Cum se calculează joulele

Chemat astfel în numele fizicianului englez James Edward Joule, joula (J) este una dintre unitățile unghiulare ale sistemului metric internațional. Joule este folosit ca unitate de lucru, energie și căldură și este utilizat pe scară largă în aplicații științifice. Dacă doriți să dați un răspuns în jouli, asigurați-vă întotdeauna că utilizați unitățile științifice standard. "Piciorul-lire" sau "unitatea termică britanică" este încă folosit în unele domenii, dar nu are niciun loc în sarcina fizică.

conținut

Pași
Metoda 1calculați munca în jouli
Metoda 2calculați joulele din wați
Metoda 3calculați energia cinetică în jouli
Metoda 4calculați căldura în jouli
Metoda 5calculați joulele ca energie electrică
Sfaturi
Avertismente
Lucruri de care ai nevoie

pași

Metoda 1
Calculați munca în jouli

Imaginea intitulată Calculați Joule Pasul 1

Înțelege definiția muncii în fizică. Dacă împingeți o cutie pentru o cameră, ați făcut multe lucruri. Dacă o ridici, ai făcut multe lucruri. Există două calități importante care trebuie să existe pentru ca "munca" să aibă loc.

Aplicați o forță constantă.
Forța determină obiectul să se deplaseze în direcția sa.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 2

Definiți lucrarea Este ușor să calculați lucrarea. Pur și simplu înmulțiți cantitatea de forță folosită cu cantitatea de distanță parcursă. În general, oamenii de știință măsoară forța în newtoni și distanța în metri. Dacă utilizați aceste unități, veți obține slujba în jouli.

De fiecare dată când citiți o problemă legată de muncă, gândiți-vă unde se aplică forța. Dacă ridicați o cutie, înseamnă că împingeți în sus, cauzând creșterea obiectului (deci distanța este înălțimea la care se ridică cutia). Cu toate acestea, dacă mergeți înainte de a ține cutia, nu se produce nici o lucrare. Dacă continuați să împingeți caseta în sus pentru a împiedica căderea ei, aceasta nu crește înălțimea.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 3

Găsiți masa obiectului care se mișcă. Este necesar să se calculeze masa unui obiect pentru a se calcula forța necesară pentru mutarea acestuia. În exemplul nostru, vom folosi o persoană care ridică o greutate de la podea în piept și vom calcula cantitatea de muncă pe care o exercită în această greutate. Să presupunem că greutatea are o masă de 10 kilograme (kg).

Evitați utilizarea kilogramelor sau a altor unități non-standard, sau răspunsul dvs. final nu va fi în termeni de jouli.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 4

Calculați forța. Forța = masa x accelerația. În exemplul nostru, atunci când ridicăm o greutate direct în sus, accelerația cu care ne confruntăm se datorează gravitației, care este echivalentă cu 9,8 metri / secundă. Calculați forța necesară pentru a deplasa greutatea în sus prin înmulțirea (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 newtoni (N).

Dacă obiectul se deplasează orizontal, gravitatea este irelevantă. Problema vă poate cere să calculați forța necesară pentru a depăși fricțiunea. Dacă problema vă arată cât de repede obiectul accelerează când este împins, puteți multiplica accelerația dată cu masa.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 5

Măsurați distanța parcursă. Pentru acest exemplu, să presupunem că greutatea crește cu 1,5 metri (m). Distanța trebuie măsurată în metri sau răspunsul dvs. final nu va fi scris în jouli.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 6

Multiplicați forța pe distanță. Pentru a ridica o greutate de 98 newtoni de 1,5 metri în sus, trebuie să exersați 98 x 1,5 = 147 jouli de lucru.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 7

Calculați lucrarea pentru obiectele care se mișcă într-un unghi. Exemplul nostru anterior a fost simplu: cineva care a exercitat o forță îndreptată în sus asupra obiectului și a mutat în această direcție. Uneori direcția forței și mișcarea obiectului nu sunt exact la fel, din cauza mai multor forțe care acționează asupra obiectului. În exemplul următor, vom calcula cantitatea necesară de jouli pentru un copil de a conduce o sanie de 25 de metri printr-o zăpadă trăgând orientat la un unghi de 30 ° frânghie. Pentru această distanță x scenariu, muncă = forța x cos (θ). Simbolul θ este litera grecească „theta“ și descrie unghiul dintre direcția de forță și mișcare.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 8

Găsiți forța totală aplicată. Pentru această problemă, să presupunem că copilul trage coarda exercitând o forță de 10 newtoni.

Dacă problema pe care o dă „dreptul de greu“, „putere în sus“ sau „forță în direcția mișcării“, a fost deja calculată o parte a problemei „forță x cos (θ)“ și puteți trece la a se multiplica valori.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 9

Calculați forța relevantă. Numai o parte din forță trage sania înainte. Deoarece funia este în unghi ascendent, restul forței încearcă să tragă sania în sus, tragând inutil împotriva gravitației. Calculați forța aplicată în direcția de deplasare:

În exemplul nostru, unghiul θ între zăpadă și frânghie este de 30 °.

Calculați cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = aproximativ 0,866. Puteți utiliza un calculator pentru a găsi această valoare, dar asigurați-vă că calculatorul dvs. este setat la aceeași unitate ca și măsurarea unghiului (grade sau radiani).

Înmulți forța totală x cos (θ). În exemplul nostru, 10 N x 0,866 = 8,66 N forță în direcția mișcării.

Imaginea intitulată Calculați Joule Pasul 10

Multiplicați forța x distanța. Acum, că stim cantitatea de forță care merge spre direcția mișcării, putem calcula munca ca de obicei. Problema noastră ne spune că sania sa deplasat cu 20 de metri înainte, deci am calculat 8.66 N x 20 m = 173.2 jouli de lucru.

Metoda 2
Calculați joulele din wați

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 11

Aflați despre putere și energie. Wattele sunt o măsură a puterii sau cât de repede este folosită energia (energia în timp). Joule-ul este o măsură a energiei. Dacă doriți să convertiți de la wați la jouli, va trebui să specificați un interval de timp. Cu cât este mai mare curentul, cu atât va fi folosită mai multă energie.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 12

Înmulțiți pe minut pentru a găsi jouli. Un dispozitiv de 1 watt consumă un joulu de energie pe secundă. Dacă înmulțiți numărul de wați cu numărul de secunde, veți obține jouli. Pentru a determina cantitatea de energie consumată de un bec de 60 wați în 120 de secunde, se înmulțește simplu (60 wați) x (120 secunde) = 7200 jouli.

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

Metoda 3
Calculați energia cinetică în jouli

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 13

Înțelegeți forța cinetică. Energia cinetică este cantitatea de energie sub formă de mișcare. Ca și în cazul oricărei unități de energie, aceasta poate fi exprimată în unități de jouli.

Energia cinetică este echivalentă cu cantitatea de muncă efectuată pentru a accelera un obiect static la o anumită viteză. După ce ajunge la această viteză, obiectul va retine cantitatea de energie cinetică până când o astfel de energie este transformată în căldură (din cauza frecării), energia potențială gravitațională (datorită mișcării împotriva gravitației) sau a altor tipuri de energie.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 14

Găsiți masa obiectului. De exemplu, putem măsura energia cinetică a unei biciclete și a unui ciclist. Să presupunem că ciclistul are o masă de 50 kg și bicicleta de 20 kg, pentru a obține o masă totală m de 70 kg. Acum le putem trata ca un singur obiect de 70 kg, deoarece se mișcă împreună la aceeași viteză.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 15

Calculați viteza. Dacă știți deja viteza ciclismului, trebuie doar să o scrieți și să continuați. Dacă trebuie să o calculați pe cont propriu, utilizați una dintre aceste metode mai jos. Rețineți că ne vom concentra pe viteză, nu pe viteză (care este viteza într-o anumită direcție), chiar dacă abrevierea este adesea folosită v. Ignorați rândul pe care ciclistul îl face și pretindeți că toată distanța parcursă este o linie dreaptă.

Dacă biciclistul se mișcă într-un ritm constant (fără a accelera), măsurați distanța parcursă de ciclist în metri și împărțiți-o cu numărul de secunde necesare pentru a muta acea distanță. Acest lucru vă va oferi viteza medie, care în acest scenariu este aceeași cu viteza la un moment dat.

Dacă biciclistul accelerează în mod constant și nu schimbă direcția, își calculează viteza în timp t cu formula "viteza în timp" t = (accelerație) (t) + viteza inițială. Utilizați secunde pentru a măsura timpul, metri / secundă pentru a măsura viteza și m / s pentru a măsura accelerația.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 16

Introduceți aceste numere în următoarea formulă. Energia cinetică = (1/2)m `v. De exemplu, în cazul în care ciclistul se deplasează la 15 m / s, K sale cu energie cinetică = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) (15 m / s) ( metri 15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newton = 7875 jouli.

Formula de energie cinetică poate fi derivată din definiția de lucru, W = FΔs și ecuația cinetică v = v₀ + 2aΔs. Δs se referă la "schimbarea poziției" sau la valoarea distanței parcurse.

Metoda 4
Calculați căldura în jouli

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 17

Găsiți masa obiectului pe care îl veți încălzi. Pentru aceasta, utilizați o balanță sau o scară de primăvară. Dacă obiectul este un lichid, cântăriți mai întâi recipientul gol în care veți plasa lichidul și veți găsi masa. Trebuie să-l scăpați din masa recipientului și din lichid pentru a găsi masa acestuia din urmă. Pentru acest exemplu, vom presupune că obiectul reprezintă 500 de grame de apă.

Utilizați grame, nici o altă unitate, sau rezultatul nu va fi în jouli.

Imaginea intitulată Calculați Joule Pasul 18

Găsiți capacitatea specifică de căldură pentru acest obiect. Puteți găsi aceste informații într-o referință chimică, fie în cărți, fie pe internet. Pentru apă, capacitatea și căldura specifică c este de 4,19 jouli pe gram pentru fiecare grad de căldură Celsius sau 4,1855, dacă trebuie să fii foarte precis.

Capacitatea specifică de căldură variază ușor în funcție de temperatură și presiune. Diferitele organizații și manuale utilizează diferite "temperaturi standard", astfel încât să puteți vedea capacitatea specifică de căldură a apei afișată ca 4.179.

Puteți folosi gradele Kelvin în loc de Celsius, deoarece o diferență de temperatură este aceeași în ambele unități (încălzirea la 3 ° C este aceeași cu încălzirea la 3 grade Kelvin). NU folosiți grade Fahrenheit sau rezultatul nu va fi în jouli.

Găsiți temperatura curentă a obiectului. Dacă obiectul este un lichid, puteți folosi un termometru cu becuri. Pentru unele obiecte, este posibil să aveți nevoie de un termometru cu sonda.

Încălziți obiectul și măsurați din nou temperatura. Acest lucru vă va permite să măsurați cantitatea de căldură pe care o veți adăuga obiectului în timpul încălzirii.

Dacă doriți să măsurați cantitatea totală de energie stocată sub formă de căldură, puteți simula că temperatura inițială a fost zero absolută: 0 grade Kelvin sau -273,15 ° C. De obicei, acest lucru nu este util.

Imaginea intitulată Calculate Joules Pasul 21

Se scade temperatura inițială a temperaturii încălzite. Aceasta va produce schimbarea gradelor de temperatură în obiect. Presupunând că apa a fost în general de aproximativ 15 grade Celsius și încălzită la aproximativ 35 ° C, schimbarea temperaturii ar fi de 20 ° C.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 22

Înmulțiți masa obiectului cu capacitatea sa specifică de căldură și cu cantitatea de schimbare a temperaturii. Această formulă este scrisă ca H = mcΔT, unde ΔT înseamnă "schimbarea temperaturii". Pentru acest exemplu, acesta ar fi 500 g x 4,19 x 20 sau 41 900 jouli.

În sistemul metric, căldura este exprimată mai frecvent în termeni de calorii sau kilocalorii. Caloria este definită ca fiind cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura de 1 gram de apă cu 1 ° C, în timp ce o kilocalorie (sau cal) este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura de 1 kg de apă cu 1 ° C. In exemplul de mai sus, 500 g de ridicare de apă la 20 ° C petrece 10.000 de calorii sau kilocalorii 10.

Metoda 5
Calculați joulele ca energie electrică

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 23

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 folosi și metoda pentru a înțelege problemele fizice scrise. În primul rând, vom calcula puterea P folosind formula P = I x R, unde I este curentul în amperi și R este rezistența în ohmi. Aceste unități ne dau puterea în wați, deci de acolo putem folosi formula din pasul anterior pentru a calcula energia în jouli.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 24

Alegeți un rezistor. Rezistoarele sunt clasificate în ohmi, clasificarea fiind etichetată direct sau indicată printr-o serie de benzi colorate. De asemenea, puteți testa rezistența rezistorului conectându-l la un ohmmetru sau multimetru. Pentru acest exemplu, vom presupune că rezistorul are o putere de 10 ohmi.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 25

Conectați rezistorul la sursa de alimentare. Conectați cablurile la rezistor cu cleme Fahnestock sau cleme de crocodil sau conectați rezistența la o placă de test.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 26

Curentul trece prin circuit pentru o perioadă de timp stabilită. Pentru acest exemplu, o vom face pentru o perioadă de 10 secunde.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 27

Măsurați puterea curentului. Fă-o cu un ampermetru sau un multimetru. O mare parte din curentul intern este în milliampe sau în mii de amperi, deci vom presupune că curentul este de 100 milliampuri sau de 0,1 ampere.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 28

Utilizați formula P = I x R. Pentru a găsi puterea, înmulțiți pătratul curentului cu rezistența. Aceasta generează puterea de ieșire în wați. Creșterea cu 0,1 pătrat dă 0,01 și înmulțită cu 10 dă un consum de energie de 0,1 watt sau 100 milliwatts.

Imaginea intitulată Calculate Joules Step 29

Multiplicați puterea cu cantitatea de timp care a trecut. Acest lucru duce la consumul de energie în jouli. 0,1 wați x 10 secunde reprezintă 1 joulu de energie electrică.

Ca jouli sunt unități mici și pentru că dispozitivele folosesc în mod obișnuit wați, și milliwatts kilowatt pentru a indica cantitatea de energie pe care o folosesc, în mod normal, companiile care măsoară consumul de energie în kilowați-oră. Un watt este egal cu 1 joule pe secundă sau 1 joule este egal cu 1 watt-secundă. Un kilowatt este egal cu 1 kilojoule pe secundă și 1 kilojoule este egal cu 1 kilowatt-secundă. Deoarece există 3600 de secunde într-o oră, un kilowatt-oră este egal cu 3600 kilowați-secunde, 3600 kilojoule sau 3.600.000 jouli.

sfaturi

În ceea ce privește joula, ergiumul este o altă unitate a sistemului metric care indică locul de muncă și energia. 1 erg este egal cu 1 forță dina pentru o distanță de 1 cm. 1 joule este egal cu 10 000 000 ergs.

avertismente

În timp ce termenii „Joule“ și „metru Newton“ descrie aceeași unitate, în practică „se Joule“ este utilizat atunci când reprezintă orice formă de energie și de lucru dezvoltat în linie dreaptă, la fel ca în exemplul anterior, în care el rulează un zbor de scări. Atunci când se utilizează pentru a măsura un cuplu, aplicarea forței în rotația unui obiect, este de preferat să se utilizeze termenul "metru Newton".

Lucruri de care ai nevoie

Energie cinetică sau de lucru:

cronometru sau cronometru
scară sau scară
calculator cu funcția cosinus (doar pentru a calcula lucrarea, deși nu este întotdeauna necesar)

Calculați energia electrică:

rezistor
cabluri sau placă de testare
multimetru (sau un ohmmetru separat și ampermetru)
Clipuri pentru clipsuri sau clipuri de crocodil

căldură:

un obiect de încălzire
o sursă de căldură (ca un arzător bunsen)
termometru (fie un bec, fie o sondă)
carte de referință în chimie (pentru a găsi capacitatea specifică de căldură a obiectului de încălzit)

Distribuiți pe rețelele sociale:

înrudit