Ako vypočítať jouly?

Ak chcete vypočítať teplo v jouloch, začnite tak, že zistíte hmotnosť ohrievaného predmetu v gramoch.

Pomenovaný podľa anglického fyzika Jamesa Prescotta Jouleho, joule (J) je jednou zo základných jednotiek medzinárodného metrického systému. Joule sa používa ako jednotka práce, energie a tepla a je široko používaný vo vedeckých aplikáciách. Ak chcete, aby bola vaša odpoveď v jouloch, vždy používajte štandardné vedecké jednotky. „Foot libry“ alebo „britská tepelná jednotka“ sa stále používajú v niektorých odboroch, ale vo vašej domácej úlohe z fyziky nemajú miesto.

Vzorce

Ak sa chcete naučiť počítať energiu alebo pracovať v jouloch, čítajte ďalej!

Jouly sú jednotka energie. Tu sú vzorce pre najbežnejšie situácie, kde by ste rátali energiu. Pokiaľ budete používať jednotky SI uvedené pod každým vzorcom, vaša odpoveď bude v jouloch.

Práca = Sila ∗ Vzdialenosť {\ displaystyle Práca = Sila*Vzdialenosť} $Práca = sila*vzdialenosť$
- → $Jouly = newtony*metre$
Energia = sila ∗ čas {\ displaystyle energia = sila*čas} $Energia = výkon*čas$
- → $Jouly = watty*sekundy$
KineticEnergy = 12 ∗ Mass ∗ Velocity2 {\ displaystyle KineticEnergy = {\ frac {1} {2}}*Mass*Velocity^{2}} $Kineticenergy = {\ frac {1} {2}}*hmotnosť*rýchlosť^{2}$
- → $Joules = {\ frac {1} {2}}*kilogramy*({\ frac {metre} {sekundy}})^{2}$
ChangeInHeat = Mass ∗ SpecificHeatCapacity ∗ ChangeInTemperature {\ displaystyle ChangeInHeat = Mass*SpecificHeatCapacity*ChangeInTemperature} $Changeinheat = hmotnosť*špecifikujte tepelnú kapacitu*zmeňte teplotu$
- → jouly = gramy * c * ΔT
- T = teplota v °C alebo kelviny
- Špecifická tepelná kapacita c závisí od ohrievaného materiálu. Jeho jednotky sú ^joulov / _{g °C}.
ElectricalEnergy = Power ∗ Time = Current2 ∗ Resistance ∗ Time {\ displaystyle ElectricalEnergy = Power*Time = Current^{2}*Resistance*Time} $Elektrická energia = výkon*čas = aktuálny^{2}*odpor*čas$
- → $Jouly = watty*sekundy = zosilňovače^{2}*ohmy*sekundy$

Metóda 1 z 5: Výpočet práce v jouloch

1
Pochopte, čo práca znamená vo fyzike. Ak posuniete krabicu cez miestnosť, máte prácu. Ak ho zdvihnete nahor, máte prácu. Aby mohla „práca“ nastať, musia existovať dve dôležité vlastnosti:
- Vyvíjate stálu silu.
- Sila spôsobuje, že sa predmet pohybuje v smere sily.
2
Definujte prácu. Prácu je ľahké vypočítať. Stačí vynásobiť použitú silu a prejdenú vzdialenosť. Vedci zvyčajne merajú silu v Newtonoch a vzdialenosť v metroch. Ak použijete tieto jednotky, vaša odpoveď bude fungovať v jednotkách Joulov.
- Kedykoľvek si prečítate slovný problém o práci, zastavte sa a premýšľajte, kde sa sila uplatňuje. Ak zdvihnete škatuľu, tlačíte nahor a škatuľka sa pohybuje nahor - vzdialenosť je teda taká veľká, ako sa zvyšuje. Ale ak potom pôjdete dopredu a držíte škatuľu, nedeje sa vôbec žiadna práca. Stále tlačíte nahor, aby krabica nespadla, ale škatuľa sa nepohybuje.
3
Nájdite hmotnosť pohybujúceho sa predmetu. Musíte poznať hmotu, aby ste zistili, akú veľkú silu na jej pohyb potrebujete. V prvom prípade použijeme osobu, ktorá dvíha závažie z podlahy na hruď, a vypočítame, koľko práce táto osoba na váhe vynaloží. Povedzme, že hmotnosť má hmotnosť 10 kilogramov (kg).
- Vyhnite sa používaniu libier alebo iných neštandardných jednotiek, inak vaša konečná odpoveď nebude v jouloch.
4
Vypočítajte silu. Sila = hmotnosť x zrýchlenie. V našom prípade, pri zdvíhaní závažia priamo hore, je zrýchlenie, s ktorým bojujeme, spôsobené gravitáciou, ktorá sa rovná 9,8 metra/sekundu ². Vypočítajte silu potrebnú na pohyb našej hmotnosti nahor vynásobením (10 kg) x (9,8 m/s ²) = 98 kg m/s ² = 98 newtonov (N).
- Ak sa objekt pohybuje horizontálne, gravitácia nie je dôležitá. Problém vás môže namiesto toho požiadať o výpočet sily potrebnej na prekonanie trenia. Ak vám problém hovorí, ako rýchlo sa predmet pri tlačení zrýchľuje, môžete zrýchlenie dané hmotnosťou vynásobiť.
5

Zmerajte vzdialenosť, ktorá sa pohybuje. V tomto prípade povedzme, že sa dvíha hmotnosť o 1,5 metra (m). Vzdialenosť musí byť meraná v metroch, inak nebude vaša konečná odpoveď napísaná v jouloch.
6

Vynásobte silu vzdialenosťou. Na zdvihnutie závažia 98 Newtonov o 1,5 metra nahor budete musieť vyvinúť 98 x 1,5 = 147 joulov práce.
7

Vypočítajte prácu pre objekty pohybujúce sa pod uhlom. Náš vyššie uvedený príklad bol jednoduchý: niekto na predmet pôsobil silou nahor a predmet sa pohyboval nahor. Niekedy nie je smer sily a pohyb predmetu úplne rovnaký, pretože na predmet pôsobí viac síl. V nasledujúcom príklade vypočítame množstvo joulov potrebných na to, aby dieťa ťahalo sane 20 metrov po plochom snehu ťahaním za lano šikmo nahor o 30°. V tomto prípade práca = sila x kosínus (θ) x vzdialenosť. Symbol θ je grécke písmeno „theta“ a popisuje uhol medzi smerom sily a smerom pohybu.
8
Zistite celkovú aplikovanú silu. V prípade tohto problému povedzme, že dieťa ťahá za lano silou 10 newtonov.
- Ak vám problém poskytne „silu vpravo“, „silu nahor“ alebo „silu v smere pohybu“, už je vypočítaná časť problému „sila x cos (θ)“ a môžete preskočiť nadol na vynásobením hodnôt dohromady
9
Vypočítajte príslušnú silu. Len časť sily ťahá sane dopredu. Pretože lano je v uhle nahor, zvyšok sily sa pokúša vytiahnuť sane nahor, pričom zbytočne ťahá proti gravitácii. Vypočítajte silu, ktorá pôsobí v smere pohybu:
- V našom prípade je uhol θ medzi plochým snehom a lanom 30°.
- Vypočítajte cos (θ). cos (30°) = (√3)/2 = asi 0,866. Na nájdenie tejto hodnoty môžete použiť kalkulačku, ale uistite sa, že je kalkulačka nastavená na rovnakú jednotku ako vaše meranie uhla (stupne alebo radiány).
- Vynásobte celkovú silu x cos (θ). V našom prípade 10N x 0,866 = 8,66 N sily v smere pohybu.
10

Vynásobte silu x vzdialenosť. Teraz, keď vieme, koľko sily skutočne smeruje k smeru pohybu, môžeme vypočítať prácu ako obvykle. Náš problém nám hovorí, že sane sa posunuli o 20 metrov dopredu, takže vypočítajte 8,66 N x 20 m = 173,2 joulov práce.

Metóda 2 z 5: Výpočet joulov z wattov

1

Pochopte silu a energiu. Watty sú mierou výkonu alebo toho, ako rýchlo sa energia používa (energia v priebehu času). Jouly sú mierou energie. Aby ste mohli prevádzať z wattov na jouly, musíte zadať časový úsek. Čím dlhšie prúdi, tým viac energie spotrebuje.
2
Vynásobením wattov za sekundy získate jouly. 1 W zariadenie spotrebuje 1 Joule energie každú 1 sekundu. Ak vynásobíte počet wattov počtom sekúnd, skončíte s joulami. Ak chcete zistiť, koľko energie 60 W žiarovka spotrebuje za 120 sekúnd, jednoducho vynásobte (60 wattov) x (120 sekúnd) = 7200 joulov.
- Tento vzorec funguje pre akúkoľvek formu výkonu meraného vo wattoch, ale elektrina je najbežnejšou aplikáciou.

Metóda 3 z 5: Výpočet kinetickej energie v jouloch

1
Pochopte kinetickú energiu. Kinetická energia je množstvo energie vo forme pohybu. Ako každá jednotka energie, môže byť vyjadrená v jednotkách joulov.
- Kinetická energia je ekvivalentom práce vykonanej na zrýchlení nepohyblivého objektu na určitú rýchlosť. Akonáhle objekt dosiahne túto rýchlosť, zachová si toto množstvo kinetickej energie, kým sa táto energia transformuje na teplo (z trenia), gravitačnú potenciálnu energiu (z pohybu proti gravitácii) alebo iné druhy energie.
2

Nájdite hmotnosť predmetu. Môžeme napríklad zmerať kinetickú energiu bicykla a cyklistu. Povedzme, že cyklista má hmotnosť 50 kg a cyklus má hmotnosť 20 kg, pričom celková hmotnosť m je 70 kg. Teraz ich môžeme považovať za jeden 70 kg predmet, pretože budú spolu cestovať rovnakou rýchlosťou.
3
Vypočítajte rýchlosť. Ak už poznáte rýchlosť alebo rýchlosť cyklistu, zapíšte si to a pokračujte. Ak to potrebujete vypočítať sami, použite jednu z nižšie uvedených metód. Všimnite si toho, že nám záleží na rýchlosti, nie na rýchlosti (čo je rýchlosť v určitom smere), aj keďsa často používaskratka v. Ignorujte všetky zákruty, ktoré cyklista robí, a predstierajte, že celá prejdená vzdialenosť je jedna priamka.
- Ak sa cyklista pohyboval konštantnou rýchlosťou (nezrýchľoval), zmerajte vzdialenosť, ktorú cyklista prešiel, v metroch a vydelte ho počtom sekúnd, ktoré bolo potrebné na prejdenie tejto vzdialenosti. To vám poskytne priemernú rýchlosť, ktorá je v tomto scenári rovnaká ako rýchlosť v danom okamihu.
- Ak cyklista zrýchľuje konštantným zrýchlením a nemení smer, vypočítajte jeho rýchlosť v čase t podľa vzorca „rýchlosť v čase t = (zrýchlenie) (t) + počiatočná rýchlosť. Na meranie času použite sekundy, metre/sekundu zmerajte rýchlosť a m/s ² na meranie zrýchlenia.
4
Zadajte tieto čísla do nasledujúceho vzorca. Kinetická energia = (0,5) mv ². Ak napríklad cyklista cestuje rýchlosťou 15 m/s, jeho kinetická energia K = (0,5) (70 kg) (15 m/s) ² = (0,5) (70 kg) (15 m/s) (15 m /s) = 7875 kgm² /s ² = 7875 newtonmetrov = 7875 joulov.
- Vzorec kinetickej energie možno odvodiť z definície práce, W = FΔs, a kinematickej rovnice v ² = v ₀² + 2aΔs. Δs označuje „zmenu polohy“ alebo množstvo prejdenej vzdialenosti.

Metóda 4 z 5: Výpočet tepla v jouloch

1
Nájdite hmotnosť ohrievaného predmetu. Na to použite váhu alebo pružinovú váhu. Ak je predmetom tekutina, najskôr odvážte prázdny obal, v ktorom bude tekutina zadržaná, a zistite jeho hmotnosť. Budete to musieť odpočítať od hmotnosti nádoby a kvapaliny spoločne, aby ste zistili hmotnosť kvapaliny. V tomto prípade budeme predpokladať, že predmetom je 500 gramov vody.
- Použite gramy, nie inú jednotku, inak výsledok nebude v jouloch.
2
Nájdite špecifickú tepelnú kapacitu objektu. Tieto informácie je možné nájsť v referáte o chémii, buď v knižnej forme, alebo online. V prípade vody je špecifická tepelná kapacita c 4,19 joulov na gram na každý stupeň Celzia, v ktorom sa ohrieva - alebo 4 1855, ak potrebujete byť veľmi presný.
- Špecifická tepelná kapacita sa v skutočnosti mierne líši v závislosti od teploty a tlaku. Rôzne organizácie a učebnice používajú rôzne „štandardné teploty“, takže špecifickú tepelnú kapacitu vody môžete namiesto toho vidieť ako 4 179.
- Môžete použiť Kelvin namiesto Celzia, pretože rozdiel teplôt je v oboch jednotkách rovnaký (zahriatie niečoho na 3°C je rovnaké ako zahriatie na 3 Kelviny). Nepoužívajte Fahrenheit, inak váš výsledok nebude v jouloch.
3

Zistite aktuálnu teplotu objektu. Ak je predmet tekutý, môžete použiť žiarovkový teplomer. Pri niektorých objektoch budete možno potrebovať teplomer so sondou.
4
Zahrejte predmet a znova zmerajte teplotu. Vďaka tomu bude možné zmerať množstvo tepla, ktoré sa do objektu počas horúčavy pridáva.
- Ak chcete zmerať celkové množstvo energie uloženej ako teplo, môžete predstierať, že počiatočná teplota bola absolútna nula: 0 Kelvinov alebo -273,15°C. To nie je zvyčajne užitočné.
5

Od zahriatej teploty odpočítajte pôvodnú teplotu. To spôsobí stupne teplotných zmien v objekte. Za predpokladu, že voda mala pôvodne 15°C a bola zahriata na 35°C, zmena teploty by bola 20°C.
6
Hmotnosť objektu vynásobte jeho špecifickou tepelnou kapacitou a množstvom zmeny teploty. Tento vzorec je napísaný H = mc Δ T, kde ΔT znamená „zmena teploty“. V tomto prípade by to bolo 500 g x 4,19 x 20 alebo 41900 joulov.
- Teplo sa v metrickom systéme častejšie vyjadruje buď v kalóriách, alebo v kilokalóriách. Kalória je definovaná ako množstvo tepla potrebného na zvýšenie teploty 1 gramu vody o 1 stupeň Celzia, zatiaľ čo kilokalória (alebo kalória) je množstvo tepla potrebného na zvýšenie teploty 1 kilogramu vody o 1 stupeň Celzia. Vo vyššie uvedenom príklade by zvýšenie teploty 500 gramov vody na 20°C spotrebovalo 10000 kalórií alebo 10 kilokalórií.

Prečítajte si tiež: Ako pestovať baktérie v Petriho miske?

Metóda 5 z 5: Výpočet elektrickej energie v jouloch

1

Na výpočet toku energie v elektrickom obvode použite nižšie uvedené kroky. Nasledujúce kroky sú napísané ako praktický príklad, ale metódu môžete použiť aj na porozumenie písomným fyzikálnym problémom. Najprv vypočítame výkon P pomocou vzorca P = I ² x R, kde I je prúd v ampéroch (ampéroch) a R je odpor v ohmoch. Tieto jednotky nám poskytujú výkon vo wattoch, takže odtiaľ môžeme použiť vzorec v predchádzajúcom kroku na výpočet energie v jouloch.
2

Vyberte odpor. Rezistory sú hodnotené v ohmoch, pričom hodnotenie je buď priamo označené, alebo je označené sériou farebných pásiem. Odpor rezistora môžete tiež otestovať pripojením k ohmmetru alebo multimetru. V tomto prípade budeme predpokladať, že odpor je dimenzovaný na 10 ohmov.
3

Pripojte odpor k zdroju prúdu. Buď pripojte káble k rezistoru s Fahnestock alebo krokosvorkami alebo pripojte rezistor do testovacej doske.
4

Nechajte prúdiť obvodom po nastavenú dobu. V tomto prípade použijeme periódu 10 sekúnd.
5

Zmerajte silu prúdu. Vykonajte to pomocou ampérmetra alebo multimetra. Väčšina prúdu v domácnosti je v miliampéroch alebo tisícinách ampéra, takže budeme predpokladať, že prúd je 100 miliampérov alebo 0,1 ampéra.
6

Použite vzorec P = i ² x R. Na zistenie výkonu vynásobte druhou mocninu prúdu odporom. Výsledkom je výstupný výkon vo wattoch. Obdĺžnik 0,1 dáva 0,01, vynásobený 10, dáva výkon 0,1 wattu alebo 100 miliwattov.
7
Výkon vynásobte uplynutým časom. To dáva výstup energie v jouloch. 0,1 watt x 10 sekúnd sa rovná 1 joulu elektrickej energie.
- Pretože jouly sú malé jednotky a pretože spotrebiče bežne používajú watty, miliwatty a kilowatty na označenie toho, koľko energie používajú, verejné služby bežne merajú svoj energetický výkon v kilowatthodinách. Jeden watt sa rovná 1 joulu za sekundu alebo 1 joule sa rovná 1 wattu sekundy; kilowatt sa rovná 1 kilojoulu za sekundu a kilojoule sa rovná 1 kilowatthodine. Pretože za hodinu je 3600 sekúnd, 1 kilowatthodina sa rovná 3600 kilowatt-s, 3600 kilojoulov alebo 3600 000 joulov.

Tipy

S joulou súvisí ďalšia metrická jednotka práce a energie nazývaná erg; 1 erg sa rovná 1 dyne sily krát vzdialenosť 1 cm. Jeden joule sa rovná 10000 000 erg.

Varovania

Napriek tomu, že výrazy „joule“ a „newtonmetr“ označujú rovnakú jednotku, v praxi sa „joule“ používa na vyjadrenie akejkoľvek formy energie a na prácu vykonávanú v priamke, ako v príklade uvedenom vyššie pri spustení letu schody. Pri použití na meranie krútiaceho momentu, aplikácie sily pri otáčaní predmetu, je preferovaný termín „newtonmetr“.

Veci, ktoré budete potrebovať

Takže vypočítajte 8,66 N x 20 m = 173,2 joulov práce — Náš problém nám hovorí, že sane sa posunuli o 20 metrov dopredu, takže vypočítajte 8,66 N x 20 m = 173,2 joulov práce.

Práca alebo kinetická energia:

Stopky alebo stopky
Mierka alebo rovnováha
Kalkulačka s kosínusovou funkciou (funguje len, nie vždy je potrebná)

Takže odtiaľ môžeme použiť vzorec v predchádzajúcom kroku na výpočet energie v jouloch — Tieto jednotky nám poskytujú výkon vo wattoch, takže odtiaľ môžeme použiť vzorec v predchádzajúcom kroku na výpočet energie v jouloch.

Výpočet elektrickej energie:

Odpor
Drôty alebo skúšobná doska
Multimetr (alebo samostatný ohmmeter a ampérmeter)
Klipy Fahnestock alebo aligátor

Teplo:

Objekt na teplo
Zdroj tepla (napríklad Bunsenov horák)
Teplomer (žiarovkový alebo sondový teplomer)
Príručka chémie (na zistenie špecifickej tepelnej kapacity ohrievaného objektu)