3.12: Расчеты энергии и теплоемкости

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

47467

Цели обучения

• Связать теплопередачу с изменением температуры.

Тепло — знакомое нам проявление передачи энергии. Когда мы прикасаемся к горячему предмету, энергия течет от горячего предмета к нашим пальцам, и мы воспринимаем эту поступающую энергию как «горячий» предмет. И наоборот, когда мы держим кубик льда в ладонях, энергия течет из нашей руки в кубик льда, и мы воспринимаем эту потерю энергии как «холод». В обоих случаях температура объекта отличается от температуры нашей руки, поэтому можно сделать вывод, что разность температур является конечной причиной теплопередачи.

Удельная теплоемкость вещества может быть использована для расчета изменения температуры данного вещества при нагревании или охлаждении. Уравнение, связывающее теплоту \(\left( q \right)\) с удельной теплоемкостью \(\left( c_p \right)\), массой \(\left( m \right)\) и изменением температуры \(\ слева( \Delta T \right)\) показано ниже.

\[q = c_p \times m \times \Delta T \nonumber \]

Тепло, которое либо поглощается, либо выделяется, измеряется в джоулях. Масса измеряется в граммах. Изменение температуры определяется выражением \(\Delta T = T_f – T_i\), где \(T_f\) – конечная температура, а \(T_i\) – начальная температура.

Каждое вещество имеет характеристическую удельную теплоемкость, которая выражается в единицах кал/г•°C или кал/г•K, в зависимости от единиц, используемых для выражения Δ T . Удельной теплоемкостью вещества называется количество энергии, которое необходимо передать 1 г этого вещества или от него, чтобы изменить его температуру на 1°.

\text{o} \text{C} \right)\)”> 0,233

направление теплового потока не показано в тепле = mc Δ T . Если энергия уходит в объект, то полная энергия объекта увеличивается, а значения теплоты Δ T положительны. Если энергия исходит от объекта, полная энергия объекта уменьшается, а значения теплоты и Δ T отрицательны.

Пример \(\PageIndex{1}\) 9\text{o} \text{C} \nonumber \]

Пример \(\PageIndex{2}\)

Какое количество теплоты передается при нагревании бруска металлического железа массой 150,0 г с 25,0°C до 73,3°C? Каково направление теплового потока?

Решение

Мы можем использовать теплоту = mc Δ T для определения количества теплоты, но сначала нам нужно определить Δ T . Поскольку конечная температура железа составляет 73,3°С, а начальная температура составляет 25,0°С, Δ T будет следующим: 9\circ C) = 782\: кал} \nonumber \]

Обратите внимание, что грамм и °C сокращаются алгебраически, остается только единица калорий, которая является единицей тепла. Поскольку температура железа увеличивается, энергия (в виде тепла) должна течь в металл.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Какое количество теплоты передается при охлаждении бруска металлического алюминия массой 295,5 г со 128,0°C до 22,5°C? Каково направление теплового потока?

Ответ

Тепло покидает алюминиевый блок.

Пример \(\PageIndex{2}\)

Образец красновато-коричневого металла массой 10,3 г выделил 71,7 кал тепла при снижении его температуры с 97,5°C до 22,0°C. Чему равна удельная теплоемкость металла? Можете ли вы определить металл по данным в таблице \(\PageIndex{1}\)?

Решение

Вопрос дает нам теплоту, конечную и начальную температуры и массу образца. Значение Δ T выглядит следующим образом:

Δ T = T _{конечная} − T _{начальная} = 22,0°C − 97,5°C = −75,5°C

(как тепло), поэтому значение тепла записывается в виде отрицательного числа, -71,7 кал. \circ C)}}\)

c = 0,0923 кал/г•°C

Это значение удельной теплоемкости очень близко к значению, указанному для меди в таблице 7.3.

Упражнение \(\PageIndex{2}\)

Кристалл хлорида натрия (NaCl) массой 10,7 г имеет начальную температуру 37,0°C. Какова конечная температура кристалла, если к нему подведено 147 кал теплоты?

Ответить

 

Проиллюстрированы расчеты удельной теплоемкости.

---

ПОД ЛИЦЕНЗИЕЙ

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   СК-12

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. автор@Генри Эгнью
   2. автор@Мариса Альвиар-Агнью
   3. Расчет теплоемкости
   4. источник@https://www.ck12.org/c/chemistry/

Расчет потерь мощности с использованием формулы Джоуля | Блог Advanced PCB Design

Ключевые выводы

• Джоулев нагрев — это физический эффект, который увеличивает внутреннюю энергию и столкновение электронов в цепи с током, что приводит к генерированию тепловой энергии.

• Формула Джоуля для нагрева определяется как Q=I2Rt.

• Согласно формуле Джоуля для нагрева, вырабатываемая тепловая энергия пропорциональна времени, в течение которого электрический ток и электрическое сопротивление остаются постоянными.

 

Потери мощности из-за нагрева – основной недостаток, препятствующий использованию ламп накаливания

Мы находимся в процессе перехода к более эффективному освещению, и можно с уверенностью сказать, что наступила эра светодиодных систем освещения. В рамках этого перехода от ламп накаливания отказываются. Потери мощности из-за нагрева являются основным недостатком ламп накаливания, снижающим их КПД. Сопротивление, оказываемое нитью накала потоку электрического тока, производит тепловую энергию, которую можно рассчитать, используя формулу нагревания Джоуля. Именно тепловые потери или явление джоулевого нагрева ограничивают применение ламп накаливания при попытке сэкономить электроэнергию. В этой статье рассматривается Джоулев нагрев в электрических цепях и способы расчета энергии, теряемой в виде тепла.

Джоуль Нагрев

Мы уже знаем, что поток электронов в замкнутой цепи представляет собой электрический ток. Когда ток протекает через цепь или проводящий материал, сопротивление, связанное с цепью или материалом, вызывает столкновение электронов. Электроны, сталкиваясь друг с другом, рассеивают энергию в виде тепла и генерируют потери мощности. Часть входной электрической мощности теряется в виде тепловой энергии. Выходная мощность всегда будет меньше входной мощности при наличии тепловых потерь. Эффективность контура снижена до менее 100% из-за тепловых потерь.

В целом джоулев нагрев можно описать как физический эффект, который увеличивает внутреннюю энергию и столкновение электронов в цепи с током, что приводит к генерированию тепловой энергии. В процессе джоулевого нагрева, в зависимости от условий цепи, некоторая часть электрической энергии превращается в тепло при протекании электрического тока по цепи конечной проводимости. Джоулев нагрев также известен как омический нагрев или резистивный нагрев. Сопротивление является важным свойством, определяющим ток, протекающий по цепи.

Скорость, с которой сопротивление преобразует электрическую энергию в тепловую, можно рассчитать, используя формулу нагревания Джоуля.

Формула нагрева Джоуля

Формула нагрева Джоуля — это математическое уравнение, определяющее скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в тепловую благодаря сопротивлению цепи. Закон назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля, который обнаружил, что количество тепловой энергии, выделяемой в секунду в проводнике или цепи с током, пропорционально квадрату цепи и электрическому сопротивлению цепи.

Формула Джоуля для нагрева определяется по формуле:

Q = I ² Rt

Q – количество выделяемого тепла, выраженное в джоулях.

I — электрический ток в амперах.

R — сопротивление цепи протеканию электрического тока в Омах.

t — время, в течение которого ток может течь в цепи, выраженное в секундах.

Рассмотрим пример джоулева нагревания, когда ток 5 А протекает по электрическому проводу сопротивлением 20 Ом в течение 10 с. Тепловая энергия, вырабатываемая в джоулях, может быть рассчитана по формуле нагревания Джоуля:

Q = 5 ² x 20 x 10 = 5 кДж

Когда полезен Джоулев нагрев?

Джоулев нагрев не всегда вреден, но может привести к потерям в электрической системе. Существуют определенные приложения, в которых полезно преднамеренное создание потерь тепла. Большинство бытовых приборов преобразуют электрическую энергию в тепловую. Некоторыми примерами, в которых используется джоулев нагрев, являются электрический нагреватель, гейзер и лампы накаливания.

Увидеть лампы накаливания в качестве применения может быть неожиданно, так как во вступительном разделе мы обсуждали потери мощности из-за нагрева в этих лампах. Однако именно из-за явления джоулевого нагрева лампы накаливания излучают не только тепловую энергию, но и свет. Вольфрамовый материал обычно имеет высокую температуру плавления и используется в качестве нити накала в лампах накаливания. Тонкая нить с высоким сопротивлением, заключенная в стеклянную оболочку, заполненную азотом и аргоном, производит большое количество тепловой энергии. Огромная теплота, выделяемая из-за протекания электрического тока в нити накала, делает ее раскаленной добела. Нить накала излучает свет и тепло одновременно, первое полезно, а второе создает проблемы из-за эффекта нагрева Джоуля.

Согласно формуле нагревания Джоуля, вырабатываемая тепловая энергия пропорциональна времени, в течение которого электрический ток и электрическое сопротивление остаются постоянными. Когда любая комбинация двух из трех параметров в формуле нагрева Джоуля (ток, сопротивление и время) постоянна, выделяемое тепло пропорционально третьему параметру, который изменяется. С помощью программного обеспечения Cadence вы можете разрабатывать приложения, которые преднамеренно используют джоулев нагрев, а также снижают потери мощности из-за нагрева в электрических системах.