Энергия джоуль. Что измеряют в джоулях

Джоуль (Дж) – это одна из важнейших единиц измерения в Международной системе единиц (СИ). В джоулях измеряется работа, энергия и количество теплоты. Чтобы представить окончательный результат в джоулях, работайте с единицами измерения, принятыми в СИ. Если в задаче даны другие единицы измерения, конвертируйте их в единицы измерения из Международной системы единиц.

Шаги

Вычисление работы (Дж)

Понятие работы в физике. Если вы передвинете коробку, то вы совершите работу. Если вы поднимите коробку, то вы совершите работу. Чтобы работа была выполнена, необходимо соблюдение двух условий:

• Вы прикладываете постоянную силу.
• Под действием приложенной силы тело перемещается по направлению действия силы.

1. Вычислите работу. Для этого перемножьте силу и расстояние (на которое переместилось тело). В СИ сила измеряется в ньютонах, а расстояние в метрах. Если вы используете эти единицы, полученная работа будет измеряться в джоулях.

   В этом случае все началось на уровне учителей. Это была просто инициатива учителей, оправданная необходимостью увеличить мотивацию студентов к изучению их физики и их эффективности. Программа изменила парадигму, от теоретизированного описательного стиля, специфичного для науки в Румынии, до индуктивного типа, основанного на поддержке учащегося в обнаружении путем расследования и который, как полагают, находится в интересах ребенка.

   Это помогает им приобретать необходимые знания в повседневной жизни, - говорит Негреа. Вот почему нам нужно развивать те навыки, которые мы можем использовать в любых обстоятельствах, - считает учитель. Почему он решил не сдаваться, когда было тяжело? Для моих учеников.

   Найдите массу тела. Она необходима для вычисления силы, которую нужно приложить, чтобы переместить тело. Рассмотрим пример: вычислите работу, совершаемую спортсменом при подъеме (с пола до груди) штанги массой 10 кг.

   • Если в задаче даны нестандартные единицы измерения, конвертируйте их в единицы измерения СИ.

2. Вычислите силу. Сила = масса х ускорение. В нашем примере учитываем ускорение свободного падения, которое равно 9,8 м/с 2 . Сила, которую нужно приложить, чтобы переместить штангу вверх, равна 10 (кг) х 9,8 (м/с 2) = 98 кг∙м/с 2 = 98 Н.

   • Если тело перемещается в горизонтальной плоскости, не учитывайте ускорение свободного падения. Возможно, в задаче потребуют вычислить силу, необходимую для преодоления трения. Если ускорение в задаче дано, просто умножьте его на данную массу тела.

3. Измерьте пройденное расстояние. В нашем примере допустим, что штанга поднимается на высоту 1,5 м. (Если в задаче даны нестандартные единицы измерения, конвертируйте их в единицы измерения СИ.)

   Умножьте силу на расстояние. Для того, чтобы поднять штангу массой 10 кг на высоту 1,5 м, спортсмен совершит работу, равную 98 х 1,5 = 147 Дж.

   Вычислите работу, когда сила направлена под углом. Предыдущий пример был довольно прост: направления силы и движения тела совпадали. Но в некоторых случаях сила направлена под углом к направлению движения. Рассмотрим пример: вычислите работу, совершаемую ребенком, который тянет сани на расстояние 25 м за веревку, имеющую отклонение от горизонтали в 30º. В этом случае работа = сила х косинус (θ) х расстояние. Угол θ – это угол между направлением силы и направлением движения.

   Найдите общую приложенную силу. В нашем примере допустим, что ребенок прикладывает силу, равную 10 Н.

   • Если в задаче сказано, что сила направлена вверх, или вправо/влево, или ее направление совпадает с направлением движения тела, то для вычисления работы просто перемножьте силу и расстояние.

4. Вычислите соответствующую силу. В нашем примере только некоторая часть от общей силы тянет сани вперед. Так как веревка направлена вверх (под углом к горизонтали), другая часть от общей силы пытается приподнять сани. Поэтому вычислите силу, направление которой совпадает с направлением движения.

   • В нашем примере угол θ (между землей и веревкой) равен 30º.
   • cosθ = cos30º = (√3)/2 = 0,866. Найдите это значение при помощи калькулятора; в качестве единицы измерения угла в калькуляторе установите градусы.
   • Умножьте общую силу на cosθ. В нашем примере: 10 х 0,866 = 8,66 Н – это сила, направление которой совпадает с направлением движения.

5. Умножьте соответствующую силу на расстояние, чтобы вычислить работу. В нашем примере: 8,66 (Н) х 20 (м) = 173,2 Дж.

Вычисление энергии (Дж) по данной мощности (Вт)

Вычисление кинетической энергии (Дж)

Кинетическая энергия – это энергия движения. Она может быть выражена в джоулях (Дж).

• Кинетическая энергия эквивалентна работе, совершенной для ускорения неподвижного тела до определенной скорости. Достигнув определенной скорости, кинетическая энергия тела остается постоянной до тех пор, пока не преобразуется в тепло (от трения), гравитационную потенциальную энергию (при движении против силы тяжести) или другие виды энергии.

1. Найдите массу тела. Например, вычислите кинетическую энергию велосипеда и велосипедиста. Масса велосипедиста равна 50 кг, а масса велосипеда равна 20 кг, то есть общая масса тела равна 70 кг (рассматривайте велосипед и велосипедиста как единое тело, так как они будут двигаться в одном направлении и с одной скоростью).

   Вычислите скорость. Если скорость дана в задаче, перейдите к следующему шагу; в противном случае вычислите ее одним из способов, указанных ниже. Обратите внимание, что здесь направлением скорости можно пренебречь; более того, предположим, что велосипедист едет строго по прямой.

   • Если велосипедист ехал с постоянной скоростью (без ускорения), измерьте пройденное расстояние (м) и разделите его на время (с), затраченное на прохождение этого расстояния. Так вы получите среднюю скорость.
   • Если велосипедист ускорялся, а значение ускорения и направление движения не менялись, то скорость в данный момент времени t вычисляется по формуле: ускорение х t + начальная скорость. Время измеряется в секундах, скорость в м/с, ускорение в м/с 2 .

2. Подставьте значения в формулу. Кинетическая энергия = (1/2)mv 2 , где m – масса, v – скорость. Например, если скорость велосипедиста равна 15 м/с, то его кинетическая энергия K = (1/2)(70 кг)(15 м/с) 2 = (1/2)(70 кг)(15 м/с)(15 м/с) = 7875 кг∙м 2 /с 2 = 7875 Н∙м = 7875 Дж

Вычисление количества теплоты (Дж)

Найдите массу нагретого тела. Для этого используйте балансовые или пружинные весы. Если тело – это жидкость, сначала взвесьте пустой контейнер (в который выльете жидкость), чтобы найти его массу. Взвесив жидкость, вычтите из полученного значения массу пустого контейнера, чтобы найти массу жидкости. Например, рассмотрим воду массой 500 г.

• Чтобы результат измерялся в джоулях, масса должна измеряться в граммах.

1. Найдите удельную теплоемкость тела. Ее можно найти в учебнике по химии, физике или в интернете. Удельная теплоемкость воды равна 4,19 Дж/г.

   • Удельная теплоемкость немного меняется с изменением температуры и давления. Например, в некоторых источниках удельная теплоемкость воды равна 4,18 Дж/г (так как разные источники выбирают различные значения «эталонной температуры»).
   • Температура может измеряться в градусах по Кельвину или Цельсию (так как разность двух значений температур будет одинаковой), но не в градусах по Фаренгейту.

2. Найдите начальную температуру тела. Если тело – это жидкость, воспользуйтесь термометром.

   Нагрейте тело и найдите его конечную температуру. Так вы сможете найти количество теплоты, переданной телу при его нагревании.

   • Если вы хотите найти общую энергию, преобразованную в тепло, считайте, что начальная температура тела равна абсолютному нулю (0 по Кельвину или -273,15 по Цельсию). Обычно это не применяется.

3. Вычтите начальную температуру тела из конечной температуры, чтобы найти изменение температуры тела. Например, воду нагревают с 15 градусов по Цельсию до 35 градусов по Цельсию, то есть изменение температуры воды равно 20 градусам по Цельсию.

4. Перемножьте массу тела, его удельную теплоемкость и изменение температуры тела. Формула: H = mcΔT, где ΔT – это изменение температуры. В нашем примере: 500 х 4,19 х 20 = 41,900 Дж

   • Количество теплоты иногда измеряется в калориях или килокалориях. Калории – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды на 1 градус по Цельсию; килокалории – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1 градус по Цельсию. В приведенном выше примере для повышения температуры 500 г воды на 20 градусов по Цельсию потребуется 10000 калорий или 10 ккал.

В 1889 году произошло введение в обращение еще одной единицы измерения, которая стала называться джоулем в честь известного английского ученого-физика Джеймса Джоуля. Он известен своими исследованиями в области термодинамики. С его участием была установлена связь между количеством теплоты, выделяющимся в зависимости от плотности электротока на определенную величину электрического поля.

Труды Джоуля позволили сформировать закон сохранения энергии. Отвечая на вопрос, что измеряется в джоулях, можно определить этой единицей количество работы, которая совершается в процессе перемещения точки приложения силы в количестве одного ньютона на расстояние в один метр в направлении действия приложенной силы. В теории электричества понятие джоуля эквивалентно работе, совершаемой силами в течение 1 секунды с напряжением в 1 вольт, для того чтобы поддержать силу тока в .

Джоуль для измерения физических величин

Энергия по своей сути является физической величиной, отображающей переход материи из одного состояния в другое. Замкнутая физическая система позволяет сохранять энергию ровно столько времени, пока сама система находится в замкнутом состоянии. Это положение представляет собой закон сохранения энергии.

Энергия представлена различными видами. Кинетическая энергия связана со скоростью, которой обладают точки, движущиеся в механической системе. Для потенциальной энергии характерно создание определенных энергетических запасов, позволяющих в дальнейшем получить кинетическую энергию. Эти категории попадают под возможность их измерения в джоулях. Кроме того, существует энергия, связанная с внутренней энергией молекулярных связей. Широко известна ядерная и гравитационная энергия, а также энергия электрического поля.

В процессе механической работы один вид энергии превращается в другой. Данная физическая категория тесно связана с величиной и направлением силы, воздействующей на тело, а также с пространственным перемещением этого тела.

Важнейшим понятием классической термодинамики, измеряемым в джоулях, является теплота. В соответствии с ее первым началом, количество теплоты, получаемое системой, расходуется при совершении работы, которая требуется для противодействия внешним силам. Одновременно в процессе работы изменяется внутренняя энергия. Таким образом, для теплообмена, изменяющего внутреннюю энергию, обязательно совершение механической работы, измеряемой в джоулях.

Джоуль единица измерения

В джоули переводятся многие единицы измерения системы СГС. Одной из таких единиц является эрг, отражающий работу и энергию. Для того чтобы выполнить перевод, количество эргов умножается на 10-7. Так 500 эргов переводятся следующим образом: 500 х 0,0000001 = 0,0005 Дж.

Таким же образом осуществляется перевод в джоули электровольтов (эВ), позволяющий получить лишь приблизительные результаты. В этом случае 1 эВ примерно равняется 1,6 х 10-19Дж. В случае необходимости в джоули переводится работа, выражающаяся в киловатт-часах. Для перевода количество кВт*ч умножается на 3600000. Таким образом, 0,04 кВт*ч составит 144000 Дж или 144 килоджоуля, обозначаемого кДж. Данная формула позволяет получать точные результаты.

Для перевода в джоули число калорий умножается на коэффициент 4,1868. Например, 1000 кал х 4,1868 = 4186,8 Дж. Для термохимической калории такой коэффициент будет равен 4,1840. Таким образом, возможность преобразования внесистемных единиц в джоули значительно облегчает измерения и расчеты.