Hur man beräknar Joules

Joule (J) är en grundläggande måttenhet för det internationella systemet och tar sitt namn från den engelska fysikern James Edward Joule. Joule är måttenhet för arbete, energi och värme och används ofta i vetenskapliga tillämpningar. Om du vill att lösningen på ett problem ska uttryckas i joules måste du vara säker på att använda standardenheterna i mätningarna i beräkningarna. den "fötter per pund" eller le "BTU" (Brittiska termiska enheter) används fortfarande i vissa länder, men för fysiska uppgifter finns det ingen plats för måttenheter som inte kodifieras internationellt.

Metod 1

Beräkna arbetet i Joule

Förstå det fysiska begreppet arbete. Om du trycker på en låda i ett rum, har du gjort lite arbete. Om du lyfter den har du gjort lite arbete. Det finns två bestämningsfaktorer som måste uppfyllas för att det ska finnas "arbetar":

Du måste tillämpa en konstant kraft.
Kraften måste generera förskjutningen av kroppen i den riktning som den appliceras på.

Definiera jobbet. Det är en storlek som är lätt att beräkna. Bara multiplicera mängden kraft som används för att flytta kroppen. Vanligtvis mäter vetenskapsmän kraft i newton och avstånd i meter. Om du använder dessa enheter kommer produkten att uttryckas i joules.

När du läser ett fysikproblem rörande arbete, sluta och utvärdera var kraft tillämpas. Om du lyfter en låda kommer du att trycka upp och lådan kommer att stiga, så avståndet representeras av höjden som nås. Men om du går och håller en låda, vet du att det inte finns något arbete. Du använder tillräckligt med kraft för att låsen ska falla, men det genererar inte uppåtgående rörelse.

Hitta massan av objektet du rör dig. Du måste känna till dessa data för att förstå den kraft som behövs för att flytta den. I vårt tidigare exempel betraktar vi en person som lyfter en vikt från marken till bröstet och beräknar det arbete som personen utövar på det. Antag att föremålet har en massa på 10 kg.

Använd inte gram, pund eller andra måttenheter som inte standardiseras av Internationellt system, annars får du inte jobbet uttryckt i joules.

Beräkna styrkan. Styrka = massa x acceleration. I det föregående exemplet lyfter vi en vikt i en rak linje, den acceleration som vi måste övervinna är gravitationen, som är lika med 9,8 m / s². Beräkna den kraft som krävs för att flytta objektet uppåt genom att multiplicera sin massa genom gravitation acceleration: (10 kg) x (9,8 m / s²) = 98 kg m / s² = 98 newton (N).

Om objektet rör sig horisontellt är tyngdkraften irrelevant. Problemet kan dock be dig att beräkna den kraft som behövs för att övervinna friktionen. Om problemet ger dig information om accelerationen som den genomgår när den trycks, är det tillräckligt att multiplicera detta värde med den kända massan av objektet självt.

Mäta flytten. I det här exemplet antar vikten höjas för 1,5 m. Det är viktigt att avståndet mäts i meter, annars kommer du inte att få ett resultat i joules.

Multiplicera kraften efter avstånd. För att lyfta 98 N av 1,5 m måste du utöva ett arbete på 98 x 1,5 = 147 J.

Beräkna arbetet för objekt som rör sig diagonalt. Vårt tidigare exempel är ganska enkelt: en person utövar en uppåtgående kraft och objektet stiger. Ibland är emellertid den riktning i vilken kraften och riktningen i vilken föremålet flyttas, inte exakt identiskt, på grund av olika krafter som verkar på kroppen. I exemplet nedan kommer vi att beräkna den mängd jele som behövs för ett barn att dra en 25 meter lång släde på en snötäckt plan yta genom att dra ett rep som bildar en vinkel på 30 °. I detta fall är arbetet: arbete = kraft x cosinus (θ) x avstånd. Symbolen θ är den grekiska bokstaven "teta" och beskriver vinkeln som bildas av kraftriktningen och förskjutningsriktningen.

Hitta den totala kraften som tillämpas. För detta problem, anta att barnet applicerar en kraft på 10 N. till repet.

Om problemet ger dig information om "kraft i rörelseriktningen", detta motsvarar delen av formeln "tvinga x cos (θ)" och du kan hoppa över denna multiplikation.

Beräkna relevant styrka. Endast en del av kraften är effektiv för att generera rörelsen av objektglaset. Eftersom repet är vinklat uppåt används resten av kraften för att dra sleden uppåt "slösa" den mot tyngdkraften. Beräknar kraften som appliceras i rörelseriktningen:

I vårt exempel är vinkeln θ som bildas mellan den platta snön och repet 30 °.

Beräkna cos (θ). cos (30 °) = (√3) / 2 = cirka 0,866. Du kan använda en räknare för att få det här värdet, men se till att det är inställt på samma enhet som den aktuella vinkeln (grader eller radianer).

Multiplicera den totala kraften för cosinusen av θ. Så vi tar hänsyn till data i exemplet och: 10 N x 0.866 = 8.66 N dvs värdet på kraften som appliceras i rörelseriktningen.

Multiplicera kraften för att flytta. Nu när du vet hur mycket kraft faktiskt är funktionellt att flytta, kan du beräkna arbete som vanligt. Problemet informerar dig om att barnet flyttar släden framåt 20 m, så arbetet är: 8,66 N x 20 m = 173,2 J.

Metod 2

Beräkna Joules från Watts

Förstå begreppet kraft och energi. Vattnen är måttenheten för effekt, det vill säga hur snabbt energi används (energi i tidsenheten). Joules mäterenergi. För att härleda joules från watt behöver du veta värdet av tiden. Ju längre en ström flyter desto mer energi använder den.

Multiplicera watt för sekunderna och du kommer att få joules. En 1 watt enhet förbrukar 1 joule energi varje sekund. Om du multiplicerar antalet watt med antalet sekunder får du joules. För att hitta hur mycket energi en 60W lampa förbrukar på 120 sekunder, fortsätt helt enkelt till denna multiplikation: (60 watt) x (120 sekunder) = 7200 J.

Denna formel är lämplig för alla typer av effekt mätt i watt, men el är den vanligaste applikationen.

Metod 3

Beräkna den kinetiska energin i Joule

Förstå begreppet kinetisk energi. Detta är den mängd energi som en kropp i rörelse har eller köper. Precis som någon energienhet kan även den kinetiska uttrycks i joules.

Den kinetiska energin är lika med det arbete som utförs för att accelerera en stationär kropp upp till en viss hastighet. När den har nått den hastigheten behåller kroppen den kinetiska energin tills den omvandlas till värme (från friktion) till potentiell gravitationskraft (rör sig mot tyngdkraften) eller en annan typ av energi.

Hitta objektets massa. Tänk på att vi vill mäta en cyklists och hans cykels energi. Antag att idrotten har en massa på 50 kg medan cykeln är 20 kg - den totala massan m det är lika med 70 kg. Vid denna tidpunkt kan vi betrakta gruppen "cyklist + cykel" som en enda kropp på 70 kg, eftersom båda kommer att resa i samma hastighet.

Beräkna hastigheten. Om du redan vet det här skriver du det bara och fortsätter med problemet. Om du istället behöver beräkna den, använd en av metoderna nedan. Kom ihåg att vi är intresserade av skalärhastigheten och inte vektorhastigheten (som också tar hänsyn till riktningen), för att symbolisera den hastighet vi använder v. Av den anledningen ignorerar den alla kurvor och förändringar i riktning som cyklisten kommer att göra och betraktar som om han alltid rör sig i en rak linje.

Om ryttaren rör sig i konstant hastighet (utan acceleration) mäter han det avstånd som reste i meter och delar detta värde med det antal sekunder som han tog för att göra resan. Denna beräkning ger dig den genomsnittliga hastigheten som i vårt fall är konstant hela tiden.

Om cyklisten accelererar ständigt och inte ändrar riktning, beräknar han sin hastighet vid ett visst ögonblick t med formeln av "momentan hastighet = (acceleration) (t) + starthastighet. Använd sekunderna för att mäta tid, meter per sekund (m / s) för hastighet och m / s² för acceleration.

Ange alla data i formeln nedan. Kinetisk energi = (1/2) mv². Låt oss fundera på en cyklist som färdas med en hastighet på 15 m / s, hans kinetiska energi K = (1/2) (70 kg) (15 m / s)² = (1/2) (70 kg) (15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm²/ s² = 7875 newton meter = 7875 J.

Formeln för kinetisk energi kan härledas från definitionen av arbete, W = FΔs och från den kinematiska ekvationen v² = v₀² + 2aΔs. Där Δs avser "byte av position", det vill säga på det avstånd som reste.

Metod 4

Beräkna värmen i Joule

Hitta massan av föremålet som ska värmas upp. Använd en skala för denna operation. Om objektet är i flytande tillstånd mäter du först den tomma behållaren (tara). Du måste subtrahera detta värde från nästa vägning för att bara hitta vätskans massa. I vårt fall anser vi att föremålet representeras av 500 g vatten.

Det är viktigt att använda gram och inte en annan massmätningsenhet, annars kommer resultatet inte att vara i joules.

Hitta objektets specifika värme. Detta är information tillgänglig på kemiböcker, men du kan också hitta den online. Vid vatten, specifik värme c är lika med 4,19 joules per gram för varje grad Celsius eller, för att vara mer exakt, 4,855.

Specifik värme ändras något baserat på tryck och temperatur. Olika läroböcker och vetenskapliga organisationer använder värderingar av "standard temperatur" något annorlunda, så du kan också upptäcka att vattnets specifika värme indikeras som 4,79.

Du kan använda Kelvin grader istället för grader Celsius, eftersom temperaturskillnaden förblir konstant i de båda vågorna (uppvärmning av ett föremål som ökar temperaturen vid 3 ° C motsvarar att det ökar med 3 ° K). Använd inte Fahrenheit, annars kommer resultatet inte att uttryckas i joules.

Hitta aktuell kroppstemperatur. Om det är ett flytande material, använd en glödtermometer. I andra fall behövs ett sondinstrument.

Värm upp föremålet och mät dess temperatur igen. Detta gör att du kan spåra upp den mängd värme som har lagts till materialet.

Om du vill mäta den energi som lagras som värme, måste du anta att den ursprungliga temperaturen är vid absolut noll, 0 ° K eller -273,15 ° C. Detta är inte särskilt användbart.

Subtrahera den ursprungliga temperaturen från det värde som erhållits efter värmepåverkan. Denna skillnad representerar förändringen i kroppstemperaturen. Tänk på vattnets ursprungliga temperatur som 15 ° C och temperaturen efter uppvärmning av 35 ° C. I detta fall är temperaturskillnaden 20 ° C.

Multiplicera objektets massa med sin specifika värme- och temperaturskillnad. Denna formel är: H = mcΔT, där ΔT betyder "temperaturskillnad". Följande data i exemplet ger formeln: 500 g x 4,19 x 20 ° C som är 41900 j.

Värme uttrycks oftast i kalorier eller kilokalorier. En kalori definieras som den mängd värme som krävs för att öka temperaturen på 1 g vatten vid 1 ° C, medan en kilokalorie är den mängd värme som krävs för att öka temperaturen på 1 kg vatten vid 1 ° C. I föregående exempel ökade vi temperaturen på 500 g vatten vid 20 ° C, vi använde 10 000 kalorier eller 10 kilokalorier.

Metod 5

Beräkna den elektriska energin i Joule

Följ nästa steg för att beräkna flödet av energi i en elektrisk krets. Dessa beskriver ett praktiskt exempel, men du kan använda samma metod för att förstå ett brett spektrum av fysikproblem. Först måste du beräkna effekten P tack vare formeln: P = I² x R, där jag är den nuvarande intensiteten uttryckt i ampere (amp) och R är motståndet hos kretsen i ohm. Dessa enheter tillåter att få kraften i watt och från detta värde erhålla energi i joules.

Välj ett motstånd. Dessa är element i en krets som differentieras med värdet i ohm stämplat på dem eller genom en serie färgade ränder. Du kan testa motståndet hos ett motstånd genom att ansluta det till en multimeter eller en ohmmeter. För vårt exempel betraktar vi ett 10 ohm motstånd.

Anslut motståndet till en strömkälla. Du kan använda kablar med fästelement eller med en krokodilbägare - alternativt kan du infoga motståndet i en experimentell bas.

Aktiverar strömflödet i kretsen under en viss tidsperiod. Antag 10 sekunder.

Mät strömstyrkan för strömmen. För att göra detta måste du ha en ammeter eller en multimeter. De flesta hemmesystem använder en elektrisk ström i milliamp, det vill säga i tusentals ampere - av detta skäl antar vi att intensiteten är lika med 100 milliamps eller 0,1 ampere.

Använd formeln P = I² x R. För att hitta kraften, multiplicera kvadraten av strömmen för motståndet - produkten kommer att ge dig effekten uttryckt i watt. Genom att höja värdet på 0,1 amps squared får du 0,01 ampere², och detta multipliceras med 10 ohm ger dig effekten av 0,1 watt eller 100 milliwatt.

Multiplicera kraften för den tid du har applicerat el. På detta sätt får du värdet av den energi som emitteras i joules: 0,1 watt x 10 sekunder = 1 J el.

Med tanke på att en joule är en enhet för små och eftersom apparaterna ofta kalibreras i watt eller kilowatt milliwatt för att ange hur mycket energi förbrukar den elektriska strömmen leverantörerna uttrycker den energi som förbrukas i kilowattimmar. En watt motsvarar en joule per sekund (eller en joule motsvarar en watt per sekund) - en kilowatt motsvarande en kilojoule per sekund och en kilojoule till en kilowatt per sekund. Eftersom det finns 3600 sekunder i en timme, är en kilowattimme lika med 3600 kilowatt per sekund, eller 3600 kilojoule 3.600.000 joule.

tips

Det finns en annan måttenhet som är relaterad till joule och som mäter arbete och energi: erg. En erg motsvarar en kraft dyne applicerad på ett avstånd av en centimeter. En joule motsvarar 10.000.000 ergs.

varningar

Även om villkoren "joule" och "newton-meter" beskriv samma enhet i praktiken "joule" Den används för att representera alla former av energi och arbete som tillämpas i en rak linje. När momentet måste uttryckas, dvs en kraft som appliceras på ett objekt som roterar, är det föredraget att använda "newton-meter".

Saker du behöver

Arbete eller kinetisk energi:

Timer eller stoppur
Vågen
Kalkylator med cosinusfunktionen (endast för arbete, det är inte alltid nödvändigt)

el:

resistor
Experimentella kablar eller bas
Multimeter (separat ohmmeter och ammeter)
En fäste lås eller klämmer med en krokodil näbb

hetta:

Objekt att värmas upp
Värmekälla (som en Bunsenbrännare)
Termometer (både lampa och sond)
Kemi bok (att veta den uppvärmda objekternas specifika termiska kapacitet)

Dela på sociala nätverk:

Relaterade