Obsah

• Na krok
• Metóda 1 zo 4: Výpočet práce v jouloch
• Metóda 2 zo 4: Výpočet kinetickej energie v jouloch
• Metóda 3 zo 4: Výpočet Joule ako elektrickej energie
• Metóda 4 zo 4: Výpočet tepla v jouloch
• Tipy
• Varovania
• Nevyhnutnosť

Joule (J), pomenovaný podľa anglického fyzika Jamesa Edwarda Jouleho, je jednou z najdôležitejších jednotiek medzinárodného metrického systému. Joule sa používa ako jednotka práce, energie a tepla a vo vede sa často používa. Ak chcete, aby vaša odpoveď bola v jouloch, vždy používajte štandardné vedecké jednotky.

Na krok

Metóda 1 zo 4: Výpočet práce v jouloch

1. Definícia práce. Práca je definovaná ako konštantná sila pôsobiaca na objekt, aby sa posunul o určitú vzdialenosť. Ak sa nepoužije viac ako jedna sila, možno ju vypočítať ako moc X vzdialenosť, a môžu byť napísané v jednotkách joulov (ekvivalent „newtonmetra“). V našom prvom príklade si vezmeme osobu, ktorá chce pridať váhu od podlahy k výške hrudníka, a vypočítame, koľko práce táto osoba urobila.
   • Sila musí pôsobiť v smere pohybu. Pri držaní predmetu a kráčaní vpred sa s predmetom nijako nepracuje, pretože objekt netlačíte v smere jeho pohybu.
2. Určte hmotnosť premiestňovaného objektu. Hmotnosť objektu je potrebná na výpočet sily potrebnej na jeho presun. V našom príklade uvádzame, že hmotnosť má hmotnosť 10 kg.
   • Nepoužívajte libry alebo iné jednotky, ktoré nie sú štandardné, pretože konečná odpoveď nebude v jouloch.
3. Vypočítajte silu. Sila = hmotnosť x zrýchlenie. V našom príklade, keď dvíhame závažie priamo hore, zrýchlenie, ktoré sa snažíme prekonať, sa rovná gravitácii, 9,8 m / s smerom dole. Vypočítajte silu potrebnú na zdvihnutie závažia pomocou (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newtonov (N).
   • Ak sa objekt pohybuje vodorovne, potom je gravitácia irelevantná. Namiesto toho vás môže problém vyzvať na výpočet sily potrebnej na prekonanie trecieho odporu. Ak je dané, aké je zrýchlenie objektu, keď je stlačený, potom dané zrýchlenie môžete vynásobiť hmotnosťou.
4. Zmerajte vzdialenosť, ktorou sa objekt pohybuje. V tomto príklade predpokladáme, že hmotnosť sa zdvihne o 1,5 metra (m). Vzdialenosť musí byť meraná v metroch, inak nie je možné zaznamenať konečnú odpoveď v Jouloch.
5. Vynásobte silu vzdialenosťou. Ak chcete zdvihnúť váhu 98 Newtonov 1,5 metra, budete musieť urobiť 98 x 1,5 = 147 Joulov práce.
6. Vypočítajte prácu pre objekty pohybujúce sa pod uhlom. Náš vyššie uvedený príklad bol jednoduchý: niekto použil na objekt silu nahor a objekt sa zdvihol. Niekedy nie je smer sily a pohyb objektu úplne rovnaký, pretože na objekt pôsobí viac síl. V nasledujúcom príklade budeme počítať, koľko joulov trvá pretiahnutie saní 25 metrov cez sneh ťahaním lana pripevneného k saniam v uhle 30 ° k vodorovnej rovine. Platí toto: práca = sila x cos (θ) x vzdialenosť. „Symbol“ je grécke písmeno „theta“ a predstavuje uhol medzi smerom sily a smerom pohybu.
7. Určte celkovú použitú silu. V tomto probléme hovoríme, že niekto ťahá za lano silou 10 Newtonov.
   • Ak už bola zadaná sila „doprava“, „hore“ alebo „v smere pohybu“, vypočíta sa „sila x cos (“) “a môžete pokračovať v vynásobení hodnôt.
8. Vypočítajte príslušnú silu. Iba časť sily ťahá vozík dopredu. Pretože lano je hore v uhle, zostávajúca sila sa snaží zdvihnúť vozík hore, aby pôsobila proti gravitácii. Vypočítajte silu v smere pohybu:
   • V našom príklade je uhol θ medzi zemou a lanom 30 °.
   • Vypočítajte cos (θ). cos (30 °) = (√3) / 2 = približne 0,866. Na vyhľadanie tejto hodnoty môžete použiť kalkulačku, ale uistite sa, že vaša kalkulačka používa správnu jednotku, v ktorej je zadaný uhol (stupne alebo radiány).
   • Vynásobte celkovú silu x cos (θ). V našom príklade 10N x 0,866 = 8,66 N v smere pohybu.
9. Vynásobte silu x vzdialenosť. Teraz, keď vieme, koľko sily pôsobí v smere pohybu, môžeme vypočítať prácu ako obvykle. Náš problém nám hovorí, že vozík bol odtiahnutý o 20 metrov dopredu, takže vypočítame 8,66 N x 20 m = 173,2 joulov práce.

Metóda 2 zo 4: Výpočet kinetickej energie v jouloch

1. Pochopte nejakú kinetickú energiu. Kinetická energia je množstvo energie vo forme pohybu. Rovnako ako pri akejkoľvek forme energie, môže byť vyjadrená v Jouloch.
   • Kinetická energia sa rovná množstvu práce vykonanej na urýchlenie nehybného objektu na určitú rýchlosť. Po dosiahnutí tejto rýchlosti si objekt udrží toto množstvo kinetickej energie, kým sa táto energia nepremení na teplo (trením), gravitačnú energiu (pôsobením proti gravitácii) alebo iné druhy energie.
2. Určte hmotnosť objektu. Napríklad môžeme merať kinetickú energiu bicykla a cyklistu. Predpokladajme, že cyklista má hmotnosť 50 kg a bicykel má hmotnosť 20 kg. To predstavuje celkovú hmotnosť m 70 kg. Teraz s nimi môžeme zaobchádzať ako s 1 predmetom o hmotnosti 70 kg, pretože sa pohybujú spolu rovnakou rýchlosťou.
3. Vypočítajte rýchlosť. Ak už poznáte rýchlosť alebo vektorovú rýchlosť cyklistu, zapíšte si ju a pokračujte ďalej. Ak to stále potrebujete vypočítať, použite jednu z metód uvedených nižšie. Týka sa to rýchlosti, nie rýchlosti vektora (čo je rýchlosť v určitom smere), aj keď písmeno je často v používa sa na rýchlosť. Ignorujte akékoľvek zákruty, ktoré cyklista urobí, a predstierajte, že celá vzdialenosť je v priamke.
   • Ak sa cyklista pohybuje konštantnou rýchlosťou (bez akcelerácie), zmerajte vzdialenosť, ktorú cyklista prešiel, a vydelte ho počtom sekúnd, ktoré táto vzdialenosť prekonala. Týmto sa vypočíta priemerná rýchlosť, ktorá je v tomto scenári rovnaká ako rýchlosť v danom okamihu.
   • Ak sa cyklista pohybuje konštantným zrýchlením a nemení smer, vypočítajte jeho aktuálnu rýchlosť t so vzorcom „rýchlosť (čas t) = (zrýchlenie) (t) + počiatočná rýchlosť. Čas je v sekundách, rýchlosť v metroch za sekundu a zrýchlenie v m / s.
4. Do nasledujúceho vzorca zadajte nasledujúce čísla. Kinetická energia = (1/2)m "v. Napríklad, ak sa cyklista pohybuje rýchlosťou 15 m / s, potom jeho kinetická energia je K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newtonmetrov = 7875 joulov.
   • Vzorec pre kinetickú energiu možno odvodiť z definície práce, W = FΔs a rovnice v = v₀ + 2aΔs. Δs znamená „posunutie“ alebo tiež prejdenú vzdialenosť.

Metóda 3 zo 4: Výpočet Joule ako elektrickej energie

1. Vypočítajte energiu pomocou výkonu x čas. Výkon je definovaný ako energia spotrebovaná za jednotku času, takže môžeme vypočítať spotrebovanú energiu z výkonu krát časová jednotka. To je užitočné pri meraní výkonu vo wattoch, pretože 1 watt = 1 joule za sekundu. Ak chcete zistiť, koľko energie 60 W žiarovka spotrebuje za 120 sekúnd, vynásobte nasledujúce hodnoty: (60 W) x (120 sekúnd) = 7200 joulov.
   • Tento vzorec sa dá použiť na akýkoľvek druh energie, meraný vo wattoch, ale elektrina je najočividnejšia.
2. Podľa nasledujúcich krokov vypočítajte tok energie v elektrickom obvode. Nasledujúce kroky sú uvedené ako praktický príklad, ale pomocou tejto metódy môžete porozumieť aj teoretickým problémom fyziky. Najskôr vypočítame výkon P pomocou vzorca P = I x R, kde I je prúd v ampéroch a R je odpor v ohmoch. Tieto jednotky nám dávajú výkon vo wattoch, takže od tohto okamihu môžeme na výpočet energie v jouloch použiť vzorec použitý v predchádzajúcom kroku.
3. Vyberte rezistor. Rezistory sú indikované v ohmoch, pričom ich hodnota je uvedená priamo na rezistore, alebo sú indikované radom farebných krúžkov. Môžete tiež vyskúšať odpor pomocou ohmmetra alebo multimetra. V tomto príklade predpokladáme, že odpor, ktorý používame, je 10 ohmov.
4. Pripojte rezistor k zdroju energie (batérii). Použite na to svorky alebo umiestnite rezistor do testovacieho obvodu.
5. Nechajte ním prúdiť určitý čas prúdom. V tomto príklade berieme ako časovú jednotku 10 sekúnd.
6. Zmerajte silu prúdu. Robíte to pomocou prietokomeru alebo multimetra. Prúd väčšiny domácností je v miliampéroch, takže predpokladáme, že prúd je 100 miliampérov, alebo 0,1 ampéra.
7. Použite vzorec P = I x R. Teraz, aby ste našli výkon, vynásobte štvorcový výkon prúdu odporom. Takto získate výkon tohto obvodu vo wattoch. Druhá mocnina 0,1 dáva 0,01. Vynásobte to číslom 10 a získate výstupný výkon 0,1 W alebo 100 MW.
8. Vynásobte silu uplynutým časom. To poskytuje energiu v jouloch. 0,1 wattu x 10 sekúnd sa rovná 1 joulu elektrickej energie.
   • Pretože Joule je malá jednotka a keďže spotreba energie spotrebičov sa zvyčajne uvádza vo wattoch, milwattoch a kilowattoch, je často pohodlnejšie vypočítať počet kWh (kilowatthodín) spotrebovaných zariadením. 1 watt sa rovná 1 joulu za sekundu alebo 1 joul sa rovná 1 wattu za sekundu; jeden kilowatt sa rovná 1 kilojoulu za sekundu a jeden kilojoule sa rovná 1 kilowattu za sekundu. K dispozícii je 3 600 sekúnd za hodinu, takže 1 kilowatthodina sa rovná 3 600 kilowatt-sekundám, 3 600 kilojoulov alebo 3 600 000 joulov.

Metóda 4 zo 4: Výpočet tepla v jouloch

1. Určte hmotnosť objektu, ku ktorému sa dodáva teplo. Použite na to váhy alebo váhy. Ak je predmetom tekutina, najskôr odvážte prázdnu nádobu, do ktorej tekutina vojde. Toto budete musieť odčítať od hmotnosti nádoby a kvapaliny spolu, aby ste našli hmotnosť kvapaliny. V tomto príklade predpokladáme, že objekt je 500 gramov vody.
   • Používajte gramy, nie inú jednotku, inak nebude výsledok uvedený v jouloch.
2. Určte merné teplo objektu. Tieto informácie nájdete v príručkách o chémii v odbore binas, ale nájdete ich tiež online. Toto je špecifické teplo pre vodu c sa rovná 4,19 joulu na gram pre každý stupeň Celzia - alebo 4,1855, ak chcete byť veľmi presní.
   • Špecifické teplo sa mierne líši v závislosti od teploty a tlaku. Rôzne organizácie a učebnice používajú rôzne „štandardné teploty“, takže pre konkrétne teplo vody ich môžete nájsť až 4 179.
   • Môžete tiež použiť Kelvin namiesto Celzia, pretože 1 stupeň je pre oba pokrmy rovnaký (ohrievanie na 3 ° C je rovnaké ako pri 3 Kelvinoch). Nepoužívajte Fahrenheita, inak nebude výsledok vyjadrený v jouloch.
3. Určte aktuálnu teplotu objektu. Ak je predmetom kvapalina, môžete použiť bežný (ortuťový) teplomer. Pre ďalšie predmety môžete potrebovať teplomer so sondou.
4. Predmet zahrejte a znova zmerajte teplotu. To vám umožní zmerať množstvo tepla, ktoré bolo do objektu pridané počas ohrievania.
   • Ak chcete poznať celkové množstvo energie uloženej vo forme tepla, môžete predstierať, že počiatočná teplota bola absolútne nula: 0 Kelvinov alebo -273,15 ° C.
5. Odpočítajte pôvodnú teplotu od teploty po zahriatí. Výsledkom je zmena teploty objektu. Za predpokladu, že voda mala spočiatku 15 stupňov Celzia a po zahriatí 35 stupňov Celzia, je zmena teploty teda 20 stupňov Celzia.
6. Vynásobte hmotnosť objektu špecifickým teplom a zmenou teploty. Tento vzorec píšete ako H =mcΔT., kde ΔT predstavuje „zmenu teploty“. V tomto príklade to bude 500 g x 4,19 x 20 = 41 900 joulov.
   • Teplo sa všeobecne vyjadruje v kalóriách alebo kilokalóriách. Kalória je definovaná ako množstvo tepla potrebné na to, aby sa 1 gram vody zvýšil o 1 stupeň Celzia, zatiaľ čo kilokalória (alebo kalória) je množstvo potrebné na zvýšenie teploty 1 kilogramu vody o 1 stupeň Celzia. ... V príklade uvedenom vyššie si zvýšenie teploty 500 gramov vody o 20 stupňov Celzia vyžaduje 10 000 kalórií alebo 10 kilokalórií.

Tipy

• S joulom súvisí ďalšia jednotka práce a energie nazývaná erg; 1 erg sa rovná 1 sile dynu krát vzdialenosť 1 cm. Jeden joule sa rovná 10 000 000 erg.

Varovania

• Aj keď výrazy „joule“ a „newton meter“ označujú tú istú jednotku, v praxi sa „joule“ používa na označenie akejkoľvek formy energie a na prácu vykonávanú po priamke, ako napríklad v príklade lezenia po schodoch vyššie. Ak sa použije na výpočet krútiaceho momentu (sily na rotujúci predmet), uprednostňujeme výraz "Newton meter".

Nevyhnutnosť

Výpočet práce alebo kinetickej energie:

• Stopky alebo časovač
• Váhy alebo rovnováha
• Kalkulačka s kosínusovou funkciou (iba pre prácu, nie vždy nutná)

Výpočet elektrickej energie:

• Odpor
• Drôty alebo testovacia doska
• Multimetr (alebo ohmmeter a merač prúdu)
• Fahnestock alebo aligátorské klipy

Teplo:

• Objekt, ktorý sa má ohriať
• Zdroj tepla (napríklad Bunsenov horák)
• Teplomer (kvapalinový teplomer alebo teplomer so sondou)
• Chémia / referenčná chémia (na zistenie špecifického tepla vykurovaného objektu)