля – Ленца

А = IUt

A = Q

Q = IUt , U = IR – закон Ома, Q = I*I*R*t, Q = I²Rt

Q = IUt , I = U/R – закон Ома, Q = U*t*U/R

где Q – выделившееся количество теплоты в Джоулях, R – сопротивление в Омах, I – сила тока в Амперах, t – время в секундах.

Единица измерения работы в СИ: Джоуль.

Слайд 9

Исследование зависимости количества выделяемой теплоты от параметров цепи

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи?

Гипотеза 1. Количество теплоты зависит от силы тока в цепи

Гипотеза 2. Количество теплоты зависит от сопротивления проводника

Соблюдайте технику безопасности!

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков.

Деление на группы.

Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока?

Слайд 10

Задания для теоретиков

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления.

При прохождении по спирали электрического чайника ток совершает работу. Вся работа идет на нагревание проводника.

• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 мин., если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 минут, если сопротивление спирали 100 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 10 минут, если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3 А?

Задания для экспериментаторов

По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу лампы.

Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята.

А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt, Q =RI²t

Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований.

Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

По формуле Q = I²Rt, если R = pL/S, сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы.

1 группа: От силы тока в цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь состоящая из источника тока, лампы, ключа, реостата, амперметра, (соединительные провода).

Замкнули цепь и изменяли сопротивление, что наблюдаем?

Что произошло с силой тока?

Как накал лампы зависит от силы тока?

(Чем больше сила тока, тем ярче горит лампочка, а значит больше тепла она выделяет.)

Вывод: количество теплоты зависит от силы тока.

2 группа: От сопротивления цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из 3 последовательно соединенных проводников, одинаковой длины и площади поперечного сечения и различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая), источника тока, ключа, (соединительные провода).

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества (медная, стальная, никелиновая). Все проводники соединены между собой последовательно. Следовательно, сила тока на всех участках цепи одинаковая. Но при включении в цепь все 3 проводника выделили разное количество теплоты.(При отключении цепи с помощью электронного термометра убедились, что температура проводников разная, Больше нагрелся проводник (никелиновый) с большим удельным сопротивлением, меньше всего нагрелся медный проводник, с меньшим удельным сопротивлением ). Медные провода поэтому используют для проводки, ещё алюминиевые, они дешевле.

Вывод: чем больше удельное сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Слайд 11

Вывод: количество теплоты зависит от того, из какого вещества изготовлен проводник, т. е. от удельного сопротивления проводника. Точнее – от электрического сопротивления проводника (R).

Вещество	Удельное сопротивление Ом мм2/м	Нагрев проводника
Медь	0,017	слабый
Сталь	0,1	средний
Никелин	0,42	сильный

Чтобы проводник нагревался сильнее, он должен обладать большим удельным сопротивлением.

Слайд 12

Сделаем вывод.

От чего зависит количество теплоты в проводнике с током?

Вывод: Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике и от его электрического сопротивления.

Закон определяющий тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889 гг.) – английский физик.

Обосновал на опытах закон сохранения энергии.

Установил закон определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры.

Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865) – русский физик.

Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Слайд 13

Решим задачу.

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Дано: R = 35 Ом t = 5 мин I = 5 А _________ Q= ?

Си - 300с —

Решение: Q=I2Rt Q= (5A)2 · 35 Ом · 300 с = 262500Дж = 262,5 кДж Ответ: Q=262,5 кДж

Слайд 14

Формулой Q = I²Rt удобно пользоваться при расчете количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же (I = I₁ = I₂).

Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. 

Т.е. чем больше R, тем больше Q и наоборот.

Припараллельном соединениипроводников ток в них различен, но напряжение на концах цепи одно и то же. И поэтому расчет количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле Q = U²t/R. Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению, то есть чем больше R, тем меньше Q.

Спираль электрической плитки укоротили. Изменится ли от этого накал плитки и как, если ее включить в сеть электрического тока? 

(Накал будет больше.)

Слайд 15

Систематизация знаний

• В чем проявляется тепловое действие тока? (В нагревании проводника)
• Как можно объяснить нагревание проводника с током? (Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию)
• Какие превращения энергии происходят при протекании тока через проводник? (Электрическая энергия превращается во внутреннюю)
• Как по закону Джоуля – Ленца рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике? (Q = I²Rt)

В рабочих картах урока поставьте оценку за урок.

Выяснить, какое количество учащихся поставили себе за урок «5», «4», «3» и ничего не поставили. (Приложение 1).

Сообщение оценки учащимся за работу на уроке

Слайд 16

V. Рефлексия

А сейчас оцени свою деятельность на уроке, и нарисуй свое настроение:

Нарисуй настроение: В левом верхнем углу оценочного листа.

 Своей работой на уроке доволен, чувствовал себя комфортно, настроение после урока хорошее.

 Своей работой на уроке не доволен, чувствовал себя не совсем комфортно, настроение после урока плохое.

 Состояние на уроке безразличное, урок никак не изменил моего эмоционального состояния и настроения.

Слайд 17

Домашнее задание у вас на каточках.

§ 53, Упр. 27 (1-3).

Всё известно вокруг.
Тем не менее, на земле ещё много того,
Что достойно порой удивления
И вашего, и моего.
Удивляйтесь цветам,
Удивляйтесь росе,
Удивляйтесь упругости стали,
Удивляйтесь тому,
Чему люди уже
Удивляться давно перестали!

До свидания! Спасибо за урок!

Самостоятельная работа по физике Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца 8 класс

Самостоятельная работа по физике Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца 8 класс с ответами. Самостоятельная работа представлена в двух вариантах, в каждом по 3 задания.

Вариант 1

1. Как рассчитать количество теплоты, выделяемое проводником с электрическим током?

2. Медная и железная проволоки равной длины и одинакового поперечного сечения включены в цепь последовательно. В какой из них выделится большее количество теплоты за одно и то же время? Ответ обоснуйте.

3. Рассчитайте количество теплоты, которое выделит за 5 мин проволочная спираль сопротивлением 50 Ом, если сила тока в ней равна 1,5 А.

Вариант 2

1. Объясните причину нагревания проводника при протекании по нему электрического тока.

2. Две никелиновые проволоки различной длины, но одинакового поперечного сечения включены последовательно в цепь. Какая из них выделит большее количество теплоты за одно и то же время? Ответ обоснуйте.

3. Сопротивление электрической печи равно 100 Ом. Определите количество теплоты, выделяемое печью за 2 ч непрерывной работы при силе тока, равной 2 А.

Ответы на самостоятельную работу по физике Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца 8 класс
Вариант 1
1. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
2. Большее количество теплоты за одно и то же время выделится в железной проволоке, потому что удельное электрическое сопротивление железа больше, чем меди, следовательно, при одинаковой длине и сечении сопротивление железной проволоки будет больше, а сила тока при последовательном соединении одинакова.
3. Q = 33 750 Дж
Вариант 2
1. При протекании по проводнику электрического тока, он нагревается, так как электроны в металлах под действием электрического поля взаимодействуют с ионами и передают им свою энергию.
2. Большее количество теплоты за одно и то же время выделится в более длинной проволоке, потому что электрическое сопротивление прямо пропорционально длине проводника, следовательно, при одинаковых материале и сечении сопротивление длинной проволоки будет больше, а сила тока при последовательном соединении одинакова.
3. Q = 2,88 МДж

Формула закона Джоуля-Ленца

☰

При прохождении электрического тока по проводнику происходит нагревание проводника. Можно сказать, что работа электрического тока тратится исключительно на увеличение внутренней энергии проводника, т. е. на тепло. Тогда, исходя из закона сохранения энергии, следует, что A = Q.

Причина нагревания проводника связана с взаимодействием движущихся электронов с ионами кристаллической решетки. В результате ионы в узлах кристаллической решетки начинают быстрее колебаться, т. е. их кинетическая энергия возрастает. В растворах электролитов перемещаются сами ионы.

Ученые Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц независимо друг от друга открыли опытным путем, что количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электрического тока, равно силе тока в квадрате, умноженной на сопротивление проводника и на время прохождения тока:

Q = I²Rt

Именно эта закономерность называется законом Джоуля-Ленца. Хотя эти ученые вывели закон с помощью опытов, его формулу можно вывести из современных знаний об электричестве.

Работа по перемещению заряда q находится как произведение q на напряжение на участке цепи:

A = qU

В свою очередь перемещение заряда равно произведению силы тока в проводнике на время действия этого тока:

q = It

Если подставить в формулу работы вместо q его выражение через силу тока и время, то получим

A = ItU

Напряжение также можно выразить через силу тока (по закону Ома: I = U/R). Оно равно произведению силы тока на сопротивление проводника:

U = IR

Подставим в формулу работы вместо напряжения его выражение через силу тока и сопротивление:

A = ItIR или A = I²Rt

Поскольку A = Q, то и

Q = I²Rt

Единицей измерения теплоты является джоуль (Дж). В формуле закона Джоуля-Ленца IR — это напряжение (U), которое измеряется в вольтах (В), I — сила тока, измеряемая в амперах (A), t — время в секундах. Тогда получается, что

1 Дж = 1 В * 1 A * 1 c

Учебник по физике

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Три основных метода теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице. Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери. Мы прилагаем все усилия, чтобы уменьшить эти тепловые потери, улучшая изоляцию стен и чердаков, уплотняя окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери. В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива .Метод предполагает выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электроэнергии . Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимально возможными потерями. Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости , проводимости . После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При кондукции тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой.Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается. Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой. Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.

На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды. Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный. Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью.Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю. Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах. Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.

Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой.Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70 ° C, а холодная вода имеет температуру 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. Когда горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается. По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю.В заключение отметим, что на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями влияет разница температур между двумя местоположениями.

Материал

Первая переменная, которая, как мы определили, влияет на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя точками. Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В предыдущем описанном сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой была помещена в чашку из пенополистирола с водой с низкой температурой.Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло было передано от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой. Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал. Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами.В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.

Материал		к		Материал	к
Алюминий (-ы)		237		Песок	0.06
Латунь (и)		110		Целлюлоза (и)	0,039
Медь (и)		398		Стекловата (и)	0. 040
Золото		315		Вата (и)	0,029
Чугун (чугуны)		55		Овечья шерсть	0.038
Выводы		35,2		Целлюлоза (и)	0,039
Серебро		427		Пенополистирол (-ы)	0.03
Цинк (ов)		113		Дерево (-и)	0,13
Полиэтилен (HDPE)		0. 5		Ацетон (л)	0,16
Поливинилхлорид (ПВХ)		0,19		Вода (л)	0.58
Плотный кирпич (и)		1,6		Воздух (г)	0,024
Бетон (низкая плотность)		0.2		Аргон (г)	0,016
Бетон (высокая плотность)		1,5		Гелий (г)	0.142
Лед		2,18		Кислород (г)	0,024
Фарфор (и)		1. 05		Азот (г)	0,024

Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, тепло обычно передается посредством теплопроводности со значительно более высокой скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает в себя подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, разбросанными между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности. Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, который используется в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаки как сыпучий утеплитель из целлюлозы . Он также применяется как стекловолокно (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло. Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Больше тепла будет потеряно из дома через большую крышу, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является расстояние, на которое тепло должно проходить. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Перед выходом на улицу нам советуют одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разница температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T ₁ наружу с температурой T ₂ . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно

.

Ставка = k • A • (T ₁ — T ₂ ) / d

Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Он применяется к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.

Пример задачи

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте вычислим скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1. 2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома 21 ° C, а температура снаружи -4 ° C.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.

Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м ² .

Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.

Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м ² ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла. Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна представляют собой двух- и трехкамерные окна со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы выйти из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике посвящен значениям температуры и тепла. Особое внимание было уделено развитию модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к Уроку 2. Глава станет немного более математической, поскольку мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею? Урок 2 будет относиться к калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.

а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).

г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость передачи тепла составляет ________________ в _________ раз.

ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.

3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина увеличится до 16 см.Определите скорость теплопередачи через эту площадь 2,16 м ² .

Что такое тепловой ток в физике?

Тепловой ток — это скорость, с которой тепло передается с течением времени. Поскольку это показатель тепловой энергии во времени, единицей измерения теплового тока в системе СИ является джоуль в секунду или ватт (Вт).

Тепло проходит через материальные объекты посредством теплопроводности, при этом нагретые частицы передают свою энергию соседним частицам.Ученые изучили поток тепла через материалы задолго до того, как они даже узнали, что материалы состоят из атомов, и тепловой ток — одна из концепций, которые были полезны в этом отношении. Даже сегодня, хотя мы понимаем, что теплопередача связана с движением отдельных атомов, в большинстве ситуаций непрактично и бесполезно пытаться думать о ситуации таким образом, и отступление, чтобы обработать объект в более крупном масштабе, является наиболее подходящий способ изучить или предсказать движение тепла.

Математика теплового тока

Поскольку тепловой ток представляет собой поток тепловой энергии во времени, вы можете думать о нем как о крошечном количестве тепловой энергии, dQ ( Q — переменная, обычно используемая для представления тепловой энергии), передаваемой за крошечное количество время, дт . Используя переменную H для представления теплового тока, это дает вам уравнение:

H = dQ / dt

Если вы выполнили предварительный расчет или расчет, вы могли бы понять, что скорость изменения, подобная этой, является ярким примером того, когда вы хотите установить предел, когда время приближается к нулю.Экспериментально это можно сделать, измеряя изменение тепла через все меньшие и меньшие интервалы времени.

Эксперименты, проведенные для определения теплового тока, выявили следующую математическую зависимость:

H = dQ / dt = кА ( T _H — T _C ) / L

Это может показаться пугающим массивом переменных, поэтому давайте разберем их (некоторые из которых уже были объяснены):

• H : тепловой ток
• dQ : небольшое количество тепла, передаваемое за время dt
• dt : небольшое количество времени, в течение которого было передано dQ
• k : теплопроводность материала
• A : площадь поперечного сечения объекта
• T _H — T _C : разница температур между самой высокой и самой низкой температурами материала
• L : длина, по которой передается тепло

Есть один элемент уравнения, который следует рассматривать независимо:

( T _H — T _C ) / L

Это разница температур на единицу длины, известная как градиент температуры .

Термостойкость

В инженерии часто используют понятие термического сопротивления, R , чтобы описать, насколько хорошо теплоизолятор предотвращает передачу тепла через материал. Для плиты из материала толщиной L соотношение для данного материала составляет R = L / k , что приводит к следующему соотношению:

H = A ( T _H — T _C ) / R

тепла | Определение и факты

Тепло , энергия, которая передается от одного тела к другому в результате разницы температур.Если два тела с разной температурой сближаются, энергия передается, т. Е. Тепловые потоки, от более горячего тела к более холодному. Эффект этой передачи энергии обычно, но не всегда, заключается в повышении температуры более холодного тела и понижении температуры более горячего тела. Вещество может поглощать тепло без повышения температуры за счет перехода от одного физического состояния (или фазы) к другому, например, от твердого к жидкому (плавление), от твердого к парообразному (сублимация), от жидкости к пару. (кипение) или из одной твердой формы в другую (обычно это называется кристаллическим переходом).Важное различие между теплом и температурой (тепло является формой энергии, а температура — мерой количества этой энергии, присутствующей в теле) было прояснено в 18-19 веках.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Тепло как форма энергии

Поскольку все многочисленные формы энергии, включая тепло, могут быть преобразованы в работу, количество энергии выражается в единицах работы, таких как джоули, фут-фунты, киловатт-часы или калории. Существуют точные отношения между количеством тепла, добавляемого к телу или отводимого от него, и величиной воздействия на состояние тела. Две наиболее часто используемые единицы тепла — это калория и британская тепловая единица (БТЕ).Калория (или грамм-калория) — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды с 14,5 до 15,5 ° C; BTU — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного фунта воды с 63 до 64 ° F. Одна БТЕ составляет примерно 252 калории. Оба определения указывают, что изменения температуры должны измеряться при постоянном давлении в одну атмосферу, поскольку количество задействованной энергии частично зависит от давления. Калория, используемая для измерения содержания энергии в продуктах, — это большая калория, или килограмм-калория, равная 1000 грамм-калориям.

В общем, количество энергии, необходимое для подъема единицы массы вещества через заданный температурный интервал, называется теплоемкостью или удельной теплоемкостью этого вещества. Количество энергии, необходимое для повышения температуры тела на один градус, варьируется в зависимости от наложенных ограничений. Если тепло добавляется к газу, находящемуся в постоянном объеме, количество тепла, необходимое для повышения температуры на один градус, меньше, чем если бы тепло добавлялось к тому же газу, свободному для расширения (как в цилиндре, оснащенном подвижным поршнем). ) и так работаю.В первом случае вся энергия идет на повышение температуры газа, но во втором случае энергия не только способствует повышению температуры газа, но и обеспечивает энергию, необходимую для работы, совершаемой газом над газом. поршень. Следовательно, теплоемкость вещества зависит от этих условий. Чаще всего определяют удельную теплоемкость при постоянном объеме и удельную теплоемкость при постоянном давлении. Французские ученые Пьер-Луи Дюлон и Алексис-Тереза ​​Пети в 1819 году показали, что теплоемкость многих твердых элементов тесно связана с их атомным весом.Так называемый закон Дюлонга и Пти был полезен при определении атомного веса некоторых металлических элементов, но из него есть много исключений; Позднее было обнаружено, что отклонения можно объяснить на основе квантовой механики.

Неверно говорить о тепле в теле, потому что тепло ограничивается передачей энергии. Энергия, хранящаяся в теле, — это не тепло (и не работа, поскольку работа также является энергией в пути). Однако принято говорить о явном и скрытом тепле.Скрытая теплота, также называемая теплотой испарения, — это количество энергии, необходимое для превращения жидкости в пар при постоянной температуре и давлении. Энергия, необходимая для плавления твердого тела в жидкость, называется теплотой плавления, а теплота сублимации — это энергия, необходимая для преобразования твердого тела непосредственно в пар, эти изменения также происходят в условиях постоянной температуры и давления.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Воздух представляет собой смесь газов и водяного пара, и вода, присутствующая в воздухе, может изменять фазу; я.е., он может стать жидким (дождь) или твердым (снег). Чтобы различать энергию, связанную с фазовым переходом (скрытое тепло), и энергию, необходимую для изменения температуры, было введено понятие явного тепла. В смеси водяного пара и воздуха явное тепло — это энергия, необходимая для создания определенного изменения температуры, за исключением энергии, необходимой для фазового перехода.

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача — физика

Теплообмен, удельная теплоемкость и теплоемкость

В предыдущем разделе мы узнали, что температура пропорциональна средней кинетической энергии атомов и молекул в веществе, и что средняя внутренняя кинетическая энергия вещества тем выше, чем выше температура вещества.

Если два объекта с разной температурой соприкасаются друг с другом, энергия передается от более горячего объекта (то есть объекта с более высокой температурой) к более холодному (с более низкой температурой) объекту, пока оба объекта не будут иметь одинаковую температуру. . При равенстве температур нетто-передачи тепла, поскольку количество тепла, передаваемого от одного объекта к другому, равно количеству возвращенного тепла. Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание увеличивает температуру, а охлаждение снижает ее. Эксперименты показывают, что тепло, передаваемое веществу или от него, зависит от трех факторов: изменения температуры вещества, массы вещества и определенных физических свойств, связанных с фазой вещества.

Уравнение теплопередачи Q равно

Q = mcΔT, Q = mcΔT,

11,7

, где м — масса вещества, а Δ T — изменение его температуры в единицах Цельсия или Кельвина. Обозначение c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ºC. Удельная теплоемкость c — это свойство вещества; его единица СИ — Дж / (кг К) или Дж / (кг ° C ° C). Изменение температуры (ΔTΔT) одинаково в кельвинах и градусах Цельсия (но не в градусах Фаренгейта). Удельная теплоемкость тесно связана с понятием теплоемкости. Теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры вещества на 1,00 ° C ° C.В форме уравнения теплоемкость C равна C = mcC = mc, где m — масса, а c — удельная теплоемкость. Обратите внимание, что теплоемкость такая же, как и удельная теплоемкость, но без какой-либо зависимости от массы. Следовательно, два объекта, состоящие из одного и того же материала, но с разной массой, будут иметь разную теплоемкость. Это связано с тем, что теплоемкость — это свойство объекта, а удельная теплоемкость — это свойство любого объекта , изготовленного из того же материала.

Значения удельной теплоемкости необходимо искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить.В таблице 11.2 приведены значения удельной теплоемкости для некоторых веществ в качестве справочной информации. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, а это означает, что для повышения температуры 1 кг воды требуется в пять раз больше тепла, чем для повышения температуры 1 кг стекла тем же способом. количество градусов.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] [AL] Объясните, что эта формула работает только тогда, когда фаза вещества не меняется.Передача тепловой энергии, тепла и фазовый переход будут рассмотрены позже в этой главе.

Предупреждение о заблуждении

Единицы измерения удельной теплоемкости — Дж / (кг ° C⋅ ° C) и Дж / (кг K). Однако градусы Цельсия и Кельвина не всегда взаимозаменяемы. В формуле для удельной теплоемкости используется разница в температуре, а не абсолютная температура. Это причина того, что градусы Цельсия могут использоваться вместо Кельвина.

Вещества	Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества	Дж / (кг ° C⋅ ° C)
Алюминий	900
Асбест	800
Бетон, гранит (средний)	840
Медь	387
Стекло	840
Золото	129
Человеческое тело (среднее)	3500
Лед (средний)	2090
Чугун, сталь	452
Свинец	128
Серебро	235
Дерево	1700
Жидкости
Бензол	1740
этанол	2450
Глицерин	2410
Меркурий	139
Вода	4186
Газы (при постоянном давлении 1 атм)
Воздух (сухой)	1015
Аммиак	2190
Двуокись углерода	833
Азот	1040
Кислород	913
Пар	2020

Таблица 11. 2 Удельная теплоемкость различных веществ.

Snap Lab

Изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода? Вы ответите на этот вопрос, проведя измерения для изучения различий в удельной теплоемкости.

• Открытое пламя. Соберите все распущенные волосы и одежду перед тем, как зажечь открытое пламя. Следуйте всем инструкциям своего учителя о том, как зажечь пламя. Никогда не оставляйте открытое пламя без присмотра. Знайте расположение противопожарного оборудования в лаборатории.

• Песок или грунт
• Вода
• Духовка или тепловая лампа
• Две маленькие баночки
• Два термометра

Инструкции

Процедура

1. Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две небольшие банки. (Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить равные массы, используя на 50 процентов больше воды по объему. )
2. Нагрейте оба вещества (с помощью духовки или нагревательной лампы) в течение одинакового времени.
3. Запишите конечные температуры двух масс.
4. Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
5. Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Проверка захвата

Потребовалось больше времени, чтобы нагреть воду или песок / почву до той же температуры? Какой образец остыл дольше? Что этот эксперимент говорит нам о том, как удельная теплоемкость воды по сравнению с удельной теплотой земли?

1. Песок / почва нагревается и остывает дольше.Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость земли больше, чем у воды.
2. Песок / почва нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у земли.
3. Вода нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость земли больше, чем у воды.
4. Вода нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у земли.

Проводимость, конвекция и излучение

Всякий раз, когда есть разница температур, происходит передача тепла. Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость — это передача тепла при прямом физическом контакте. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно.Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем такие ткани, как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от нашего тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни. Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его на холоднее.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Спросите учащихся, какая сейчас температура в классе. Спросите их, все ли предметы в комнате имеют одинаковую температуру. Как только это будет установлено, попросите их положить руку на стол или на металлический предмет. Стало холоднее? Почему? Если их стол сделан из ламината Formica, тогда они будут чувствовать прохладу в руке, потому что ламинат является хорошим проводником тепла и отводит тепло от руки, создавая ощущение «холода» из-за тепла, покидающего тело.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В целом металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рис. 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией.Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold. Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4. Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области.На этой иллюстрации частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция — это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

На обиходе термин жидкость обычно означает жидкость. Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердые тела, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными.Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с другой температурой, чем снаружи в окружающей среде. Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, заставляя воздушный шар расширяться. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью — горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру своего дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичным уплотнением защищает от холодного ветра зимой. Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рисунок 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становится более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого котла с водой.Попав внутрь жидкости, теплопередача к другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается плотность и поднимается, передавая тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется, пока в кастрюле есть вода.

Излучение — это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие длины волн имеют более высокую частоту и большую энергию).

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Электромагнитные волны также часто называют электромагнитными волнами. Мы по-разному воспринимаем электромагнитные волны разной частоты. Так же, как мы можем видеть одни частоты как видимый свет, мы воспринимаем некоторые другие как тепло.

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь — она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо.Другой пример — тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение — единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими. Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный — наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый — наименее эффективный.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Попросите учащихся привести примеры теплопроводности, конвекции и излучения.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды. Для этого нужно перетащить объект на пьедестал и затем удерживать рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру — вы можете в реальном времени наблюдать за тем, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами. Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Проверка захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
2. Вода занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
3. Кирпич занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
4. Вода занимает меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Попросите учащихся рассмотреть различия в результатах интерактивных упражнений, если использовались разные материалы.Например, спросите их, будет ли изменение температуры больше или меньше, если кирпич заменить железным блоком той же массы, что и кирпич. Попросите студентов рассмотреть одинаковые массы металлов, алюминия, золота и меди. После того, как они заявят, больше или меньше изменение температуры для каждого металла, попросите их обратиться к Таблице 11.2 и проверить, верны ли их прогнозы.

Что такое теплопроводность?

Диаграмма, показывающая передачу тепловой энергии посредством теплопроводности.Кредит: Безграничный

Тепло — интересный вид энергии. Он не только поддерживает жизнь, делает нас комфортными и помогает готовить пищу, но и понимание его свойств является ключом ко многим областям научных исследований. Например, знание того, как передается тепло и степень, в которой различные материалы могут обмениваться тепловой энергией, управляет всем: от обогревателей здания и понимания сезонных изменений до отправки кораблей в космос.

Тепло может передаваться только тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Из них кондукция, пожалуй, самая распространенная и регулярно встречается в природе. Короче говоря, это передача тепла посредством физического контакта. Это происходит, когда вы нажимаете рукой на оконное стекло, когда вы ставите горшок с водой на активный элемент и когда вы кладете утюг в огонь.

Эта передача происходит на молекулярном уровне — от одного тела к другому — когда тепловая энергия поглощается поверхностью и заставляет молекулы этой поверхности двигаться быстрее. В процессе они натыкаются на своих соседей и передают им энергию — процесс, который продолжается до тех пор, пока добавляется тепло.

Процесс теплопроводности зависит от четырех основных факторов: градиента температуры, поперечного сечения материалов, длины пути и свойств этих материалов.

Температурный градиент — это физическая величина, которая описывает, в каком направлении и с какой скоростью изменяется температура в определенном месте. Температура всегда течет от самого горячего источника к самому холодному, потому что холод — это не что иное, как отсутствие тепловой энергии. Этот переход между телами продолжается до тех пор, пока разница температур не исчезнет и не наступит состояние, известное как тепловое равновесие.

Поперечное сечение и длина пути также являются важными факторами. Чем больше размер материала, участвующего в переносе, тем больше тепла необходимо для его нагрева. Кроме того, чем больше площадь поверхности подвергается воздействию открытого воздуха, тем выше вероятность потери тепла. Поэтому более короткие объекты с меньшим поперечным сечением — лучший способ минимизировать потери тепловой энергии.

Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольным стержнем. Скорость переноса частично зависит от толщины материала (представ.пользователя A). Кредит: Безграничный

И последнее, но не менее важное, это физические свойства используемых материалов. По сути, когда дело доходит до теплопроводности, не все вещества одинаковы. Металлы и камень считаются хорошими проводниками, поскольку они могут быстро передавать тепло, тогда как такие материалы, как дерево, бумага, воздух и ткань, являются плохими проводниками тепла.

Эти проводящие свойства оцениваются на основе «коэффициента», который измеряется относительно серебра.В этом отношении серебро имеет коэффициент теплопроводности 100, тогда как другие материалы имеют более низкий рейтинг. К ним относятся медь (92), железо (11), вода (0,12) и дерево (0,03). На противоположном конце спектра находится идеальный вакуум, который не может проводить тепло, и поэтому оценивается как нулевой.

Материалы, плохо проводящие тепло, называются изоляторами. Воздух с коэффициентом проводимости 0,006 является исключительным изолятором, поскольку он может удерживаться в замкнутом пространстве.Вот почему в искусственных изоляторах используются воздушные отсеки, такие как окна с двойным остеклением, которые используются для сокращения счетов за отопление. По сути, они действуют как буферы от потерь тепла.

Перо, мех и натуральные волокна являются примерами натуральных изоляторов. Эти материалы позволяют птицам, млекопитающим и людям оставаться в тепле. Морские выдры, например, живут в океанических водах, которые часто очень холодны, а их роскошный густой мех сохраняет им тепло. Другие морские млекопитающие, такие как морские львы, киты и пингвины, полагаются на толстый слой жира (он же.жир) — очень плохой проводник — чтобы предотвратить потерю тепла через кожу.

Та же самая логика применяется к изоляции домов, зданий и даже космических кораблей. В этих случаях методы включают либо воздушные карманы между стенами, стекловолокно (которое задерживает воздух) или пену высокой плотности. Космические аппараты представляют собой особый случай и используют изоляцию в виде пенопласта, армированного углеродного композитного материала и плиток из кварцевого волокна. Все они являются плохими проводниками тепла и, следовательно, предотвращают потерю тепла в космосе, а также предотвращают попадание экстремальных температур, вызванных атмосферным входом, в кабину экипажа.

Электропроводность, как показано при нагревании металлического стержня пламенем. Кредит: Высшее образование Томсона.

Законы теплопроводности очень похожи на закон Ома, регулирующий электрическую проводимость. В этом случае хороший проводник — это материал, который позволяет электрическому току (то есть электронам) проходить через него без особых проблем. Электрический изолятор, напротив, представляет собой любой материал, внутренние электрические заряды которого не текут свободно, и поэтому очень трудно проводить электрический ток под действием электрического поля.

В большинстве случаев материалы, которые плохо проводят тепло, также плохо проводят электричество. Например, медь хорошо проводит тепло и электричество, поэтому медные провода так широко используются в производстве электроники. Золото и серебро еще лучше, и там, где цена не является проблемой, эти материалы также используются при строительстве электрических цепей.

И когда кто-то хочет «заземлить» заряд (т.е. нейтрализовать его), они отправляют его через физическое соединение с Землей, где теряется заряд. Это обычное дело для электрических цепей, в которых присутствует незащищенный металл, гарантирующий, что люди, случайно вступившие в контакт, не будут поражены электрическим током.

Это вид носовой части космического корабля «Дискавери», построенного из жаропрочных углеродных композитов. Предоставлено: НАСА.

Изоляционные материалы, такие как резина на подошвах обуви, используются для защиты людей, работающих с чувствительными материалами или вблизи источников электрического тока, от электрических разрядов.Другие изоляционные материалы, такие как стекло, полимеры или фарфор, обычно используются в линиях электропередач и высоковольтных передатчиках мощности, чтобы энергия передавалась в цепи (и ничего больше!)

Короче говоря, проводимость сводится к передаче тепла или передачи электрического заряда. И то, и другое происходит в результате способности вещества позволять молекулам передавать энергию через них.

---

Разработан теплопроводящий пластик

---

Ссылка : Что такое теплопроводность? (2014, 9 декабря) получено 1 марта 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-12-what-is-heat-constraction.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

NWS JetStream — Передача тепловой энергии

Источником тепла для нашей планеты является солнце.Энергия от солнца передается через космос и через атмосферу Земли к поверхности земли. Поскольку эта энергия нагревает поверхность Земли и атмосферу, часть ее является или становится тепловой энергией. Есть три способа передачи тепла в атмосферу и через нее:

• излучение
• проводимость
• конвекция

Излучение

Если вы стояли перед камином или возле костра, вы почувствовали теплопередачу, известную как излучение.Сторона вашего тела, ближайшая к огню, нагревается, в то время как другая сторона остается незатронутой жаром. Хотя вы окружены воздухом, воздух не имеет ничего общего с передачей тепла. Точно так же работают тепловые лампы, которые согревают пищу. Радиация — это передача тепловой энергии через пространство электромагнитным излучением.

Большая часть электромагнитного излучения, приходящего на Землю от Солнца, невидима. Только небольшая часть излучается видимым светом. Свет состоит из волн разной частоты.Частота — это количество случаев, когда событие повторяется в течение установленного времени. В электромагнитном излучении его частота — это количество электромагнитных волн, проходящих через точку каждую секунду.

Наш мозг интерпретирует эти разные частоты в цвета, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Когда глаз видит все эти разные цвета одновременно, он интерпретируется как белый. Волны от солнца, которые мы не можем видеть, — это инфракрасные волны, которые имеют более низкие частоты, чем красные, и ультрафиолетовые, которые имеют более высокие частоты, чем фиолетовый свет.[подробнее об электромагнитном излучении] Именно инфракрасное излучение вызывает ощущение тепла на нашем теле.

Большая часть солнечной радиации поглощается атмосферой, и большая часть того, что достигает земной поверхности, излучается обратно в атмосферу, превращаясь в тепловую энергию. Объекты темного цвета, например асфальт, поглощают лучистую энергию быстрее, чем объекты светлого цвета. Однако они также излучают свою энергию быстрее, чем объекты более светлого цвета.

Обучающий урок: тает в сумке, а не в руке

Проводимость

Проводимость — это передача тепловой энергии от одного вещества к другому или внутри вещества.Вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с супом, разогретой на плите? Через некоторое время ручка ложки нагреется.

Это происходит из-за передачи тепловой энергии от молекулы к молекуле или от атома к атому. Кроме того, когда объекты свариваются, металл нагревается (оранжево-красное свечение) за счет передачи тепла от дуги.

Это называется теплопроводностью и является очень эффективным методом передачи тепла в металлах. Однако воздух плохо проводит тепло.

Конвекция

Конвекция — это передача тепловой энергии в жидкости.Этот вид отопления чаще всего встречается на кухне с кипящей жидкостью.

Воздух в атмосфере действует как жидкость. Солнечное излучение падает на землю, нагревая скалы. Когда температура породы повышается из-за теплопроводности, тепловая энергия выделяется в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха. Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу. Когда он поднимается, пузырек охлаждается за счет тепла, содержащегося в пузыре, движущемся в атмосферу.

По мере того, как масса горячего воздуха поднимается, воздух заменяется окружающим более прохладным и более плотным воздухом, который мы ощущаем как ветер. Эти движения воздушных масс могут быть небольшими в определенном регионе, например, локальными кучевыми облаками или большими циклами в тропосфере, охватывающими большие участки земли. Конвекционные течения ответственны за многие погодные условия в тропосфере.

Быстрые факты

Это не тепло, которое вы чувствуете, а ультрафиолетовое излучение солнца, вызывающее солнечные ожоги, ведущие к раку кожи.Солнечное тепло не приводит к солнечным ожогам.

Согласно данным Американской академии дерматологии, солнечный свет состоит из двух типов вредных лучей, которые достигают Земли — ультрафиолетовых лучей A (UVA) и ультрафиолетовых лучей B (UVB). Чрезмерное воздействие на них может привести к раку кожи. Каждый из этих лучей не только вызывает рак кожи, но и делает следующее:

• UVA-лучи могут преждевременно состарить вашу кожу, вызвать появление морщин и возрастных пятен, а также могут проходить через оконное стекло.
Лучи
• UVB являются основной причиной солнечных ожогов и блокируются оконным стеклом.

Безопасного способа загара не существует. Это включает излучение от искусственных источников, таких как солярии и солнечные лампы. Каждый раз, загорая, вы повреждаете кожу. По мере нарастания этого ущерба вы ускоряете старение кожи и повышаете риск развития всех типов рака кожи.

Даже в пасмурные дни ультрафиолетовое излучение может проходить сквозь облака и вызывать солнечный ожог, если вы достаточно долго находитесь на улице.

Тепловая энергия — Science Learning Hub

Большинство из нас используют слово «тепло» для обозначения чего-то, что кажется теплым, но наука определяет тепло как поток энергии от теплого объекта к более холодному.

На самом деле тепловая энергия окружает нас повсюду — в вулканах, в айсбергах и в вашем теле. Вся материя содержит тепловую энергию.

Тепловая энергия — это результат движения крошечных частиц, называемых атомами, молекулами или ионами, в твердых телах, жидкостях и газах. Тепловая энергия может передаваться от одного объекта к другому. Передача или поток из-за разницы температур между двумя объектами называется теплом.

Например, кубик льда обладает тепловой энергией, как и стакан лимонада.Если вы добавите лед в лимонад, лимонад (более теплый) передаст часть своей тепловой энергии льду. Другими словами, он нагреет лед. В конце концов, лед растает, и лимонад и вода изо льда будут одной температуры. Это называется достижением состояния теплового равновесия.

Движущиеся частицы

Материя окружает вас повсюду. Это все во Вселенной — все, что имеет массу и объем и занимает пространство, является материей. Материя существует в разных физических формах — твердых телах, жидкостях и газах.

Вся материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами, молекулами и ионами. Эти крошечные частицы всегда находятся в движении — либо сталкиваются друг с другом, либо колеблются взад и вперед. Это движение частиц, которое создает форму энергии, называемую тепловой (или тепловой) энергией, которая присутствует во всей материи.

Частицы в твердых телах плотно упакованы и могут только вибрировать. Частицы в жидкостях также колеблются, но могут перемещаться, перекатываясь друг по другу и скользя.В газах частицы свободно перемещаются быстрыми случайными движениями.

Передача тепловой энергии — частицы при столкновении

При более высоких температурах частицы обладают большей энергией. Часть этой энергии может передаваться другим частицам, имеющим более низкую температуру. Например, в газовом состоянии, когда быстро движущаяся частица сталкивается с более медленной частицей, она передает часть своей энергии более медленно движущейся частице, увеличивая скорость этой частицы.

Когда миллиарды движущихся частиц сталкиваются друг с другом, область с высокой энергией будет медленно передаваться по материалу, пока не будет достигнуто тепловое равновесие (температура одинакова по всему материалу).

Изменение состояний посредством теплопередачи

Быстрее движущиеся частицы «возбуждают» близлежащие частицы. При достаточном нагревании движение частиц в твердом теле увеличивается и преодолевает связи, удерживающие частицы вместе. Вещество меняет свое состояние с твердого на жидкое (тает). Если движение частиц в жидкости еще больше увеличивается, то достигается стадия, когда вещество превращается в газ (испарение).

Три способа передачи тепловой энергии

Вся тепловая энергия, включая тепло, генерируемое огнем, передается разными способами:

Конвекция передает тепловую энергию через газы и жидкости.Когда воздух нагревается, частицы получают тепловую энергию, позволяя им перемещаться все быстрее и дальше друг от друга, неся тепловую энергию с собой. Теплый воздух менее плотный, чем холодный, и поднимается вверх. Более холодный воздух движется снизу, чтобы заменить поднявшийся воздух. Он нагревается, поднимается и снова заменяется более холодным воздухом, создавая круговой поток, называемый конвекционным током. Эти токи кружатся и нагревают комнату.

Conduction передает тепловую энергию в твердых телах. Движущиеся частицы теплого твердого материала могут увеличивать тепловую энергию частиц в более холодном твердом материале, передавая ее непосредственно от одной частицы к другой.Поскольку частицы расположены ближе друг к другу, твердые тела проводят тепло лучше, чем жидкости или газы.

Излучение — это метод передачи тепла, при котором не требуется, чтобы частицы переносили тепловую энергию. Вместо этого тепло передается в инфракрасных волнах (часть электромагнитного спектра). Тепловые волны исходят от горячих объектов во всех направлениях со скоростью света, пока не ударяются о другой объект. Когда это происходит, тепловая энергия, переносимая волнами, может либо поглощаться, либо отражаться.

Огонь иллюстрирует три различных метода теплопередачи. Например, топка будет нагреваться за счет конвекции. Воздух над огнем будет теплым из-за конвекции. Вы можете согреть руки рядом с огнем благодаря лучистой теплопередаче.

Эффект теплового расширения

Когда газы, жидкости и твердые тела нагреваются, они расширяются. По мере остывания они сокращаются или уменьшаются. Расширение газов и жидкостей происходит потому, что частицы движутся очень быстро, когда они нагреваются, и могут расходиться дальше друг от друга, поэтому они занимают больше места.