Calculați Joulele

Numit după fizicianul englez James Edward Joule, Joule (J) este una dintre pietrele de temelie din cadrul unităților metrice internaționale. Joule este folosit ca unitate de lucru, energie și căldură și este utilizat pe scară largă în aplicații științifice. Dacă doriți ca rezultatul dvs. să fie în Joule, asigurați-vă întotdeauna că utilizați standarde științifice. "Foot Pound" sau "Unitatea britanică de încălzire" sunt încă folosite în unele zone, dar nu au loc în temele fizice.

conținut

Metodă

Metoda 1calculați munca în joules
Metoda 2calculați energia cinetică în joule
Metoda 3calculați joulele ca energie electrică
Metoda 4calculați căldura în jouli

Sfaturi
Avertismente
Ce ai nevoie

metodă

Metoda 1
Calculați munca în Joules

Imaginea intitulată Calculați Joule Pasul 1

Înțelegeți definiția muncii. Lucrarea este definită ca aplicarea unei forțe constante pentru a deplasa un obiect la o anumită distanță. Dacă se aplică o singură forță, aceasta poate fi calculată ca "forță x distanța" și înscrisă în unitatea Joules (corespunzătoare unui "metru Newton"). Pentru primul nostru exemplu, luăm o persoană care ridică o greutate de pe podea în piept și calculează cât de mult lucrează această persoană pe greutate.

Forța trebuie aplicată în direcția mișcării. Păstrarea unui obiect și a alerga înainte nu necesită lucrul asupra obiectului deoarece nu împingeți obiectul în direcția mișcării acestuia.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 2

Găsiți masa obiectului în mișcare. Masa unui obiect este necesară pentru a calcula forța necesară pentru mutarea acestuia. Să presupunem că, în exemplul nostru, greutatea are o masă de 10 kilograme (kg).

Evitați utilizarea kilogramelor sau a altor unități nestandardizate, în caz contrar scorul dvs. nu va fi în Joule.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 3

Calculați forța. Forța = masa x accelerația. În exemplul nostru, ridicarea directă a unei greutăți, luptăm cu accelerația datorată gravitației, care, în condiții normale, mărește obiectul cu 9,8 metri / secundă² sa mutat în jos. Calculați forța necesară pentru a vă deplasa greutatea (10 kg) cu (9,8 m / s²) Multiply. Rezultatul este de 98 kg m / s² = 98 Newtoni (N).

Atunci când obiectul este mutat orizontal, gravitatea nu este relevantă. Sarcina ar putea fi să calculați forța necesară pentru a depăși fricțiunea. Dacă sarcina specifică cât de repede obiectul accelerează atunci când este împins, atunci puteți înmulți accelerația specificată cu masa.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 4

Pierdeți distanța. În acest exemplu, să presupunem că greutatea este ridicată de 1,5 metri (m). Distanța trebuie măsurată în metri, altfel rezultatul nu va fi scris în Joule.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 5

Multiplicați puterea cu distanța. Pentru a ridica o greutate de 98 Newton cu 1,5 metri, trebuie să faci o lucrare de 98 x 1,5 = 147 jouli.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 6

Calculați lucrarea pentru obiectele care se mișcă într-un unghi. Exemplul nostru de mai sus a fost simplu: cineva a exercitat o forță asupra obiectului și obiectul sa mutat în sus. Uneori direcția forței și mișcarea obiectului nu sunt exact aceleași, deoarece mai multe forțe acționează asupra obiectului. În următorul exemplu, vom calcula numărul de jouli pe care un copil trebuie să-l tragă pe o sanie de 25 m peste zăpada mică, trăgând o funie care este înclinată în sus la un unghi de 30 de grade. În acest scenariu, forța = forța x cosinus (θ) x distanța. Simbolul θ este litera greacă "theta", care descrie unghiul dintre direcția forței și direcția mișcării.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 7

Găsiți puterea totală exercitată. Să presupunem pentru această sarcină că copilul trage cu frânghie o forță de 10 newtoni.

Dacă sarcina vă oferă "forța corectă", "forța ascendentă" sau "forța în direcția mișcării", forța x cos (θ) a sarcinii a fost deja calculată și puteți trece la înmulțirea valorilor.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 8

Calculați forța relevantă. Numai o parte din forță trage sania înainte. Deoarece coarda este la un unghi în sus, restul forței încearcă să tragă glisorul în sus și să tragă în mod inutil împotriva gravitației. Calculați forța exercitată în direcția mișcării:

În exemplul nostru, unghiul θ între zăpada plat și coarda este de 30 °.
Calculați cos (θ). Cos (30 °) = (√3) / 2 = aproximativ 0,866. Puteți utiliza un calculator pentru a obține acea valoare, dar asigurați-vă că calculatorul dvs. este setat la aceeași unitate ca unghiul (grade sau radiani).
Înmulțiți forța totală cu cos (θ). În exemplul nostru, forța 10N x 0,866 = 8,66 N în direcția mișcării.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 9

Multiplicați puterea cu distanța. Acum, că știm ce forță se mișcă de fapt în direcția mișcării, putem calcula munca ca de obicei. Sarcina noastră ne-a spus că glisorul sa deplasat cu 20 m în față, deci calculați 8.66 N x 20 m = 173.2 jouli.

Metoda 2
Calculați energia cinetică în Joule

Imaginea intitulată Calculați Joule Pasul 10

Înțelegeți energia cinetică. Energia cinetică este cantitatea de energie sub formă de mișcare. Ca toate unitățile de energie, aceasta poate fi exprimată în unități de jouli.

Energia motorului este egală cu cantitatea de muncă petrecută pentru a accelera un obiect staționar la o anumită viteză. Odată ce această viteză este atinsă, acest element păstrează această cantitate de energie cinetică până când energia se transformă în căldură (prin frecare), energie potențială gravitațională (prin mișcarea gravitațională) sau alte tipuri de energie.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 11

Aflați masa obiectului. Putem de ex. măsura energia cinetică a unei biciclete și a unui ciclist. Să presupunem că ciclistul are o masă de 50 kg, iar bicicleta are o masă de 20 kg, ceea ce dă masa totală m de 70 kg. Acum putem trata atât ca obiect de 70 kg, cât și călătoria împreună la aceeași viteză.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 12

Calculați viteza. Dacă știți deja viteza ciclistului, scrieți-o și continuați. Dacă aveți nevoie să-l calculați singur, utilizați una dintre metodele de mai jos. Rețineți că avem nevoie de viteza (nu de viteza într-o anumită direcție), deși adesea acronimul v este folosit. Ignorați toate schimbările de direcție ale ciclistului și presupuneți că distanța parcursă este pe o linie dreaptă.

Dacă biciclistul sa mișcat (nu accelerează) într-un raport constant, măsurați distanța parcursă de ciclist în metri și împărțiți-o cu numărul de secunde necesare pentru a acoperi acea distanță. Acest lucru vă va oferi viteza medie, care în acest scenariu este aceeași la un moment dat.
Dacă ciclistul accelerează cu o accelerație constantă și nu schimbă direcția, calculați viteza la acel moment T cu formula "Viteza la momentul t = (accelerația) (T) + Viteza inițială. Pierde timpul în secunde, viteza în metri / secundă și accelerația în m / s².

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 13

Introduceți aceste numere în următoarea formulă. Energia cinetică = (1/2) mv². Dacă ciclistul, de ex. la 15 m / s, are o energie cinetică K de 70 kg (15 m / s)² = (1/2) (70 kg) (15 m / s) (15 m / s) = 7,875 kgm²/ s² = 7.875 Newton metri = 7.875 jouli.

Formula pentru energia cinetică poate fi derivată din definiția lucrării: W = FΔs și ecuația cinetică v² = v₀² + 2aΔs. Δs se referă la "schimbarea poziției" sau la distanța parcursă.

Metoda 3
Calculați joulele ca energie electrică

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 14

Calculați energia folosită ca forță x timp. Puterea este definită ca energie pe secundă, astfel încât să o putem transforma în energie prin înmulțirea forței cu timpul. Acest lucru este util mai ales dacă măsuram puterea în wați, de la 1 watt = 1 joule / secundă. Pentru a afla cât de multă energie consumă un bec de 60W în 120 de secunde, se înmulțește (60 wați) cu (120 secunde) = 7200 jouli.

Această formulă funcționează pentru orice formă de putere în wați, dar electricitatea este cea mai comună aplicație.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 15

Utilizați pașii de mai jos pentru a calcula fluxul de energie într-un circuit electric. Pașii de mai jos sunt scrise ca un exemplu practic, dar puteți utiliza această metodă pentru a înțelege sarcinile fizice scrise. Mai întâi calculam puterea P cu formula P = I² x R, unde I este curentul în amperi (A) și R este rezistența în ohmi. Aceste unități ne dau puterea în wați, de aici putem folosi formula din pasul anterior pentru a calcula energia în jouli.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 16

Alegeți o rezistență electrică. Rezistențele electrice sunt măsurate în ohmi, valoarea fiind fie direct pe acestea, fie indicată printr-o serie de benzi colorate. De asemenea, puteți testa rezistența unei rezistențe electrice conectându-l la un ohmmetru sau la un multimetru. În acest exemplu, presupunem că rezistența electrică are o valoare de 10 ohmi.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 17

Conectați rezistorul la o sursă de alimentare. Utilizați fie clipsuri pentru clișeu sau crocodil pentru a atașa cablurile la rezistor sau conectați rezistența într-o placă de testare.

Imaginea intitulată Calculați Joule Pasul 18

Rulați puterea prin circuit pentru o anumită perioadă de timp. În acest exemplu luăm o perioadă de 10 secunde.

Pierde puterea fluxului. Faceți acest lucru cu un ampermetru sau un multimetru. Energia electrică în majoritatea gospodăriilor este în milliampi sau în mii de amperi, deci presupunem că energia electrică este de 100 milliampuri sau de 0,1 ampere.

Întoarceți formula P = I² x R on. Pentru a afla puterea, înmulțiți pătratul curentului cu rezistența. Acest lucru oferă puterea de ieșire în wați. Pătratul de 0,1 dă 0,01, înmulțit cu 10, aceasta dă o putere de ieșire de 0,1 wați sau 100 milliwați.

Imaginea intitulată Calculate Joules Pasul 21

Înmulțiți puterea cu timpul scurs. Aceasta oferă puterea de ieșire în jouli. 0,1 wați x 10 secunde reprezintă 1 joulu de energie electrică.

Deoarece joulele sunt unități mici și deoarece puterea este de obicei exprimată în wați, milliwați și kilowați pe dispozitive, puterea este de obicei măsurată în kilowați / oră. 1 watt corespunde la 1 joule / secundă și 1 joule corespunde la 1 watt / secundă - 1 kilowatt este egal cu 1 kilojouli / secundă și 1 kilojoule este egal cu 1 kilowatt / secundă. Deoarece o oră conține 3600 secunde, 1 kilowatt-oră este de 3.600 kilowați-secunde, 3.600 kilojouli sau 3.600.000 jouli.

Metoda 4
Calculați căldura în jouli

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 22

Găsiți masa obiectului încălzit. Utilizați o balanță sau o scară de primăvară pentru aceasta. Dacă obiectul este un lichid, cântăriți mai întâi recipientul gol în care vine lichidul și găsiți masa. Trebuie mai întâi să le îndepărtați din cea mai mare parte a recipientului cu lichid pentru a afla cea mai mare parte a lichidului. În acest exemplu, presupunem că obiectul este 500 de grame de apă.

Utilizați grame, nici o altă unitate, altfel rezultatul nu este în Joule.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 23

Găsiți capacitatea respectivă de căldură a obiectului. Puteți găsi aceste informații într-o referință chimică, fie într-o carte, fie pe Internet. Pentru apă, capacitatea specifică de căldură c 4.19 jouli pe gram pentru fiecare grad Celsius este încălzit - sau 4.1855 dacă trebuie să fii foarte precis.

Capacitatea specifică de căldură deviază de fapt într-o oarecare măsură în funcție de temperatură și presiune. Diferitele organizații și manuale utilizează diferite "temperaturi implicite", astfel încât să puteți vedea capacitatea specifică de căldură a apei ca 4.179.
Puteți utiliza Kelvin în loc de Celsius, deoarece diferența de temperatură este aceeași în ambele unități (încălzirea a ceva în jurul valorii de 3 ° C este aceeași cu încălzirea cu 3 Kelvin). Nu utilizați Fahrenheit, altfel rezultatul dvs. nu va fi în Joule.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 24

Aflați temperatura curentă a obiectului. Dacă obiectul este un lichid, puteți lua un termometru sferic. Pentru unele obiecte este posibil să aveți nevoie de un termometru cu senzor.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 25

Încălziți obiectul și măsurați din nou temperatura. Acest lucru vă va permite să măsurați cantitatea de căldură adăugată la obiect în timpul încălzirii.

Dacă doriți să măsurați toată energia stocată sub formă de căldură, puteți presupune că temperatura inițială a fost zero zero: 0 Kelvin sau -273,15 ° C.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 26

Extrageți temperatura inițială de la temperatura încălzită. Aceasta oferă gradul de schimbare a temperaturii obiectului. Presupunând că apa a fost inițial de 15 grade Celsius și a fost încălzită la 35 de grade Celsius, schimbarea temperaturii ar fi de 20 de grade Celsius.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 27

Înmulțiți masa obiectului prin capacitatea sa specifică de căldură și diferența de temperatură. Această formulă este H = mcΔT, unde ΔT reprezintă "schimbarea temperaturii". În acest exemplu, aceasta ar fi de 500g x 4,19 x 20 sau 41900 jouli.

Încălzirea în sistemul metric este mai frecvent denumită fie calorii, fie kilocalorii. Caloria este definită ca fiind cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura de 1 gram de apă cu 1 grad Celsius, in timp ce un kilocalorii (= 1000 calorii) este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura Pentru a încălzi 1 kg de apă cu 1 grade Celsius. În exemplul de mai sus, încălzirea a 500 de grame de apă cu 20 de grade Celsius ar consuma 10.000 de calorii sau 10 kilocalorii.

Sfaturi

În ceea ce privește jouliile, există o altă unitate metrică și energia numită Erg-1 erg este egală cu 1 forță dyn la o distanță de 1 cm. 1 joule este egal cu 10.000.000 ergs.

avertismente

Deși termenii "Joule" și "Newtonmeter" descriu aceeași unitate, "Joule" este folosit în practică atunci când reprezintă o formă de energie și lucrează într-o linie directă, ca în exemplul de mai sus. "Metru Newton" este preferat atunci când se măsoară un cuplu, aplicarea forței atunci când se rotește un obiect.