Як обчислити джоулі

Названий на честь англійського фізика Джеймса Прескотта Джоуля, джоуль (Дж) є однією з найважливіших одиниць виміру в Міжнародній системі одиниць (СІ). Джоуль використовується для вимірювання роботи, досконалої силою на певній відстані, а також для вимірювання кінетичної енергії, тобто енергії руху-1 джоуль дорівнює 1 Ньютону на метр, що еквівалентно 0,7376 фунт-сила-футам. Джоуль також використовується в якості одиниці вимірювання електричної енергії, і в цьому випадку він може бути визначений як енергія, необхідна для підтримки струму силою 1 ампер в провіднику опором 1 Ом протягом 1 секунди, або ж як робота, яку треба затратити, щоб перемістити заряд в 1 кулон через різницю електричних потенціалів 1 вольт при цьому джоуль еквівалентний 6,24 x 10 ^ 18 електрон-вольт (еВ). Джоулі можна використовувати і для вимірювання кількості теплоти замість калорій і кілокалорій, і 1 Дж еквівалентний 9,4782 x 10 ^ -4 британських термічних одиниць (BTU). У цій статті розповідається, як розрахувати роботу, кінетичну енергію, електричну енергію та кількість теплоти в джоулях.

Метод 1 з 4: Обчислення роботи в джоулях

1
Поняття "робота". Як було зазначено вище, робота визначається як дія сили по переміщенню якого-небудь тіла на певну відстань. При цьому не має значення, який час було витрачено на це переміщення. Як приклад припустимо, що рухомий об`єкт - це людина, що піднімається по сходах.
2
Зважте переміщуване тіло. У нашому випадку ми припустимо, що маса людини становить 50 кг (110 фунтів).
- Робота визначається як сила, а не маса, прикладена на певній відстані, тому для перекладу маси в кілограмах в силу в ньютонах, або вага, масу треба помножити на прискорення вільного падіння, рівне 9,8 м / с ^ 2. Отримуємо вага 490 ньютонів.
- Зауважте, що в Британській імперській системі мір і ваг "фунт" може позначати як одиницю вимірювання маси ("фунт маси"), так і сили ("фунт-сила"). У гравітаційному полі Землі вони чисельно еквівалентні: 1 фунт маси дорівнює 1 фунт-силі.
3
Виміряйте відстань, на яку переміщується тіло. У нашому випадку ми приймемо, що відстань між нижнім і верхнім краями сходи одно 5 м (16,4 фути).
4
Помножте силу на відстань. Для людини вагою 490 ньютонів, подолав 5-метрову драбину, кількість виконаної роботи одно 490 x 5, або 2.450 джоулів (1.807,12 фунт-сила-футів).
- Хоча робота не залежить від часу, витраченого на переміщення об`єкта, від нього залежить потужність. Одиницею потужності є ват, який визначається як 1 джоуль за секунду, і еквівалентний 0,7376 фунт-сила-футам за секунду. Якщо, наприклад, підйом по сходах посів 5 секунд, кількість витраченої потужності дорівнює 2.450 поділити на 5, або 490 ват. Якщо ж підйом тривав 10 секунд, потужність складе 2.450 поділені на 10, або 245 ват.
- Кут нахилу сходів не впливає на виконану при підйомі роботу.

Метод 2 з 4: Обчислення кінетичної енергії в джоулях

1
Зважте об`єкт, який збираєтеся привести в рух. Для прикладу ми виміряємо кінетичну енергію велосипеда і велосипедиста, що скотився на ньому з пагорба. Припустимо, що маса велосипедиста, як і раніше, 50 кг (110 фунтів), а маса велосипеда - 20 кг (44 фунтів) - разом їх загальна маса становить 70 кг (154 фунтів).
2
Виміряємо відстань від початкової до кінцевої точки руху. Припустимо, що від вершини пагорба до його підніжжя 30 м (98,43 футів).
3
Помістимо об`єктах в стартову позицію. У нашому випадку це вершина пагорба.
4
Почнемо рух. За сигналом велосипедист сідає на свій велосипед, прокручує педалі лише потім, щоб почати їхати, і потім скочується з пагорба, нерухомо сидячи на велосипеді. Одночасно з подачею сигналу друга людина, спостерігач, запускає секундомір.
5
Вимірюємо час, за який велосипедист спуститься з вершини пагорба до його підніжжя. Як тільки він досягне підніжжя пагорба, спостерігач зупиняє секундомір. Припустимо, весь спуск зайняв 5 секунд.
6
Розділіть відстань, подолану велосипедистом, на витрачений час. Ви отримаєте швидкість. У нашому прикладі велосипедист проїхав 30 м за 5 с, що дає швидкість 6 м / с.
7
Помножте швидкість саму на себе і на масу. Множення 6 на себе дає 36, і 36, помножене на масу 70 кг одно 2.520.
8
Поділіть на 2. Це дасть кінетичну енергію в джоулях. У нашому прикладі 2.520 поділене на 2 дає кінетичну енергію 1.260 джоулів, або 1,26 кілоджоулів.
- Цей метод можна використовувати для розрахунку кінетичної енергії кулі, що вилетіла з рушниці, або так званої дульной енергії. Чим важче куля і швидше вона рухається, тим вище її кінетична енергія. Відповідно, чим вище кінетична енергія кулі, тим більше її руйнівну дію.
- Наведений метод визначення кінетичної енергії справедливий у тих випадках, коли швидкість об`єкта значно менше швидкості світла. У більшості випадків ця умова виконується.

Метод 3 з 4: Обчислення електричної енергії в джоулях

1
Виберіть резистор. Резистори градуюються по опору в Омасі, зазначених на резистори безпосередньо числом або ж позначених кольоровими смужками. Ви можете також визначити опір резистора безпосередньо, приєднавши його до омметру або мультиметру. У нашому прикладі ми будемо вважати опір рівним 10 Ом.
2
Підключіть резистор до джерела струму. Підключіть до резистору дріт металевими зажимами (прищіпками), або увімкніть його в тестову плату.
3
Пропускайте через отриману ланцюг струм протягом певного часу. У нашому прикладі це буде, припустимо, 10 секунд.
4
Виміряйте силу струму. Зробіть це за допомогою амметра або мультиметра. Більшість побутових струмів вимірюються в міліампер, тобто в тисячних частках ампера, тому припустимо, що наш ток склав 100 міліампер, або 0,1 ампер.
5
Помножте квадрат струму на опір. В результаті вийде потужність у ВАТ. Квадрат 0,1 дорівнює 0,01, помноживши це на 10 отримуємо потужність 0,1 ват, або 100 милливатт.
6
Помножте потужність на час. Тим самим ви визначите витрачену енергію в джоулях. 0,1 ват x 10 секунд дорівнює 1 джоулю електричної енергії.
- Оскільки джоулі - малі величини, і на практиці для вимірювання потужності, як правило, використовуються вати, мілівати і кіловати, для практичних цілей енергію часто міряють в кіловат-годинах. Один ват дорівнює 1 джоулю за секунду, або 1 джоуль дорівнює 1 ват-секунде- кіловат становить 1 кілоджоуль в секунду, таким чином кілоджоуль дорівнює 1 кіловат-секунді. Так як в годині 3.600 секунд, 1 кіловат-годину дорівнює 3.600 кіловат-секундам, 3.600 кілоджоулів, або 3.600.000 Джоуль.

Метод 4 з 4: Обчислення кількості теплоти в джоулях

1
Знайдіть масу нагрівається об`єкта. Для цього використовуйте гирьові або пружинні ваги. Якщо об`єкт являє собою рідину, перш зважте порожню ємність. Потім визначте вагу ємності, заповненої вашої рідиною, і, вичьтя з нього вага порожній ємності, ви визначите масу рідини. Нехай, наприклад, об`єкт - це 500 грам (1,1 фунт) води.

2
Визначте питому теплоємність вашого об`єкта. Її значення ви можете знайти в довіднику з хімії в паперовому вигляді або в Інтернеті. Питома теплоємність води становить 4,19 джоулів на грам і на кожен градус Цельсія, на який вона нагрівається.
3
Визначте поточну температуру об`єкта. Якщо об`єкт є рідиною, ви можете скористатися звичайним термометром. Для деяких об`єктів може знадобитися термопарний термометр.
4
Нагрійте об`єкт.
5
Визначте нову температуру об`єкта.
6
Відніміть з температури нагрітого об`єкта його первісну температуру. В результаті ви отримаєте величину, на яку змінилася температура об`єкта. Припустимо, первісна температура води становила 15 градусів Цельсія (59 градусів за Фаренгейтом), і воду нагріли до 35 градусів Цельсія (95 градусів за Фаренгейтом) - тоді зміна температури дорівнює 20 градусам Цельсія (36 градусів за Фаренгейтом).
7
Помножте масу об`єкта на його питому теплоємність і на зміну його температури. У нашому випадку це буде 500 x 4.19 x 20, або 41.900 джоулів.
- Кількість теплоти в метричній системі зазвичай виражається в калоріях або кілокалоріях. Калорія визначається як кількість теплоти, необхідне для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія, а кілокалорія - теплота, що витрачається при нагріванні 1 кілограма води на 1 градус Цельсія. Для нашого прикладу нагрів 500 грам води на 20 градусів Цельсія потребують 10.000 калорій або 10 кілокалорій.

Поради

До джоулю прив`язана ще одна метрична одиниця для вимірювання роботи і енергії, звана ерг- 1 ерг дорівнює 1 діне сили, помноженої на відстань в 1 см. Один джоуль становить 10.000.000 ерг.

Попередження

Хоча терміни "джоуль" і "ньютон-метр" описують одну й ту ж величину, на практиці "джоуль" використовується для позначення енергії або роботи, вироблених силою безпосередньо, як у прикладі з підйомом по сходах. У випадках, коли сила прикладається до обертається об`єкту, воліють використання терміну "ньютон-метр".

Що вам знадобиться

Калькулятор
Секундомір або таймер (для всіх методів, крім обчислення кількості теплоти)
Гирьові або пружинні ваги (для всіх методів, крім обчислення електричної енергії)
Помічник (для розрахунку роботи і кінетичної енергії)
Сходи (для обчислення роботи)
Велосипед (для розрахунку кінетичної енергії)
Пагорб або гірка (для знаходження кінетичної енергії)
Резистор (для обчислення електричної енергії)
Дріт або тестова плата
Мультиметр (або роздільні омметр і амметр)
Затискачі або прищіпки
Твердий або рідкий об`єкт для нагріву (для визначення кількості теплоти)
Теплостійка ємність (наприклад, стакан Pyrex для рідин)
Джерело тепла (наприклад, газовий пальник Бунзена)
Термометр (рідинної або термопарний)
Довідник з хімії (для знаходження питомої теплоємності нагрівається об`єкта)