Efni.

• Að stíga
• Aðferð 1 af 4: Reikna vinnu í joule
• Aðferð 2 af 4: Útreikningur hreyfiorku í joule
• Aðferð 3 af 4: Reikna Joule sem raforku
• Aðferð 4 af 4: Reikna hitann í joule
• Ábendingar
• Viðvaranir
• Nauðsynjar

Joule (J), kenndur við enska eðlisfræðinginn James Edward Joule, er ein mikilvægasta eining alþjóðlega mælakerfisins. Joule er notað sem eining vinnu, orku og hita og er mikið notaður í vísindum. Ef þú vilt að svar þitt sé í joule skaltu alltaf nota stöðluðu vísindareiningarnar.

Að stíga

Aðferð 1 af 4: Reikna vinnu í joule

1. Skilgreiningin á vinnuafli. Vinna er skilgreind sem stöðugur kraftur sem beitt er á hlut til að færa hann ákveðna fjarlægð. Ef ekki meira en einn kraftur er beitt er hægt að reikna hann sem máttur X fjarlægð, og er hægt að skrifa í einingum í joule (jafngildir "Newton metra"). Í fyrsta dæminu okkar tökum við einstakling sem vill bæta þyngd úr gólfi í bringuhæð og reiknum út hversu mikla vinnu viðkomandi hefur unnið.
   • Kraftinum verður að beita í átt að hreyfingunni. Þegar þú heldur á hlut og gengur fram er engin vinna unnin á hlutnum því þú ert ekki að ýta hlutnum í átt að hreyfingu hans.
2. Ákveðið massa hlutarins sem er fluttur. Massa hlutar er þörf til að reikna út kraftinn sem þarf til að hreyfa hann. Í dæmi okkar við fram sem þyngd hefur massa 10 kg.
   • Ekki nota pund eða aðrar einingar sem eru ekki staðlaðar eða endanlegt svar verður ekki í joule.
3. Reiknið kraftinn. Kraftur = massi x hröðun. Í dæminu okkar, lyfta lóð beint upp, hröðun sem við erum að reyna að sigrast á er jöfn þyngdaraflinu, 9,8 m / s niður á við. Reiknið kraftinn sem þarf til að lyfta þyngdinni með (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newtons (N).
   • Ef hluturinn er færður lárétt, þá skiptir þyngdarafl engu máli. Þess í stað gæti vandamálið hvatt þig til að reikna út kraftinn sem þarf til að vinna bug á núningsviðnámi. Ef það er gefið upp hver hröðun hlutarins er þegar honum er ýtt, þá getur þú margfaldað tiltekna hröðun með massa.
4. Mældu fjarlægðina sem hluturinn er fluttur. Í þessu dæmi gerum við ráð fyrir að þyngdinni sé lyft 1,5 metrum (m). Fjarlægðina verður að mæla í metrum, annars er ekki hægt að skrá lokasvarið í Joules.
5. Margfaldaðu kraftinn með fjarlægðinni. Til að lyfta þyngdinni 98 Newton 1,5 metrum verður þú að vinna 98 x 1,5 = 147 Joule vinnu.
6. Reiknið vinnuafl fyrir hluti sem hreyfast í horn. Dæmið okkar hér að ofan var einfalt: einhver beitti hlutnum upp á við og hluturinn hækkaði. Stundum er stefna kraftsins og hreyfing hlutarins ekki alveg sú, því margfeldi kraftar hafa áhrif á hlutinn. Í eftirfarandi dæmi ætlum við að reikna út hve marga Joule þarf til að draga sleðann 25 metra í gegnum snjóinn með því að draga reipi sem fest er við sleðann í 30º horni við lárétta. Eftirfarandi gildir: vinna = kraftur x cos (θ) x fjarlægð. „Táknið“ er gríski stafurinn „theta“ og táknar hornið á milli aflstefnunnar og hreyfingarstefnunnar.
7. Ákveðið heildarkraftinn sem beittur er. Í þessu vandamáli segjum við að einhver togi reipið með kraftinum 10 Newtons.
   • Ef kraftur "til hægri," "upp" eða "í átt að hreyfingu" hefur þegar verið gefinn, er "gildi x cos (") eins og reiknað er og þú getur haldið áfram að margfalda gildin.
8. Reiknið viðeigandi afl. Aðeins hluti af kraftinum dregur vagninn áfram. Vegna þess að reipið er upp í horn reynir aflið sem eftir er að lyfta vagninum upp og vinna gegn þyngdaraflinu. Reiknið kraftinn í stefnu hreyfingarinnar:
   • Í dæminu okkar er hornið θ milli jarðarinnar og reipisins 30º.
   • Reiknið cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = um það bil 0,866. Þú getur notað reiknivél til að finna þetta gildi, en vertu viss um að reiknivélin þín noti réttu eininguna eins og hornið er tilgreint í (gráður eða radíanar).
   • Margfaldaðu heildarkraftinn x cos (θ). Í dæminu okkar eru 10N x 0,866 = 8,66 N í hreyfingarstefnunni.
9. Margfaldaðu kraft x fjarlægð. Nú þegar við vitum hversu mikill kraftur er beittur í átt að hreyfingunni getum við reiknað vinnuna eins og venjulega. Vandamál okkar segir okkur að vagninn hefur verið dreginn 20 metra áfram, þannig að við reiknum 8,66 N x 20 m = 173,2 joule vinnu.

Aðferð 2 af 4: Útreikningur hreyfiorku í joule

1. Skilja nokkra hreyfiorku. Hreyfiorka er magn orkunnar í formi hreyfingar. Eins og með hvers konar orku, þá er hægt að tjá það í Joules.
   • Hreyfiorka er jöfn þeirri vinnu sem unnin er við að flýta kyrrstæðum hlut á ákveðinn hraða. Þegar þeim hraða er náð, heldur hluturinn því magni hreyfiorku þangað til þeirri orku er breytt í hita (með núningi), þyngdarorku (með því að ganga gegn þyngdaraflinu) eða öðrum tegundum orku.
2. Ákveðið massa hlutarins. Til dæmis getum við mælt hreyfiorku reiðhjóls og hjólreiðamanna. Segjum sem svo að hjólreiðamaðurinn hafi massa 50 kg og hjólið hafi 20 kg massa. Það bætir við heildarmassa m af 70 kg. Við getum nú meðhöndlað þau saman sem 1 kg af 70 kg, vegna þess að þeir hreyfast saman á sama hraða.
3. Reiknið hraðann. Ef þú veist nú þegar hraðann á hjólreiðamanninum eða vektorhraðann skaltu skrifa það niður og halda áfram. Ef þú þarft samt að reikna þetta skaltu nota eina af aðferðunum hér að neðan. Þetta varðar hraðann, ekki vigurhraðann (sem er hraðinn í ákveðinni átt), jafnvel þó að stafurinn sé oft v notað fyrir hraðann. Hunsa allar beygjur sem hjólreiðamaðurinn gerir og láta eins og öll vegalengdin sé í beinni línu.
   • Ef hjólreiðamaðurinn hreyfist á jöfnum hraða (engin hröðun), mælið þá vegalengd hjólreiðamannsins og deilið með þeim sekúndufjölda sem það tók að ná þeirri vegalengd. Þetta reiknar út meðalhraðann, sem í þessari atburðarás er sá sami og hraðinn á hverju augnabliki.
   • Ef hjólreiðamaðurinn hreyfist með stöðugri hröðun og breytir ekki stefnu, reiknaðu þá hraðann á þeim tíma t með formúlunni ‘hraða (tími t) = (hröðun) (t) + upphafshraði. Tíminn er í sekúndum, hraði í metrum / sekúndu og hröðun í m / s.
4. Sláðu inn eftirfarandi tölur í eftirfarandi formúlu. Hreyfiorka = (1/2)m "v. Til dæmis, ef hjólreiðamaðurinn hreyfist á 15 m / s hraða, þá er hreyfiorka hans K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newton metrar = 7875 joule.
   • Formúlan fyrir hreyfiorkuna má leiða af skilgreiningunni á vinnu, W = FΔs, og jöfnu v = v₀ + 2aΔs. Δs vísar til „tilfærslu“, eða einnig vegalengdar.

Aðferð 3 af 4: Reikna Joule sem raforku

1. Reiknið orku með því að nota kraft x tíma. Kraftur er skilgreindur sem orkan sem er notuð á tímaeiningu, þannig að við getum reiknað neysluorkuna með kraftinum sinnum eining tímans. Þetta er gagnlegt þegar máttur er mældur í wöttum, því 1 watt = 1 Joule / sekúnda. Til að komast að því hve mikla orku 60W glópera notar á 120 sekúndum, margföldaðu eftirfarandi: (60 wött) x (120 sekúndur) = 7200 joule.
   • Þessa formúlu er hægt að nota fyrir hvers konar afl, mælt í wött, en rafmagn er augljósast.
2. Notaðu skrefin hér að neðan til að reikna orkuflæði í rafrás. Skrefin hér að neðan eru útlistuð sem hagnýtt dæmi, en þú getur líka notað þessa aðferð til að skilja fræðileg eðlisfræðileg vandamál. Í fyrsta lagi reiknum við afl P með formúlunni P = I x R, þar sem ég er straumurinn í amperum og R er viðnámið í óm. Þessar einingar gefa okkur kraftinn í vöttum, þannig að frá þessum tímapunkti getum við notað formúluna sem notuð var í fyrra skrefi til að reikna orkuna í joule.
3. Veldu viðnám. Viðnám er gefið til kynna í óm, með gildi þeirra beint á viðnáminu, eða gefið til kynna með röð litaðra hringa. Þú getur líka prófað viðnám með ohmmeter eða multimeter. Í þessu dæmi gerum við ráð fyrir að viðnámið sem við notum sé 10 ohm.
4. Tengdu viðnáminn við orkugjafa (rafhlöðu). Notaðu klemmur fyrir þetta eða settu viðnám í prófunarrás.
5. Láttu straum renna í gegnum hann í ákveðinn tíma. Í þessu dæmi tökum við 10 sekúndur sem tímaeiningu.
6. Mældu styrk núverandi. Þú gerir þetta með flæðimæli eða multimeter. Mestur straumur heimilisins er í milliampum, þannig að við gerum ráð fyrir að straumurinn sé 100 milliampír, eða 0,1 amperi.
7. Notaðu formúluna P = I x R. Nú til að finna kraftinn margfaldar þú fermetra strauminn með viðnámi. Þetta gefur þér kraft þessarar hringrásar í wöttum. Ferningurinn 0,1 gefur 0,01. Margfaldaðu þetta með 10 og þú færð 0,1 watt framleiðslugetu, eða 100 milliwatt.
8. Margfaldaðu kraftinn með liðnum tíma. Þetta veitir orkuna í joule. 0,1 wött x 10 sekúndur jafngildir 1 joule af raforku.
   • Vegna þess að Joule er lítil eining og þar sem orkunotkun tækja er venjulega tilgreind í vöttum, milliwöttum og kílóvöttum, er oft þægilegra að reikna út fjölda kWst (kílówattstunda) sem tæki eyðir. 1 watt jafngildir 1 joule á sekúndu, eða 1 joule jafngildir 1 watt sekúndu; eitt kílóvatt er jafnt og 1 kílóvot á sekúndu og eitt kílóvafli er jafnt og 1 kílówatt sekúndu. Það eru 3.600 sekúndur á klukkustund, þannig að 1 kílówattstund er jafnt og 3.600 kílówatt-sekúndur, 3.600 kílójúl, eða 3.600.000 joule.

Aðferð 4 af 4: Reikna hitann í joule

1. Ákveðið massa hlutarins sem hita er bætt við. Notaðu jafnvægi eða vog fyrir þetta. Ef hluturinn er vökvi, vigtaðu fyrst tóma ílátið sem vökvinn fer í. Þú verður að draga þetta frá massa ílátsins og vökvans saman til að finna massa vökvans. Í þessu dæmi gerum við ráð fyrir að hluturinn sé 500 grömm af vatni.
   • Notaðu grömm, ekki aðra einingu, annars verður niðurstaðan ekki gefin upp í Joules.
2. Finndu sérstakan hita hlutarins. Þessar upplýsingar er að finna í binas efnafræðibókum en einnig er hægt að finna þær á netinu. Þetta er sérstakur hiti fyrir vatn c jafngildir 4,19 joule á grömm fyrir hvern gráðu á Celsíus - eða 4.1855, ef þú vilt vera mjög nákvæmur.
   • Sérstakur hiti er aðeins breytilegur eftir hitastigi og þrýstingi. Mismunandi samtök og kennslubækur nota mismunandi „staðlað hitastig“, svo að þú gætir fundið allt að 4.179 fyrir tiltekinn vatnshita.
   • Þú getur líka notað Kelvin í stað Celsius, því 1 gráða er sú sama fyrir báða réttina (að hita eitthvað með 3 ° C er það sama og með 3 Kelvin). Ekki nota Fahrenheit eða niðurstaðan verður ekki gefin í Joules.
3. Ákveðið núverandi hitastig hlutarins. Ef hluturinn er vökvi geturðu notað venjulegan (kvikasilfurs) hitamæli. Fyrir aðra hluti gætirðu þurft hitamæli með rannsaka.
4. Hitið hlutinn og mælið hitann aftur. Þetta gerir þér kleift að mæla magn hita sem hefur verið bætt við hlut meðan á upphitun stendur.
   • Ef þú vilt vita heildarmagn orkunnar sem geymt er í formi hita geturðu látið eins og upphafshitastigið hafi verið algert núll: 0 Kelvin eða -273,15 ºC.
5. Dragðu upphaflega hitastigið frá hitastiginu eftir upphitun. Þetta gefur niðurstöðunni breytingu á hitastigi hlutarins. Miðað við að vatnið hafi upphaflega verið 15 gráður á Celsíus og eftir hitun var það 35 gráður á Celsíus er hitabreytingin því 20 gráður á Celsíus.
6. Margfaldaðu massa hlutarins með sérstökum hita og hitabreytingunni. Þú skrifar þessa formúlu sem H =mcΔT., þar sem ΔT táknar „hitastigsbreytinguna“. Í þessu dæmi verður þetta 500g x 4,19 x 20 = 41.900 joule.
   • Hiti er almennt gefið upp í kaloríum eða kílókaloríum. Hitaeining er skilgreind sem magn hita sem þarf til að láta 1 gramm af vatni hækka í hitastigi um 1 gráðu á Celsíus, en kílókaloría (eða kaloría) er það magn hita sem þarf til að hækka hitastigið 1 kíló af vatni um 1 gráðu á Celsíus . Í dæminu hér að ofan þarf 10.000 kaloríur eða 10 kílókaloríur til að hækka hitastigið 500 grömm af vatni um 20 gráður á Celsíus.

Ábendingar

• Tengt joule er önnur eining vinnu og orku sem kallast erg; 1 erg jafngildir 1 dyne krafti sinnum 1 cm fjarlægð. Einn joule er jafn 10.000.000 erg.

Viðvaranir

• Þrátt fyrir að hugtökin "joule" og "newton meter" vísi til sömu einingar, er í reynd "joule" notað til að gefa til kynna hvers konar orku og til vinnu sem er framkvæmd í beinni línu, eins og í dæminu um að ganga upp stigann að ofan. Þegar við notum til að reikna tog (kraftur á snúningshluti) kjósum við hugtakið „Newton mælir“.

Nauðsynjar

Útreikningur á vinnu eða hreyfiorku:

• Skeiðklukka eða tímastillir
• Vog eða jafnvægi
• Reiknivél með kósínusaðgerð (aðeins fyrir vinnu, ekki alltaf nauðsynleg)

Útreikningur raforku:

• Viðnám
• Vír eða prófunarborð
• Multimeter (eða ohmmeter og straumamælir)
• Fahnestock eða alligator klemmur

Hiti:

• Hlutur sem á að hita
• Hitagjafi (svo sem Bunsen brennari)
• Hitamælir (fljótandi hitamælir eða hitamælir með rannsaka)
• Efnafræði / efnafræði tilvísun (til að finna sérstakan hita hlutarins sem er hitaður)