Количество теплоты через ток: Закон Джоуля-Ленца | 8 класс

Закон Джоуля-Ленца | 8 класс

При прохождении тока по проводнику, можно наблюдать его различные действия: тепловое, химическое, магнитное или световое. Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой он протекает, нагревается. Оно может проявляться как в твердых телах, так в жидкостях и газах.

На данном уроке мы более подробно рассмотрим именно тепловое действие тока, разберем физику происходящих процессов и познакомимся с законом Джоуля-Ленца. Этот закон позволит нам узнать, какие проводники нагреваются больше других и от чего зависит количество энергии, которое идет на нагрев.

Нагревание проводника при прохождении по нему электрического тока

Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

При прохождении электрического тока по проводнику его температура увеличивается — он нагревается. Что при этом происходит внутри проводника?

Под действием электрического поля в металлическом проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны начинают упорядоченно двигаться. При этом сохраняется и хаотичность их движения. 

При таком движении они (свободные электроны) взаимодействуют с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки проводника. В ходе этого взаимодействия свободные электроны передают ионам свою кинетическую энергию. Например, это происходит при соударении с ними.

Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. Его температура увеличивается.

При протекании электрического тока по проводнику его внутренняя энергия увеличивается.

В растворах солей, кислот, щелочей свободными заряженными частицами являются ионы. Они также будут взаимодействовать с атомами вещества.

{"questions":[{"content":"Увеличение температуры проводника, через который проходит электрический ток, говорит на о том, что[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["его внутренняя энергия увеличивается","его внутренняя энергия уменьшается","его электрическая энергия уменьшается","проводник является металлическим"],"explanations":["","","В процессе прохождения тока по проводнику происходит превращение энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника. Сам проводник не обладает никакой электрической энергией.","Нагревание свойственно не только металлическим проводникам."],"answer":[0]}}}]}

От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током?

Электрический ток проходит по проводнику. Он нагревается. При этом он контактирует с окружающей средой, а не находится в вакууме. По этой причине проводник начинает выделять некоторое количество теплоты $Q$. То есть проводник взаимодействует с окружающей средой посредством теплопередачи.

Заглянув внутрь проводника и объяснив его нагревание, мы можем предположить, что количество теплоты зависит как минимум от двух величин: от сопротивления и от силы тока.

Давайте разберемся, почему мы выбрали именно эти величины.

  1. Сопротивление
    Чем больше сопротивление проводника, тем больше он препятствует прохождению электрического тока. Значит, тем сильнее ионы в металле взаимодействуют со свободными электронами и тем больше энергии они получают. Значит, при прохождении тока по проводнику с большим сопротивлением должно выделяться большое количество теплоты. Мы предполагаем, что сопротивление проводника прямо пропорционально выделяемому количеству теплоты.
  2. Сила тока
    Сила тока рассчитывается по формуле: $I = \frac{q}{t}$. Получается, что чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Значит, происходит и больше столкновений с ионами и атомами проводника. Следовательно, тем больше количество теплоты, которое выделится при прохождении электрического тока по проводнику.
{"questions":[{"content":"Нагретый током проводник при взаимодействии с окружающей средой[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["выделяет некоторое количество теплоты","получает некоторое количество теплоты","никак не участвует в теплообмене"],"explanations":["","Обратите внимание, что нагрев проводника происходит за счет увеличения его внутренней энергии, а не за счет сообщения ему какого-то количества тепла.",""],"answer":[0]}}}]}

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Давайте опытным путем подтвердим наше первое предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из двух нагревателей и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Нагреватели у нас имеют одинаковые размеры, но сделаны из разных материалов. Соответственно, они имеют различные сопротивления $R_1$ и $R_2$. При этом $R_1 > R_2$.

Опустим нагреватели в калориметры (приборы для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды. Начальная температура воды в обоих сосудах тоже одинакова.

Замкнем цепь. Теперь через нагреватели течет электрический ток (рисунок 1). Сила тока в них одинакова, потому что они соединены последовательно.

Рисунок 1. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Мы увидим, что вода нагреется быстрее в первом калориметре. Это значит, что она получила большее количество теплоты. Именно в этом калориметре у нас и находится нагреватель с большим сопротивлением $R_1$. Наше предположение подтвердилось.

Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

{"questions":[{"content":"Сопротивление первого проводника составляет $2 \\space Ом$, второго — $4 \\space Ом$. Проводники идентичны друг другу по размеру. Какой из них нагреется сильнее при прохождении по нему электрического тока?[[choice-17]]","widgets":{"choice-17":{"type":"choice","options":["второй","первый","проводники нагреются одинаково"],"explanations":["Чем больше температура проводника, тем большее количество теплоты он выделяет. Это выделяемое количество тепла зависит от сопротивления проводника: оно тем больше, чем больше сопротивление.","",""],"answer":[0]}}}]}

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Теперь проверим наше второе предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из лампы накаливания, реостата, амперметра и источника тока.

Передвигая ползунок реостата, будем постепенно увеличивать силу тока в цепи. Мы увидим, что будет увеличиваться и яркость лампочки (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Получается, что при увеличении силы тока, у нас увеличивается количество теплоты, которые выделяет нить накаливания лампы. Предположение №2 подтверждено.

Чем больше сила тока в проводнике, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

{"questions":[{"content":"Сила тока в проводнике и количество теплоты, которое он выделяет,[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["прямо пропорциональны друг другу","обратно пропорциональны друг другу","не зависят друг от друга"],"explanations":["Чем больше сила тока, тем больше тепла будет выделяться.","",""],"answer":[0]}}}]}

Закон Джоуля-Ленца

Подобные опыты в одно время, но независимо друг от друга проводили двое ученых.2R (T_2 — T_1)$»],»answer»:[0]}}}]}

Закон сохранения энергии при нагревании проводника током

По закону сохранения энергии мы знаем, что энергия не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда.

Откуда у нас появилась какая-то дополнительная энергия в проводнике, которая пошла на его нагревание? Это энергия электрического поля, созданного источником тока. Если же поле имеет какую-то энергию, то оно может совершить какую-то работу, что и происходит на практике. При этом наш проводник нагревается — получает какое-то количество теплоты (энергии). Получается, что происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию тела.

Если ток производит только тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты будет равно работе электрического тока, совершенной за это время:
$Q = A$.

{"questions":[{"content":"Какое превращение энергии происходит во время нагревания проводника проходящим по нему электрическим током?[[choice-24]]","widgets":{"choice-24":{"type":"choice","options":["Электрическая энергия переходит во внутреннюю","электрическая энергия переходит в механическую","внутренняя энергия переходит в электрическую"],"answer":[0]}}}]}

Математический вывод закона Джоуля-Ленца

Нагревание при прохождении электрического тока происходит в неподвижных металлических проводниках.2 \cdot 20 \space Ом \cdot 1800 \space с = 900 \space 000 \space Дж = 900 \space кДж$.

Ответ: $Q = 900 \space кДж$.

Упражнение №2

С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте.

Скручивая один проводник с другим, мы получаем утолщенное и уплотненное место их соединения. Сопротивление на таком участке будет больше, чем у самих проводов. А чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла будет выделяться при прохождении по нему электрического тока. Такой участок будет сильно нагреваться.

Спайка же позволяет сделать место соединения проводов более однородным. Это практически не изменяет сопротивления. Таким образом, мы избегаем нагревания проводов в месте их соединения друг с другом.

Упражнение №3

Спираль нагревательного прибора — рефлектора — при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией.2Rt$.

Спираль раскаляется, а провода — нет. Это означает, что на спирали выделяется намного больше количества теплоты $Q$, чем в проводах. Если сила тока одинакова, значит причина этому — сопротивление $R$.

Поэтому мы делаем вывод, что спираль раскаляется, так как обладает намного большим сопротивлением, чем провода. Такое устройство обуславливается материалами, из которых сделаны спираль и провода. Удельное сопротивление спирали точно больше удельного сопротивления проводов ($R = \frac{\rho l}{S})$. Также провода тоньше спирали. Их площадь поперечного сечения намного меньше площади поперечного сечения спирали нагревательного прибора. Поэтому в проводах выделяется меньшее количество теплоты, чем в спирали.

Что будет с напряжением в такой цепи? Запишем закон Джоуля-Ленца в таком виде: $Q = UIt$. Сказано, что все элементы в этой цепи соединены последовательно. Значит сила тока $I$ во всех ее участках будет одинакова.

Получается, что напряжение на спирали будет больше, чем напряжение на концах проводов.2}{м}$.

Самым большим сопротивлением будет обладать нихромовая проволока. Она нагреется больше остальных.

Теперь проведем опыт.
Соберем электрическую цепь из трех проволок и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Через какое-то время вы сможете увидеть подтверждение нашим теоретическим выводам. Нихромовая проволока нагреется до белого каления, никелиновая — начнет краснеть (рисунок 4). Медная проволока визуально останется такой же. 

Рисунок 4. Зависимость температуры проволоки от сопротивления

Обратите внимание, что визуально оценить эффект нагревания в таком случае проще, чем пробовать при малых температурах определить на ощупь, какая проволока нагрелась больше или пытаться использовать термометр.

Задачи на применение закона Джоуля-Ленца с решением

Закон Джоуля-Ленца описывает тепловое действие электрического тока и находит широкое применение в электротехнике. В сегодняшней статье разберем несколько задач на закон Джоуля-Ленца.

Лень решать задачи? Зайдите на наш телеграм-канал: там найдется много интересного для всех учащихся. А если вы решили обратиться к нам за помощью, не упустите выгоду и обязательно прочекайте приятные скидки и акции на нашем втором канале.

Закон Джоуля-Ленца: задачи с решением

Для решения любой физической задачи существует алгоритм: сначала записываются все известные данные, затем определяются величины, которые нужно найти. Подробнее о решении физических задач читайте в нашей памятке для студентов. Также советуем держать под рукой формулы, это существенно облегчит процесс решения.

Кстати, если вы интересуетесь задачами на закон Джоуля-Ленца, вам также может быть полезно ознакомиться с задачами на мощность тока.

Задача на закон Джоуля-Ленца №1

Условие

Какое количество теплоты выделяет за 5 минут нагреватель электрочайника, если его сопротивление равно 30 Ом, а сила тока в цепи 1,5 А?

Решение

Это простейшая задача на закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Запишем сам закон:

Q=I2Rt

Подставив значения из условия в формулу, найдем:

Q=1,52·30·300=20250 Дж

Ответ: 20,25 кДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №2

Условие

Какое количество теплоты выделит за 40 минут спираль электроплитки, если сила тока в цепи 3 А, а напряжение 220 В?

Решение

Эта также простейшая задача на закон Джоуля-Ленца, но, в отличие от первой задачи, при ее решении используется другая формулировка закона. Сначала запишем закон Джоуля-Ленца:

Q=I2Rt

Теперь перепишем его с учетом закона Ома:

I=URR=UIQ=I2UIt=IUt

Осталось подставить значения и вычислить:

Q=3·220·2400=1,584 МДж

Ответ: 1,584 МДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №3

Условие

Сколько минут ток шел по проводнику сопротивлением 25 Ом, если при силе тока 1 А проводник вылелил 6 кДж теплоты.

Решение

Запишем закон Джоуля-Ленца и выразим время:

Q=I2Rtt=QI2R

Найдем:

t=600012·25=240 c=4 мин

Ответ: 4 минуты.

При расчетах не забывайте переводить все величины из условия в систему СИ.

Задача на закон Джоуля-Ленца №4

Условие

Электрическая плитка при силе тока 4 А за 20 минут потребляет 1000 кДж энергии. Рассчитайте сопротивление плитки.

Решение

Выразим сопротивление из закона Джоуля-Ленца:

Q=I2RtR=QI2t

Подставим значения и вычислим:

R=1000·10316·1200=52 Ом

Ответ: 52 Ом.

Задача на закон Джоуля-Ленца №5

Условие

По проводнику с сопротивлением 6 Ом пропускали постоянный ток в течение 9 c. Какое количество теплоты выделилось в проводнике за это время, если через его сечение прошел заряд 3 Кл?

Решение

Заряд можно определить, зная время и силу тока. А зная заряд и врямя, за которое он прошел по проводнику, найдем силу тока:

I=qt

Запишем закон Джоуля-Ленца для количества теплоты:

Q=I2RtQ=q2t2Rt=q2Rt

Подставим значения и вычислим:

Q=32·69=6 Дж

Ответ: 6 Дж.

Вопросы на закон Джоуля-Ленца

Вопрос 1. Как звучит закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца гласит:

Количество теплоты, выделившейся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Q=I2Rt

Вопрос 2. Почему проводник с током нагревается?

Ответ. При прохождении тока по проводнику положительные ионы в узлах кристаллических решеток проводника за счет энергии тока начинают сильнее колебаться. Это сопровождается увеличением внутренней энергии проводника, т.е. его нагреванием. При этом энергия тока выделяется в виде теплоты, которую называют джоулевым теплом.

Вопрос 3. Как был открыт закон Джоуля-Ленца?

Ответ.  По спирали, помещенной в калориметр с водой, пропускали электрический ток. Через некоторое время вода нагревалась. По температуре воды можно было вычислить количество выделившейся теплоты. Эмпирическим путем было доказано, что при прохождении тока по проводнику, обладающему определенным сопротивлением, в течение времени током совершается работа, проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц изучали зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока одновременно. Они пришли к одному и тому же выводу независимо друг от друга.

Вопрос 4. Как еще можно записать закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Воспользовавшись законом Ома для участа цепи, закон Джоуля-Ленца можно переписать следующим образом:

Q=UIt=U2Rt

Вопрос 5. Каково практическое применение закона Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца находит широкое применение на практике:

  1. На нем основан принцип действия многих нагревательных приборов (чайник, электроплитка, фен, утюг, паяльник и т.д).
  2. На принципе закона Джоуля-Ленца основана контактная сварка, где создание неразъемного сварного соединения достигается путем нагрева металла за счет проходящего через него электрического тока и пластической деформации свариваемых деталей путем сжатия. Электродуговая сварка также использует закон Джоуля-Ленца.
  3. Расчеты на основе закона Джоуля-Ленца позволяют стабилизировать и минимизировать тепловые потери в линиях электропередач.

Нужна помощь в решении задач и выполнении других заданий по учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленц.

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца. Короткое замыкание тока. Мощность электрического тока.

2/15/21

ВОПРОСЫ

  • Что называется проводником?
  • Что называется диэлектриком?
  • Почему в диэлектриках не течет электрический ток, в проводниках течет?

Вставка рисунка

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца .

Назовите основные действия тока на проводник.

  • На предыдущих занятиях мы с вами говорили о различных действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что это за действия?

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Потребители электрического тока

1

4

2

3

5

6

  • Чем ты руководствовался, делая выбор?
  • Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах?

Тепловое действие электрического тока.

  • Тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.
  • Тепловое действие ток производит в любой проводящей среде: твёрдой, жидкой и газообразной.

Почему происходит нагрев проводника?

  • Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?
  • Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек?
  • Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

У нас имеется электрическая цепь, что происходит в ней при включении электрического ток

У нас имеется электрическая цепь, что происходит в ней при включении электрического ток

  • При замыкании цепи лампа загоритьсягорит.
  • Это объясняется тем, что при прохождении тока спираль лампы нагревается и дает свечение.

Вывод

  • Проходя через проводник, электрический ток вызывает его нагрев.

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение

электронов. Проводник — 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 вызывает нагрев проводника.

БАТАРЕЯ

Почему же проводники нагреваются?

БАТАРЕЯ

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

БАТАРЕЯ

От каких величин зависит нагревание проводника?

Многочисленные опыты показывают, что чем больше сила тока в проводнике тем и количество теплоты выделившееся в проводнике будет больше. Значит нагревание проводника зависит

от силы тока (I).

q

2

3

От каких величин зависит нагревание проводника?

Но не только сила тока отвечает за то, что выделяется большое количество теплоты.

Был проведен эксперимент.

Зависимость количества теплоты, выделяющегося на проводнике от его сопротивления

  • При пропускании электротока через проводники:
  • Никелин нагревается до белого каления
  • Сталь — краснеет
  • Медный проводник остается темным

Q 1 ≠Q 2 ≠Q 3

I 1 = I 2 = I 3

А

медь

сталь

никелин

Следовательно количество теплоты зависит не только от силы тока, но и от того, из какого вещества изготовлен проводник. Точнее — от электрического сопротивления проводника (

R )

А

никелин

медь

сталь

Вещество

Медь

Удельное сопротивление

Сталь

0,017

Нагрев проводника

Ом мм 2

слабый

Никелин

0,1

средний

0,42

сильный

ВЫВОД: Чтобы проводник нагревался сильнее,

он должен обладать большим удельным сопротивлением

Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

Так как сила тока в последовательно соединенных лампах одинакова , то количество теплоты , выделяемое в единицу времени, больше в лампе с большим сопротивлением .

R 1 R 2

  • При одинаковой силе тока накал ламп разный. Лампа слева нагревается слабее, а то что справа — сильнее.
  • Вывод: Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.

Закон Джоуля -Ленца

ДЖОУЛЬ ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ

Ленц Эмилий Христианович

(1818–1889),

(1804-1865 гг.),

английский физик

российский физик

в 19 веке установили зависимость выделившейся теплоты от силы тока и сопротивления

Закон Джоуля — Ленца

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

Реши задачу!

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

Дано:

Си

R=35 Ом

t=5 мин

300 с

I= 5 А

Q= ?

Количество выделенной теплоты в проводниках зависит :

  • От …
  • От …
  • От типа соединения нагрузок в электроцепи.

Зависимость выделения тепла в проводниках от типа соединения

Для сравнения количества теплоты, выделяемого в параллельно соединенных проводниках, закон Джоуля—Ленца удобно представить в виде:

а) последовательное соединение;

б) параллельное соединение

Зависимость выделения тепла в проводниках от типа соединения

Так как сила тока в последовательно соединенных лампах одинакова , то количество теплоты , выделяемое в единицу времени, больше в лампе с большим сопротивлением .

а) последовательное соединение;

б) параллельное соединение

Зависимость выделения тепла в проводниках от типа соединения

Из формулы следует, что при параллельном соединении ламп количество теплоты , выделяемое в каждой лампе в единицу времени, обратно пропорционально ее сопротивлению.

а) последовательное соединение;

б) параллельное соединение

ВЫВОД:

  • Как нужно подключать тепловые электроприборы, чтобы выделялось больше тепла? меньше тепла?

а) последовательное соединение;

б) параллельное соединение

Практическое применение теплового действия тока

Тепловое действие тока используют в электронагревательных приборах и установках.

Основная часть прибора- нагревательный элемент, он представляет собой спираль из материала с большим удельным сопротивлением, способный выдерживать нагревание до высоких температур.

Чаще всего таким материалом является нихром.

http://900igr.net/fotografii/f…

Свойства металла для нагревательных элементов.

  • Должен обладать наибольшим сопротивлением. (Q ~ R)
  • Должен выдерживать высокие температуры.

Лампа накаливания

  • Учёные, благодаря, которым появилась на свет современная лампочка, по странному стечению обстоятельств, родились в один тот же год — 1847-ой. Это Александр Николаевич Лодыгин, Павел Николаевич Яблочков и Томас Алва Эдисон.

Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

Спираль лампы должна выдерживать высокие температуры, значит нужно выбрать материал с высокой температурой плавления.

Наибольшей температурой плавления обладает вольфрам.

Какую лампу выбрать?

http://energia.3dn.ru/publ/ehkonomija_ehlektroehnergii/kakuju_lampu_vybrat_sravnivaem_svetodiodnuju_ljuminescentnuju_ehnergosberegajushh

Какую лампу выбрать?

10-15 Лм/Вт

1000 час

10 — 30 руб

60-80 Лм/Вт

15000 час

50 — 150 руб

100 -150 Лм/Вт

100000 час

50 — 150 руб

http://energia.3dn.ru/publ/ehkonomija_ehlektroehnergii/kakuju_lampu_vybrat_sravnivaem_svetodiodnuju_ljuminescentnuju_ehnergosberegajushh

Вопросы

1. На что расходуется энергия направленного движения заряженных частиц в проводнике?

2. Чему равно количество теплоты, получаемое кристаллической решеткой проводника от направленно движущихся заряженных частиц?

3. Сформулируйте закон Джоуля—Ленца. Запишите его математическое выражение.

4. Дайте определение мощности электрического тока. Приведите формулу для расчета этой мощности.

5. Как зависит мощность, выделяемая в проводниках с током, от типа их соединения?

Вопросы

6. Почему спирали электронагревательных приборов делают из материала с большим удельным сопротивлением?

Задача

  • Имеется два нагревателя 40 Ом и 50 Ом. Объяснить, при каком соединении проводников выделяется больше теплоты и почему. Напряжение в цепи 220 в, сила тока 6 А.
  • Изменится ли количество выделяемой теплоты, если сопротивление спирали уменьшить в 2 раза, а силу тока увеличить в 2 раз.

Домашнее задание

Учебник § 120,

  • Какое количество теплоты выделяет за 5 с константановый проводник с R = 25 Ом, если сила тока в цепи 2 А?
  • Какое количество теплоты выделит за 10 минут проволочная спираль сопротивлением 15 Ом , если сила тока в цепи 2 А. Сколько воды можно нагреть от 20 градусов Цельсия до кипения , если считать, что вся теплота, выделяемая спиралью пошла на нагревание воды (удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/кг*К)?

http://fizika.in/baza-zadach/406-zadachakakoe-kolichestvo-teploty-vydelit-za-10-minut.html

500 Дж

Теплота и энергия в электрической цепи

Процесс преобразования электрической энергии в тепловую играет большую роль в практическом применении, что широко используется в разных нагревательных приборах в промышленной и бытовой сфере.

В то же время, тепловые потери нежелательны по причине того, что могут сопровождаться непроизводительными расходами энергии.2t}{R} = UIt$

Исследования физиков Джоуля и Ленца относительно тепловыделения от действия электрического тока значительно продвинули научное понимание определенных физических процессов, а выведенные при этом основные формулы, не претерпев изменений, продолжают активно использоваться в различных научно-технических отраслях.

Готовые работы на аналогичную тему

В сфере электротехники выделяют несколько технических задач, где количество теплоты, которая будет выделяться при протекании тока, имеет критически важное значение при расчете таких параметров, как:

  • теплопотери в ЛЭП;
  • характеристики для проводов сетей электропроводки;
  • тепловая мощность электронагревателей;
  • температура срабатывания автовыключателей;
  • температура плавления плавких предохранителей;
  • тепловыделение разных электротехнических аппаратов, а также элементов радиотехники.

Замечание 2

Тепловое действие электротока в проводах ЛЭП является нежелательным из-за весомых потерь электроэнергии на тепловое выделение.2}{R}$

В системе СИ энергия и мощность измеряются в Джоулях (Дж) и Ваттах (Вт) соответственно. Для всех приведенных выше величин применяются кратные и дольные единицы измерения. Энергию часто выражают в киловатт-часах.

Тепловая мощность тока-количество теплоты,выделяемое в проводнике в ед.времени

ПРАВИЛА КИРХГОФА.

Узлом электрич.цепи называется точка, в которой сходятся 3 и более проводника.

1 правило(правило узлов): алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю!(токи с разными знаками)

Контуром называется любая замкнутая часть эл.цепи.

2 правило(правило контуров): алгебраическая сумма падения напряжений в контуре равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в том же контуре

 

Закон Био–Савара-Лапласа. Применение закона Б. С. Л. к расчету поля прямого проводника. Магнитное поле движущегося заряда.

Закон Био–Савара-Лапласа определяет индукцию магнитного поля создаваемое проводником бесконечно малой длины.

Применение закона Б. С. Л. к расчету поля прямого проводника.

Магнитное поле движущегося заряда.

Магнитный момент контура. Поле на оси кругового контура с током.

 

Теоремы Гаусса и Стокса (поток и циркуляция) для вектора B. Расчет поля бесконечного соленоида и тороида.

Циркуляция магнитного поля (закон полного тока) в вакууме. Теорема Гаусса для магнитного поля

 

1) Теорема о циркуляции для магнитного поля в вакууме

Циркуляция вектора магнитной индукции поля в вакууме равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром (т. е. результирующему току через поверхность, опирающуюся на контур L), умноженной на магнитную постоянную:

.

Силовые поля, для которых циркуляция силового вектора отлична от нуля, называются вихревыми или соленоидальными. Магнитное поле является вихревым, а его силовые линии (линии вектора ) — замкнуты.

2) Расчет магнитного поля токов. Используя теорему о циркуляции, можно рассчитывать магнитные поля токов, обладающие определенной симметрией, например, индукции магнитных полей внутри тороида и бесконечно длинного соленоида.

Для соленоида: В = m0·nI;

для тороида: ; R2< r <R1,

где n — число витков на единицу длины соленоида; N — полное число витков тороида; r — радиус окружности, лежащей внутри тороида; R1 и R2 — внутренний и наружный радиусы тороида.

 

3) Теорема Гаусса для магнитной индукции

 

Элементарным потоком магнитной индукции(магнитнымпотоком)сквозь малую поверхность площадью dS называется физическая величина, равная

. ).

 

Единица измерения магнитного потока в СИ — 1 Вб (вебер).

Теорема Гаусса для магнитного поля (силовые линии поля замкнуты)

 

4) Теорема Стокса

§Bdl=µ∑I

Циркуляция вектора магнитной индукции прямо пропорционально алгебраической сумме токов охватывающих контур интегрирования.

§Bdl=µ( )

Положительными считаются токи связанные с обходом правилом правого винта

 

Эффект Холла.

1) Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через металлический брус в слабом магнитном поле течёт электрический ток под действием напряжённости . Магнитное поле будет отклонять носители заряда (для определённости электроны) от их движения вдоль или против электрического поля к одной из граней бруса. При этом критерием малости[1] будет служить условие, что при этом электрон не начнёт двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов можно выразить через плотность тока:

где — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональности между и называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительный знак , что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела. j, то величина поля Холла Ex максимальна: Ex = RHj. Величина R, называется коэффициентом Холла, является основной характеристикой

Постоянный электрический ток

1. Сила тока в проводнике равномерно нарастает от = 0 до некоторого максимального значения в течение времениt = 10 с. За это время в проводнике выделилось количество теплоты Q = 1 кДж. Определить скорость нарастания тока в проводнике, если его сопротивление R равно 3 Ом.

2. В медном проводнике длиной 2 м и площадью поперечного сечения, равной 0,4 мм2, идет ток. При этом ежесекундно выделяется количество теплоты, равное 0,35 Дж. Сколько электронов проходит за 1 с через поперечное сечение этого проводника. (ρ = 1,7· 10-8 Ом · м, е = 1,6 · 10-19 Кл).

3. Сила тока в проводнике сопротивлением R = 120 Ом равномерно возрастает от I0 = 0 до Imax = 5 А за время t = 15 с. Определить выделившееся за это время в проводнике количество теплоты.

4. Батареи имеют ЭДС ε1 = 110 В и ε2 = 220 В, сопротивления R1 = R2 = 100 Ом и R3 = 500 Ом. Найти показания амперметра.

5. Определить количество тепла, выделившегося на участке сопротивлением R = 12 Ом, если ток в течение t = 5 с равномерно нарастает от 2 А до 10 А.

6. Три источника тока с ЭДС ,ии три реостата с сопротивлениями,исоединены, как показано на рисунке. Определить силы токов в реостатах. Внутренним сопротивлением источников пренебречь.

7. Сила тока в проводнике сопротивлением r = 100 Ом равномерно нарастает от I= 0 до Imax = 10 А в течении времени τ = 30 с. Определить количество теплоты Q, выделившееся за это время в проводнике.

8. Два источника тока (ε1 = 8 В, r1 = 2 Ом, ε2 = 6 В, r2 = 1,5 Ом) и реостат (R = 10 Ом) соединены, как показано на рисунке. Вычислить силу тока I, текущего через реостат.

9. В цепи на рисунке амперметр показывает силу тока I = 1,5 А. Сила тока через сопротивление R1 равна I1 = 0,5 А. Сопротивление R2 = 2 Ом, R3 = 6 Ом. Определить сопротивление R1, а также силу токов I2 и I3.

10. Определить силу тока I3 в резисторе сопротивлением R3 и напряжение u3 на концах резистора, если ε1 = 4 В, ε2 = 3 В, R1 = 2 Ом, R2 = 6 Ом, R3 = 1 Ом. Внутренними сопротивлениями источников тока пренебречь.

11. Два элемента с одинаковыми ЭДС и внутренними сопротивлениямиизамкнуты на внешнее сопротивление(рис.). Через элемент с ЭДСтечет ток. Найти сопротивлениеи ток, текущий через элемент с ЭДС, а также ток, текущий через сопротивление.

12. На концах никелевого проводника (ρ = 4 · 10-7 Ом · м, γ = 10-4 К-1) длиной 5 м поддерживается разность потенциалов 12 В. Температура проводника t = 540°С. Определить плотность тока.

13. Какую силу тока показывает амперметр А2, если амперметр А1 показывает 6 А, а сопротивления R1 = 50 Ом и R2 = 150 Ом? Сопротивлением амперметра пренебречь.

14. Вольтметр показывает u = 200 В, сопротивление вольтметра Rv = 800 Ом. R1 = R2 = R3 = 100 Ом. Определить ЭДС. Сопротивлением батареи пренебречь

15. Сила тока в проводнике сопротивлением r = 100 Ом равномерно нарастает от I= 0 до Imax = 10 А в течении времени τ = 30 с. Определить количество теплоты Q, выделившееся за это время в проводнике.

16. Две батареи аккумуляторов (,,,) и реостат () соединены, как показано на рисунке. Найти силу тока в батареях и реостате.

17. Зашунтованный амперметр измеряет токи силой до 10 А. Какую наибольшую силу тока может измерить этот амперметр без шунта, если сопротивление амперметра равно 0,02 Ом и сопротивление шунта равно 0,005 Ом?

18. ЭДС элементов ε1 = 2 В и ε2 = 4 В, сопротивление R1 = 0,5 Ом. Падение потенциала на сопротивлении R2 равно u2 = 1 В (ток через R2 направлен справа налево). Найти показания амперметра.

19. Определить напряженность электрического поля в алюминиевом проводнике объемом V = 10 см3, если при прохождении по нему постоянного тока за время t = 5 мин выделялось количество теплоты Q = 2,3 кДж. Удельное сопротивление алюминия ρ = 2,6·10–8 Ом·м.

20. Батарея с ЭДС и внутренним сопротивлением имеет КПД. Падения потенциала на сопротивленияхиравныи. Какой токпоказывает амперметр? Найти падение потенциалана сопротивлении.

21. Сила тока в резисторе линейно возрастает за 4 с от 0 до 8 А. Сопротивление резистора 10 Ом. Определить количество теплоты, выделившееся в резисторе за первые 3 с.

22. В медном (ρ = 1,7· 10-8 Ом · м) проводнике сечением 6 мм2 и длиной 5 м течет ток. За 1 мин в проводнике выделяется 18 Дж теплоты. Определить напряженность поля, плотность и силу электрического тока в проводнике.

23. Два одинаковых источника тока соединены в одном случае последовательно, в другом – параллельно и замкнуты на внешнее сопротивление 1 Ом. При каком внутреннем сопротивлении источника сила тока во внешней цепи будет в обоих случаях одинаковой?

24. Сила тока в резисторе линейно возрастает за 4 с от 0 до 8 А. Сопротивление резистора 10 Ом. Определить количество теплоты, выделившееся в резисторе за первые 3 с.

Что такое тепловой ток в физике?

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

Тепло проходит через материальные объекты посредством теплопроводности, при этом нагретые частицы сообщают свою энергию соседним частицам. Ученые изучали поток тепла через материалы задолго до того, как узнали, что материалы состоят из атомов, и тепловой поток — одна из концепций, которые оказались полезными в этом отношении.Даже сегодня, хотя мы понимаем, что теплопередача связана с движением отдельных атомов, в большинстве ситуаций нецелесообразно и бесполезно пытаться думать о ситуации таким образом, а отступить, чтобы рассматривать объект в более широком масштабе, — это лучший вариант. наиболее подходящий способ изучения или прогнозирования движения тепла.

Математика теплового потока

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

H = dQ / dt

Если вы занимались предварительным исчислением или исчислением, вы могли бы понять, что скорость изменения, подобная этой, является ярким примером того, когда вы захотите установить предел, когда время приближается к нулю. Экспериментально это можно сделать, измеряя изменение теплоты через все меньшие и меньшие промежутки времени.

Проведенные эксперименты по определению теплового тока выявили следующую математическую зависимость:

H = dQ / dt = кА ( T H T C ) 5 04 3 L

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

  • H : тепловой ток
  • DQ : Небольшое количество передаваемого тепла в течение DT
  • DT : небольшое количество времени, которое DQ . материала
  • A : площадь поперечного сечения объекта
  • T H T C : разница температур между самой теплой и самой холодной температурами в материале 9 00062 9 00062 9 длина, по которой передается тепло

Есть один элемент уравнения, который следует рассматривать независимо:

( т х т к ) / л

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

Термическое сопротивление

В технике часто используют понятие теплового сопротивления R , чтобы описать, насколько хорошо теплоизолятор предотвращает передачу тепла через материал. Для плиты толщиной L соотношение для данного материала равно R = L / k , что дает следующее соотношение:

H = A ( T H T C ) / R

Кондуктивный теплообмен | Инженерная библиотека

На этой странице представлена ​​глава о кондуктивной теплопередаче из «Справочника по основам DOE: термодинамика, теплопередача и поток жидкости», DOE-HDBK-1012/2-92, U.С. Министерство энергетики, июнь 1992 г.

Другие связанные главы из «Справочника по основам Министерства энергетики: термодинамика, теплопередача и поток жидкости» можно увидеть справа.

Кондуктивный теплообмен

Кондуктивный теплообмен — это передача тепловой энергии за счет взаимодействий между соседними атомами и молекулами твердого тела.

Проводка

Теплопроводность включает передачу тепла за счет взаимодействия между соседними молекулами материала.Теплопередача за счет теплопроводности зависит от движущей «силы» разницы температур и сопротивления теплопередаче. Сопротивление теплопередаче зависит от природы и размеров теплоносителя. Все проблемы теплообмена связаны с разностью температур, геометрией и физическими свойствами изучаемого объекта.

В задачах о кондуктивном теплообмене объектом исследования обычно является твердое тело. Проблемы конвекции связаны с жидкой средой.Проблемы теплопередачи излучением связаны с твердыми или жидкими поверхностями, разделенными газом, паром или вакуумом. Существует несколько способов соотнести геометрию, физические свойства и разность температур объекта со скоростью теплопередачи через объект. В кондуктивной теплопередаче наиболее распространенным средством корреляции является закон проводимости Фурье. Закон в форме уравнения чаще всего используется в прямоугольной или цилиндрической форме (трубы и цилиндры), обе из которых представлены ниже.

Прямоугольный $$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta x }\right) $$

(2-4)

Цилиндрический $$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta r }\right) $$

(2-5)

куда:

\ ( \ точка {Q} \) = скорость теплопередачи (БТЕ/час)
А = площадь поперечного сечения теплопередачи (фут 2 )
Δx = толщина плиты (футы)
Δr = толщина цилиндрической стенки (футы)
ΔТ = разница температур (°F)
к = теплопроводность плиты (БТЕ/фут-час-°F)

Использование уравнений 2-4 и 2-5 для определения количества тепла, передаваемого теплопроводностью, продемонстрировано в следующих примерах.

Прямоугольные координаты проводимости

Пример:

1000 БТЕ/час проходит через участок изоляционного материала, показанный на рисунке 1, площадь поперечного сечения которого составляет 1 фут 2 . Толщина 1 дюйм, теплопроводность 0,12 БТЕ/час-фут-°F. Вычислите разницу температур по всему материалу.

Рисунок 1: Проводимость через плиту

Решение:

Используя уравнение 2-4:

$$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta x }\right) $$

Решение для ΔT:

$$ \begin{выравнивание} \Delta T &=& \dot{Q} \left({ \Delta x \over k ~A }\right) \nonumber \\ &=& { \left({ 1000 ~{\text{Btu} \over \text{hr}} }\right) \left({1 \over 12} ~\text{ft}\right) \over \left ({ 0.{\ circ} F \end{эквнаррай} $$

Пример:

Бетонный пол с проводимостью 0,8 БТЕ/час-фут-°F имеет размеры 30 футов на 40 футов и толщину 4 дюйма. Пол имеет температуру поверхности 70°F, а температура под ним 60°F. Каков тепловой поток и скорость теплопередачи через пол?

Решение:

Используя уравнения 2-1 и 2-4:

$$ \begin{выравнивание} \dot{Q}» &=& { \dot{Q} \over A } = k \left({ \Delta T \over \Delta x }\right) \nonumber \\ &=& \влево({ 0.2) \номер\\ &=& 28 800 ~{\text{Btu} \over \text{hr}} \end{эквнаррай} $$

Метод эквивалентного сопротивления

Теплопередачу можно сравнить с протеканием тока в электрических цепях. Скорость теплопередачи можно рассматривать как поток тока, а комбинацию теплопроводности, толщины материала и площади как сопротивление этому потоку. Разность температур представляет собой потенциальную или движущую функцию для теплового потока, в результате чего уравнение Фурье записывается в форме, аналогичной закону Ома теории электрических цепей.Если член теплового сопротивления Δx/k записать как член сопротивления, где сопротивление является обратной величиной теплопроводности, деленной на толщину материала, результатом будет уравнение проводимости, аналогичное электрическим системам или сетям. Электрическая аналогия может использоваться для решения сложных задач, связанных как с последовательными, так и с параллельными тепловыми сопротивлениями. Ученик обращается к рисунку 2, на котором показана схема эквивалентного сопротивления. Типичная задача проводимости в ее аналогичной электрической форме дается в следующем примере, где «электрическое» уравнение Фурье может быть записано следующим образом.

$$ \dot{Q}» = { \Delta T \over R_{th} } $$

(2-6)

куда:

\(\точка{Q}»\) = Тепловой поток (\( \dot{Q}/A \)) (Btu/hr-ft 2 )
ΔТ = Разница температур (°F)
Р й = Термическое сопротивление (Δx/k) (час-фут 2 -°F/Btu)
Рис. 2: Эквивалентное сопротивление

Электрическая аналогия

Пример:

Композитная защитная стена сформирована из 1-дюймового листа.медная пластина, слой асбеста толщиной 1/8 дюйма и слой стекловолокна толщиной 2 дюйма. Теплопроводность материалов в единицах БТЕ/час-фут-°F следующая: k Cu = 240, k asb = 0,048 и k fib = 0,022. Общая разница температур по всей стене составляет 500°F. {\ circ} \ text {F}} } \ nonumber \\ &=& 0.2} \end{эквнаррай} $$

Кондуктивно-цилиндрические координаты

Теплопередача через прямоугольное твердое тело является наиболее прямым применением закона Фурье. Теплопередачу через трубу или стенку трубы теплообменника оценить сложнее. Через цилиндрическую стенку площадь поверхности теплопередачи постоянно увеличивается или уменьшается. Фиг.3 представляет собой сечение трубы, изготовленной из однородного материала.

Рисунок 3: Площадь поперечного сечения цилиндрической трубы

Площадь поверхности (A) для передачи тепла по трубе (без учета концов трубы) прямо пропорциональна радиусу (r) трубы и длине (L) трубы.

А = 2πrL

По мере увеличения радиуса от внутренней стенки к внешней увеличивается площадь теплообмена.

Разработка уравнения, оценивающего теплопередачу через объект цилиндрической геометрии, начинается с закона Фурье (уравнение 2-5).

$$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta r }\right) $$

Из приведенного выше обсуждения видно, что никакое простое выражение для площади не является точным. Ни площадь внутренней поверхности, ни площадь внешней поверхности сами по себе не могут использоваться в уравнении.Для задачи с цилиндрической геометрией необходимо определить среднелогарифмическую площадь поперечного сечения (A lm ).

$$ A_{lm} = { A_{внешний} — A_{внутренний} \over \ln \left({ A_{внешний} \over A_{внутренний} }\right) } $$

(2-7)

Подстановка выражения 2πrL для площади в уравнении 2-7 позволяет вычислить среднелогарифмическую площадь по внутреннему и внешнему радиусу без предварительного вычисления внутренней и внешней площади.

$$ \begin{выравнивание} A_{lm} &=& { 2 \pi ~r_{внешняя} L — 2 \pi ~r_{внутренняя} L \over \ln \left({ 2 \pi ~r_{внешняя} L \over 2 \pi ~ r_{внутренний} L }\right) } \nonumber \\ &=& 2 \pi ~L \left({ r_{внешний} — r_{внутренний} \over \ln{ r_{внешний} \over r_{внутренний} } }\right) \end{эквнаррай} $$

Это выражение для логарифмической средней площади можно подставить в уравнение 2-5, что позволит нам рассчитать скорость теплопередачи для цилиндрических геометрий.

$$ \begin{выравнивание} \dot{Q} &=& k ~A_{lm} \left({ \Delta T \over \Delta r }\right) \nonumber \\ &=& k \left[ 2 \pi ~L \left({ r_o — r_i \over \ln{ r_o \over r_i } }\right) \right] \left({ T_o — T_i \over r_o — r_i }\ справа) \номер\\ \dot{Q} &=& { 2 \pi ~k ~L ~(\Delta T) \over \ln (r_o / r_i) } \end{эквнаррай} $$

(2-8)

куда:

Л = длина трубы (фут)
р я = внутренний радиус трубы (футы)
р или = внешний радиус трубы (футы)

Пример:

Труба из нержавеющей стали длиной 35 футов имеет внутренний диаметр 0.92 фута и внешний диаметр 1,08 фута. Температура внутренней поверхности трубы составляет 122°F, а температура внешней поверхности составляет 118°F. Теплопроводность нержавеющей стали составляет 108 БТЕ/час-фут-°F.

Рассчитайте скорость теплопередачи через трубу.

Рассчитайте тепловой поток на внешней поверхности трубы.

Решение:

$$ \begin{выравнивание} \dot{Q} &=& { 2 \pi ~k ~L ~(T_h — T_c) \over \ln (r_o / r_i) } \nonumber \\ &=& { 6.2 } \end{эквнаррай} $$

Пример:

Труба длиной 10 футов с внутренним радиусом 1 дюйм и внешним радиусом 1,25 дюйма имеет температуру внешней поверхности 250°F. Скорость теплопередачи составляет 30 000 БТЕ/ч. Найдите температуру внутренней поверхности. Предположим, что k = 25 БТЕ/час-фут-°F.

Решение:

$$ \dot{Q} = { 2 \pi ~k ~L ~(T_h — T_c) \over \ln (r_o / r_i) } $$

Решение для T h :

$$ \begin{выравнивание} T_h &=& { \dot{Q} ~\ln (r_o / r_i) \over 2 \pi ~k ~L } + T_c \nonumber \\ &=& { \left( 30,000 ~{ \text{Btu} \over \text{hr} } \right) \left( \ln { 1.{\ circ} \ text {F} \end{эквнаррай} $$

Оценка теплопередачи через цилиндрическую стенку может быть распространена на составное тело, состоящее из нескольких концентрических цилиндрических слоев, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Композитные цилиндрические слои

Пример:

Толстостенная труба ядерного теплоносителя (k s = 12,5 БТЕ/час-фут-°F) с внутренним диаметром 10 дюймов (ID) и наружным диаметром 12 дюймов (OD) покрыта 3-дюймовым слоем асбестовая изоляция (k a = 0.{\circ}\text{F}} } \right] } \nonumber \\ &=& 971 ~{ \text{Btu} \over \text{hr-ft} } \end{эквнаррай} $$



Что такое термодинамика? | Живая наука

Термодинамика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, а также как тепловая энергия влияет на материю.

Тепловая энергия — это энергия, которой вещество или система обладает благодаря своей температуре, — другими словами, энергия движущихся или вибрирующих молекул — по данным Университета Кентукки.Термодинамика включает в себя измерение этой энергии, что может быть «чрезвычайно сложным», сказал Live Science Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета штата Миссури. «Системы, которые мы изучаем в термодинамике… состоят из очень большого числа атомов или молекул, взаимодействующих сложным образом. Но если эти системы соответствуют правильным критериям, которые мы называем равновесием, их можно описать с помощью очень небольшого числа измерений или Часто это идеализируется как масса системы, давление в системе и объем системы или какой-либо другой эквивалентный набор чисел.» 

Теплота

Термодинамика, таким образом, связана с несколькими свойствами материи, главным из которых является теплота. По данным Университета штата Джорджия, теплота — это энергия, передаваемая между веществами или системами из-за разницы температур между ними. энергия, тепло сохраняется — его нельзя создать или уничтожить. Однако его можно перенести из одного места в другое. Тепло также можно преобразовывать в другие формы энергии и из них. Например, паровая турбина может преобразовывать тепло в кинетическую энергию. энергии для запуска генератора, преобразующего кинетическую энергию в электрическую.Лампочка может преобразовывать эту электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет), которое при поглощении поверхностью снова преобразуется в тепло. В ходе этого процесса часть энергии теряется в энтропию.

Температура

Сравнение температур замерзания и плавления воды (в градусах Цельсия). (Изображение предоставлено: Why Design через Shutterstock)

По данным Университета штата Джорджия, количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества атомов или молекул этого вещества в движении.Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура, и чем больше атомов или молекул находятся в движении, тем большее количество тепла они передают.

Температура — это «мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных по стандартной шкале», согласно Словарю американского наследия. Наиболее часто используемой температурной шкалой является шкала Цельсия, которая основана на температурах замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 C и 100 C.Шкала Фаренгейта также основана на точках замерзания и кипения воды, которым присвоены значения 32 градуса по Фаренгейту и 212 градусов по Фаренгейту соответственно.

Ученые во всем мире, однако, используют шкалу Кельвина (K без знака градуса), названную в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, потому что она основана на общей тепловой энергии, а не на точках замерзания и кипения воды, согласно Национальной библиотеке. Шотландии. В этой шкале используются те же приращения, что и в шкале Цельсия; например, изменение температуры на 1 C равно 1 K.Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой полностью отсутствует тепловая энергия и прекращается всякое молекулярное движение. Температура 0 К равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Удельная теплоемкость

Количество теплоты, необходимое для повышения температуры определенной массы вещества на определенную величину, называется удельной теплоемкостью, или удельной теплоемкостью мощность, по данным Wolfram Research. Условной единицей для этого являются калории на грамм на кельвин.Калория определяется как количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды при 4 градусах Цельсия на 1 градус.

Удельная теплоемкость металла почти полностью зависит от количества атомов в образце и способа их связи, а не от массы образца. Например, килограмм алюминия может поглотить примерно в семь раз больше тепла, чем килограмм свинца. Однако данная масса воды может поглотить почти в пять раз больше тепла, чем такая же масса алюминия, благодаря сильным силам, связывающим молекулы воды, согласно Юго-восточному университету Луизианы.

Теплопроводность

Центральный процессор (ЦП) является неотъемлемой частью аппаратных компонентов компьютера. (Изображение предоставлено: Нарумон Бовонкитванчай через Getty Images)

Теплопроводность ( k ) — это «скорость, с которой тепло проходит через определенное поперечное сечение определенного материала», согласно «Термосеткам» Дебдатты Ратны (Woodhead Publishing limited, 2012). Согласно Swarthmore College, единицей измерения k является ватт (Вт) на метр (м) на кельвин (К).Значения k для таких металлов, как медь и серебро, относительно высоки и составляют 380 и 420 Вт/м·К соответственно. Это свойство делает эти материалы полезными для автомобильных радиаторов и ребер охлаждения компьютерных микросхем, поскольку они могут быстро отводить тепло и обмениваться им с окружающей средой. Согласно исследованию 2009 года, опубликованному в журнале Materials, наивысшее значение k для любого природного вещества имеет алмаз при 2200 Вт/м·К.

Полезны другие материалы, потому что они очень плохо проводят тепло; это свойство называется термическим сопротивлением или значением R , которое описывает скорость, с которой тепло передается через материал.Эти материалы, такие как стекловолокно, гусиный пух и пенополистирол, используются для изоляции наружных стен зданий, зимних пальто и термокружек для кофе. R -значение дается в квадратных футах, умноженных на градусы Фаренгейта, умноженные на часы на одну британскую тепловую единицу (ft2·°F·h/Btu), согласно OpenStax, учебнику с открытым исходным кодом.

Ньютоновский закон охлаждения

В 1701 году сэр Исаак Ньютон впервые сформулировал свой закон охлаждения в короткой статье под названием «Scala graduum Caloris» («Шкала степеней тепла») в Philosophical Transactions of the Royal Society.Формулировка закона Ньютоном переводится с оригинальной латыни как «избыток степеней тепла … находился в геометрической прогрессии, тогда как времена находятся в арифметической прогрессии». Вустерский политехнический институт дает более современную версию этого научного закона: «скорость изменения температуры пропорциональна разнице между температурой объекта и окружающей среды».

Это приводит к экспоненциальному спаду разницы температур.Например, если теплый предмет поместить в холодную ванну, в течение определенного промежутка времени разница между двумя температурами уменьшится вдвое. Затем за тот же промежуток времени оставшаяся разница снова уменьшится вдвое. Это повторяющееся уменьшение разницы температур вдвое будет продолжаться через равные промежутки времени, пока она не станет слишком малой для измерения. В этот момент система находится в тепловом равновесии.

Теплопередача

Схема, показывающая, как работает теплопередача.(Изображение предоставлено blueringmedia через Getty Images)

Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой тремя различными способами: проводимостью, конвекцией и излучением. Проводимость — это передача энергии через твердого материала. Проводимость между телами возникает, когда они находятся в непосредственном контакте, и молекулы передают свою энергию через поверхность раздела.

Конвекция – это передача тепла к текучей среде или от нее. Молекулы в газе или жидкости, соприкасающиеся с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам жидкости перемещаться на место и повторять процесс.

Излучение – это излучение энергии посредством электромагнитного (ЭМ) излучения, особенно инфракрасных фотонов, переносящих тепловую энергию. По данным Северо-Западного университета, вся материя излучает и поглощает некоторое количество электромагнитного излучения, чистое количество которого определяет, вызывает ли это потерю или увеличение тепла.

Цикл Карно

В 1824 году Николя Леонар Сади Карно предложил модель тепловой машины, основанную на так называемом цикле Карно, по данным Американского общества инженеров-механиков.Цикл использует взаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов, а также то, как подводимая энергия может изменять форму и выполнять работу вне системы.

Первым этапом цикла Карно является изотермическое расширение, при котором газ в цилиндре под давлением поршня поддерживается при постоянной температуре, но источник тепла контактирует с цилиндром. Чтобы поддерживать ту же температуру, газ должен расширяться. Затем адиабатическое расширение, или расширение без передачи тепла в окружающую среду, снимает вес с поршня, позволяя газу расширяться дальше, что помогает ему толкать цилиндр для выполнения работы.Затем газ охлаждается при постоянной температуре и сжимается за счет добавления веса к поршню для повышения давления в газе, после чего тепло передается от газа обратно к источнику тепла. И, наконец, адиабатическое сжатие увеличивает вес поршня, чтобы еще больше увеличить давление газа и, следовательно, повысить его температуру. Затем цикл повторяется, сообщает НАСА. По данным Университета штата Джорджия, это основной принцип тепловых насосов, используемых для отопления, кондиционирования и охлаждения.

Энтропия

Все термодинамические системы генерируют отработанное тепло. Эти потери приводят к увеличению энтропии, которая является мерой беспорядка в системе. Согласно Британнике, поскольку работа возникает в результате упорядоченного молекулярного движения, энтропия является мерой энергии, недоступной для выполнения работы. Энтропия в любой замкнутой системе всегда возрастает; это никогда не убывает . Кроме того, движущиеся части производят отработанное тепло из-за трения, и из системы неизбежно происходит утечка лучистого тепла.

Это делает невозможным создание так называемых вечных двигателей. Сиабал Митра, профессор физики в Университете штата Миссури, сказал Live Science: «Вы не можете построить двигатель, который был бы на 100% эффективнее, а это значит, что вы не можете построить вечный двигатель. Не поверите, и есть люди, которые до сих пор пытаются строить вечные двигатели».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо возрастает.Вы можете смешивать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более беспорядочна, чем две меньшие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете снова разделить ее на горячую и холодную, не добавляя энергии в систему. Иными словами, вы не сможете разбить яйцо или удалить сливки из кофе. Таким образом, энтропия дает нам стрелу времени: вперед — это направление увеличения энтропии.

Четыре закона термодинамики

Фундаментальные принципы термодинамики первоначально были выражены в трех законах.Позже ученые выяснили, что более фундаментальный закон был проигнорирован, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было формулировать явно. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что необходимо включить этот самый фундаментальный закон. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были установлены и были хорошо известны по присвоенным им номерам. Столкнувшись с перспективой перенумерации существующих законов, что вызвало бы значительную путаницу, или помещения основного закона в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х.Фаулер предложил альтернативу, которая решила дилемму: он назвал новый закон «законом нуля», согласно Колледж Святого Ансельма. Вот кратко все четыре закона: 

Нулевой закон термодинамики гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с каким-то третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.

Первый закон термодинамики гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, совершенная системой.В нем говорится, что тепло является формой энергии и, следовательно, подчиняется принципу сохранения, то есть оно не может быть ни создано, ни уничтожено.

Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии. Вот почему кондиционер стоит денег.

Третий закон термодинамики гласит, что энтропия идеального кристалла — то есть вещества, состоящего из атомов, расположенных в идеально упорядоченном симметричном порядке — при абсолютном нуле равна нулю.Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «бесполезной энергией» или энергией, которая не может выполнять работу; а поскольку при абсолютном нуле нет никакой тепловой энергии, не может быть и ненужной энергии. Энтропия также является мерой беспорядка в системе, и хотя идеальный кристалл по определению идеально упорядочен, любое положительное значение температуры означает, что внутри кристалла есть движение, вызывающее беспорядок. По этим причинам не может быть физической системы с меньшей энтропией, поэтому энтропия всегда имеет положительное значение.

Наука термодинамика развивалась веками, и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам. Его значение в современной технике невозможно переоценить.

Автор Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 28 января 2022 г. www.pa.uky.edu/~straley/THE/heat/then4.htm

Карл Нейв, «Тепло», Гиперфизика, Университет штата Джорджия, 2017 г. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html Температура», «Гиперфизика», Университет штата Джорджия, 2017 г. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper2.html

Словарь американского наследия, «Температура». 2022. https://www.ahdictionary.com/word/search.html?q=temperature

Зал славы шотландской науки, «лорд Кельвин (1824–1907)».2009 г. https://digital.nls.uk/scientists/biographies/lord-kelvin/

Wolfram Research, «Specific Heat». 2007 г. https://scienceworld.wolfram.com/physics/SpecificHeat.html

Университет Юго-Восточной Луизианы, «Термодинамика, часть 1: работа, теплота, внутренняя энергия и энтальпия», 2000 г. свойства реактопластов, «Реактопласты: структура, свойства и применение», 2012.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B97808570500031 

Эрик Чивер, «Элементы тепловых систем», Swarthmore College, 2021 г. https://lpsa.swarthmore.edu/Systems/Thermal/SysThermalElem. html

Сергей В. Кидалов и Федор М. Шахов, «Теплопроводность алмазных композитов», Материалы (Базель), декабрь 2009 г. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5513588/

Пол Питер Урон и Роберт Хинрикс, «Физика в колледже». OpenStax, 22 августа 2016 г. https://pressbooks.online.ucf.edu/algphysics/chapter/conduction/ 

Исаак Ньютон, «VII. Scala graduum caloris», Philosophical Transactions of the Royal Society, 1701. 

Вустерский политехнический институт, «Закон охлаждения Ньютона», 1996. http ://www.math.wpi.edu/Course_Materials/MA1022A96/lab2/node5.html 

Северо-Западный университет, «Как движется тепло?» https://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/thermal/1-how-does-heat-move.html

Карл Нэйв, «Цикл Карно», Гиперфизика, Университет штата Джорджия, 2017 г.http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html 

НАСА, «Цикл Карно», 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/ plane/carnot.html 

Карл Нэйв, «Тепловой насос», Гиперфизика, Университет штата Джорджия, 2017 г. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatpump.html

Словарь американского наследия, «Энтропия», 2022 г. https://www.ahdictionary.com/word/search.html?q=entropy 

Ян Т. Дарем, «Ральф Фаулер», Колледж Св. Ансельма. 2001. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Биографии/Фаулер/

NWS JetStream — Передача тепловой энергии

Источником тепла для нашей планеты является Солнце. Энергия солнца передается через космос и через земную атмосферу на земную поверхность. Поскольку эта энергия нагревает поверхность земли и атмосферу, часть ее является или становится тепловой энергией. Существует три способа передачи тепла в атмосферу и через нее:

  • излучение
  • проводимость
  • конвекция

Радиация

Если вы стояли перед камином или возле костра, вы чувствовали передачу тепла, известную как излучение.Ближайшая к огню сторона вашего тела нагревается, в то время как другая сторона остается незатронутой жаром. Хотя вы окружены воздухом, воздух не имеет ничего общего с этой передачей тепла. Точно так же работают лампы накаливания, которые поддерживают температуру пищи. Радиация – это перенос тепловой энергии через пространство электромагнитным излучением.

Большая часть электромагнитного излучения, поступающего на Землю от Солнца, невидима. Только небольшая часть приходит как видимый свет. Свет состоит из волн разной частоты.Частота — это количество повторений события в течение заданного времени. В электромагнитном излучении его частота — это количество электромагнитных волн, проходящих мимо точки каждую секунду.

Наш мозг интерпретирует эти различные частоты в цвета, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Когда глаз видит все эти разные цвета одновременно, он интерпретируется как белый. Солнечные волны, которые мы не видим, — это инфракрасные волны, частота которых ниже, чем у красного, и ультрафиолетовые волны, частота которых выше, чем у фиолетового света.[подробнее об электромагнитном излучении] Именно инфракрасное излучение вызывает ощущение тепла в нашем теле.

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

Учебный урок: тает в сумке, а не в руке

Проводимость

Теплопроводность – это передача тепловой энергии от одного вещества к другому или внутри вещества.Вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с супом, разогретым на плите? Через некоторое время ручка ложки станет горячей.

Это связано с передачей тепловой энергии от молекулы к молекуле или от атома к атому. Кроме того, когда объекты свариваются вместе, 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 тип нагрева чаще всего встречается на кухне с кипящей жидкостью.

Воздух в атмосфере действует как жидкость. Солнечные лучи падают на землю, нагревая скалы. По мере того, как температура породы повышается из-за теплопроводности, тепловая энергия выделяется в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха. Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу. По мере подъема пузырек остывает, а тепло, содержащееся в пузыре, уходит в атмосферу.

По мере того, как горячая воздушная масса поднимается, воздух заменяется окружающим более холодным и 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 потоки ответственны за многие погодные условия в тропосфере.

Быстрые факты

Не тепло, которое вы чувствуете, а ультрафиолетовое излучение солнца вызывает солнечные ожоги, которые приводят к раку кожи.Солнечное тепло не приводит к солнечному ожогу.

По данным Американской академии дерматологии, солнечный свет состоит из двух типов вредных лучей, достигающих земли: ультрафиолетовых лучей А (UVA) и ультрафиолетовых лучей B (UVB). Чрезмерное воздействие любого из них может привести к раку кожи. Каждый из этих лучей не только вызывает рак кожи, но и делает следующее:

  • Лучи UVA могут преждевременно состарить кожу, вызывая появление морщин и пигментных пятен, и могут проникать сквозь оконное стекло.
  • Лучи UVB являются основной причиной солнечных ожогов и блокируются оконным стеклом.

Безопасного способа загорать не существует. Сюда входит излучение от искусственных источников, таких как солярии и солнечные лампы. Каждый раз, когда вы загораете, вы повреждаете кожу. По мере накопления этого повреждения вы ускоряете старение кожи и увеличиваете риск развития всех видов рака кожи.

Даже в пасмурные дни ультрафиолетовое излучение может проходить сквозь облака и вызывать солнечные ожоги, если вы достаточно долго находитесь на открытом воздухе.

Тепло

Теплота и температура — разные физические величины.Когда два тела с разной температурой соприкасаются друг с другом, тепло переходит от более горячей системы к более холодной. Теплота является мерой энергии. Увеличение или уменьшение механической энергии в системе всегда сопровождается равным соответственно уменьшению или увеличению теплоты.

Теплоемкость и удельная теплоемкость

Теплоемкость тела — это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры объекта на один градус. Представьте блоки одинаковой массы из разных металлов (см. рис.).Блоки имеют основания одинакового поперечного сечения, но разной высоты из-за разной плотности. После нагревания в печи до той же температуры блоки кладут на большой кусок льда. Некоторые блоки будут растворяться в льду глубже, чем другие, из-за их различной способности поглощать или выделять разное количество тепла, даже если они имеют одинаковую массу и претерпевают одинаковое изменение температуры. Блоки отличаются теплоемкостью. Различия в теплоемкости также могут быть результатом различных масс и различных изменений температуры.

Рисунок 1

Горячие блоки из разных металлов при одинаковой температуре расплавляют различное количество льда.

Теплоемкость (C) на единицу массы (м) называется Удельная теплоемкость ( c ): 

где к m кг вещества добавляется Q единиц теплоты, изменяя температуру на Δ T . Удельная теплоемкость была определена для многих материалов и может быть найдена в таблицах.

Механический эквивалент тепла

калорий определяется как количество энергии, необходимое для поднятия 1 грамма воды на 1 градус. (Эта энергия немного зависит от температуры воды, поэтому изменение температуры обычно определяется от 14,5 до 15,5 градусов Цельсия.) килокалории — это количество тепловой энергии, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 градус Цельсия. . (Пищевые калории — это килокалории.) В единицах СИ калория равна 4.184 Дж. Инженерной единицей тепла в США является британская тепловая единица (БТЕ). Это связано с калорией и джоулем: БТЕ = 252 калории = 1,054 кДж. Эти обратимые преобразования тепловой энергии и работы называются механическим эквивалентом теплоты .

Теплообмен

Тепловая энергия (Q) , передаваемая в систему или из нее, равна Q = mc Δ T . Изменение температуры положительно для прироста тепловой энергии и отрицательно для теплоты, отводимой от объекта.Применяя это выражение к задачам теплообмена, предположим, что объекты, находящиеся в тепловом контакте, изолированы от своего окружения — полностью изолированы.

Калориметрия

Если вещество в закрытом сосуде теряет тепло, то что-то другое в сосуде получает такое же количество тепла. Калориметр — это устройство, использующее передачу тепла для определения удельной теплоемкости вещества. Известную массу вещества, удельная теплоемкость которого неизвестна, нагревают до определенной температуры, а затем помещают в сосуд, содержащий жидкость (обычно воду) с известной массой, удельной теплоемкостью и температурой.После достижения теплового равновесия можно определить удельную теплоемкость неизвестного вещества.

Пример 1: Рассмотрим кусок горячего металла массой m m и начальной температурой T mo , брошенный в массу холодной воды массой 03

3 m

w с начальной температурой T wo . Если конечная температура T , какова удельная теплоемкость металла?

Решение : Все тепло, потерянное металлом, передается воде, потому что система изолирована.Потери тепла на неизвестное Q м = м м с м Δ Т м = м м с м ( Т пн Т F ), и тепло, накопленное в воде Q ж = м ж с W Δ T ш = м ж с ж ( Т F Т или ).Разность температур записана так, что обе они являются положительными величинами. Конечная температура воды будет больше, чем ее первоначальная температура, потому что она нагревается. Конечная температура металла будет меньше его исходной температуры. Объекты достигают теплового равновесия, поэтому конечные температуры одинаковы. (Удельная теплоемкость воды имеет значение 1 кал/г.к.)

Скрытая теплота

изменение фазы происходит, когда объект переходит из одного физического состояния в другое.Общие физические состояния : твердое, жидкое или газообразное. Некоторыми примерами фазовых переходов являются переход из жидкости в твердое состояние (замерзание) или из жидкости в газ (кипение).

График, показанный на рисунке 2 , иллюстрирует зависимость температуры от тепла, добавляемого к массе льда, которая претерпевает фазовые переходы от льда к воде, а затем от воды к пару. В областях I, III и V добавление тепловой энергии увеличивает температуру образца; однако в областях II и IV дополнительное тепло не вызывает изменения температуры, поскольку для изменения состояния требуется тепло.Теплота, необходимая для изменения состояния, называется скрытой теплотой (L) : Q = мл .

Рисунок 2

Фазовые изменения воды при нагревании.

Теплота плавления

Величина скрытой теплоты (L) зависит от конкретного фазового перехода, а также от свойств вещества. Теплота плавления — это теплота, необходимая для фазового перехода из твердого состояния в жидкое.Если вещество изначально находится в жидкой форме, теплотой плавления называется теплота, выделяющаяся при переходе вещества из жидкого состояния в твердое. Скрытая теплота плавления воды при атмосферном давлении равна 3,34·10 5 Дж/кг. Теплота, необходимая для плавления 1 г воды при 0°С, равна

.

 

Теплота парообразования

Скрытая теплота парообразования относится к фазовому переходу между жидким и газообразным состояниями. Теплота парообразования воды равна 2.26 × 10 6 Дж/кг. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 г воды в пар при 100 °С, равно Q = мл v = (10 −3 кг) (2,26 × 10 6 Дж/кг). = 2,26 × 10 3 Дж. Непрерывное подвод тепла к пару приведет к перегреву пара и достижению температуры выше 100°C.

Обратите внимание на график на рисунке, что стакан со смесью льда и воды остается при температуре 0°C.Только после того, как весь лед растает, дальнейшее нагревание повысит температуру раствора. Аналогичный эффект возникает, когда вода и водяной пар существуют при одной и той же температуре 100°C до тех пор, пока вся вода не выкипит.

Методы теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

Тепловая энергия может передаваться из одного места в другое одним из трех способов: проводимостью, конвекцией и излучением.

Металлическая ручка железной сковороды, поставленной на нагретую конфорку, нагревается за счет теплопроводности. Теплопроводность возникает, когда тепло проходит через нагретое твердое тело. Скорость передачи (H) представляет собой отношение количества тепла за время, переданного из одного места в объекте в другое H = Q t , где H выражается в ваттах. или Дж/с, когда Q в джоулях, а Δ t в секундах. Для осуществления проводимости температура между двумя частями проводящей среды — дном кастрюли и ручкой — должна быть разной.Формула для теплопроводности с одной стороны на другую плиты толщиной L и площадью поперечного сечения A определяется как  

, где тепло течет от T 2 к T 1 и T 2 > T 1 50 90 3 , как показано на рис.

Рисунок 3

Тепло перетекает из областей с более высокой температурой в области с более низкой.

Константа (k) , называемая теплопроводностью , содержится в таблицах, в которых перечислены свойства материалов.Тот факт, что разные материалы имеют разные значения k , объясняет, почему металлическая полка холодильника кажется более холодной, чем продукты на ней, даже если оба находятся в тепловом равновесии. Константа проводимости для металлов относительно велика, и металл кажется более холодным, потому что металл быстрее отводит тепло от руки, чем другие материалы.

Тепло, переносимое движением нагретого вещества, является результатом конвекции . Наиболее распространенным примером конвекции является нагретая масса воздуха, поднимающаяся от обогревателя или костра.

Третий механизм передачи тепла излучение в виде электромагнитных волн. Лучистая энергия солнца согревает землю. Скорость, с которой объект излучает лучистую энергию, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Закон Стефана-Больцмана , описывающий взаимосвязь, имеет вид Вт/м 2 K 4 , A – площадь поверхности объекта в м 2 , T – абсолютная температура, а 3, e

– постоянная теплопроводности. изменяется от 0 до 1 в зависимости от свойств поверхности.

Термос или сосуд Дьюара — это предмет, который сводит к минимуму передачу тепла за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Колба изготовлена ​​из стекла Pyrex с двойными стенками и посеребренными внутренними стенками. Пространство между стенками вакуумируется, чтобы уменьшить теплопередачу путем теплопроводности и конвекции. Посеребренные стены отражают большую часть лучистого тепла, чтобы сократить передачу тепла излучением. Контейнер эффективно используется для хранения холодных или горячих жидкостей в течение длительного периода времени.

Изоляция | Департамент энергетики

Сопротивление изоляционного материала кондуктивному тепловому потоку измеряется или оценивается с точки зрения его теплового сопротивления или значения сопротивления теплопередаче: чем выше значение сопротивления, тем выше эффективность изоляции.Значение R зависит от типа изоляции, ее толщины и плотности. Значение R большинства изоляционных материалов также зависит от температуры, старения и накопления влаги. При расчете R-значения многослойной установки добавьте R-значения отдельных слоев.

Установка большего количества теплоизоляции в вашем доме увеличивает значение R и сопротивление тепловому потоку. Как правило, увеличение толщины изоляции пропорционально увеличивает значение R. Однако по мере увеличения установленной толщины у насыпного утеплителя увеличивается осевшая плотность изделия за счет сжатия утеплителя под собственным весом.Из-за этого сжатия R-значение рыхлой изоляции не изменяется пропорционально толщине. Чтобы определить, сколько изоляции вам нужно для вашего климата, проконсультируйтесь с местным подрядчиком по изоляции.

Эффективность сопротивления изоляционного материала тепловому потоку также зависит от того, как и где установлена ​​изоляция. Например, сжатая изоляция не будет обеспечивать полное номинальное значение R. Общее значение R стены или потолка будет несколько отличаться от значения R самой изоляции, потому что тепло легче проходит через стойки, балки и другие строительные материалы в явлении, известном как тепловые мосты.Кроме того, изоляция, которая заполняет полости здания, уменьшает воздушный поток или утечку и экономит энергию.

В отличие от традиционных изоляционных материалов радиационные барьеры являются материалами с высокой отражающей способностью, которые повторно излучают лучистое тепло, а не поглощают его, что снижает нагрузку на систему охлаждения. Как таковой, радиационный барьер не имеет присущего R-значения.

Несмотря на то, что можно рассчитать значение R для конкретного излучающего барьера или установки отражающей изоляции, эффективность этих систем заключается в их способности уменьшать приток тепла за счет отражения тепла от жилого помещения.

Необходимое количество теплоизоляции или R-коэффициент зависит от вашего климата, типа системы отопления и охлаждения и той части дома, которую вы планируете изолировать. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашей информацией о добавлении изоляции в существующий дом или изоляции нового дома. Кроме того, помните, что герметизация воздуха и контроль влажности важны для энергоэффективности, здоровья и комфорта дома.

Используйте следующую карту, чтобы определить вашу климатическую зону, а затем следующие таблицы, чтобы оценить требуемые R-значения.Дополнительную информацию о климатических зонах см. в Международном кодексе энергосбережения 2021 года.

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 7А

        • Класс 7Б

        • Класс 7 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Graad 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 8А

        • Класс 8Б

        • Класс 8 (объединенные A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Graad 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 9А

        • Класс 9Б

        • Класс 9 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Graad 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 4А

        • Класс 4Б

        • Класс 4 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Graad 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 5А

        • Класс 5Б

        • Класс 5 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Graad 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 6А

        • Класс 6Б

        • Класс 6 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Graad 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

Лицензирование нашей книги

Эти книги не только бесплатны, но и имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (фирменные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете копировать, распечатывать и распространять их столько раз, сколько захотите. Вы можете загрузить их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете каким-либо образом адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, логотипы спонсоров и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте здесь больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без торговой марки)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для совместного использования, адаптации, преобразования, изменения или дальнейшего развития любым способом, при единственном требовании — отдать должное Сиявуле.

0 comments on “Количество теплоты через ток: Закон Джоуля-Ленца | 8 класс

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.