Как найти джоули тепловой энергии

В чём измеряют тепло?

“…- Сколько попугаев в тебе поместится, такой у тебя рост.
– Очень надо! Я не стану глотать столько попугаев!…”

Из м/ф “38 попугаев”

В соответствии с международными правилами СИ (международная система единиц измерения) количество тепловой энергии или количество тепла измеряется в Джоулях [Дж], также существуют кратные единицы килоДжоуль [кДж] = 1000 Дж., МегаДжоуль [МДж] = 1 000 000 Дж, ГигаДжоуль [ГДж] = 1 000 000 000 Дж. и пр. Эта единица измерения тепловой энергии является основной международной единицей и наиболее часто используется при проведении научных и научно-технических расчётов.

Однако, все из нас знают или хотя бы раз слышали и другую единицу измерения количества теплоты (или просто тепла) это калория, а также килокалория, Мегакалория и Гигакалория, что означают приставки кило, Гига и Мега, смотреть пример с Джоулями выше. В нашей стране исторически сложилось так, что при расчёте тарифов за отопление,  будь то отопление электроэнергией, газовыми или пеллетными котлами принято считать стоимость именно одной Гигакалории тепловой энергии.

Так что же такое Гигакалория, килоВатт, килоВатт*час или килоВатт/час и Джоули и как они связаны между собой?, вы узнаете в этой статье.

Итак, основная единица тепловой энергии это, как уже было сказано, Джоуль. Но прежде чем говорить об единицах измерения необходимо в принципе на бытовом уровне разъяснить что такое тепловая энергия и как и для чего её измерять.

Всем нам с детства известно, чтобы согреться (получить тепловую энергию) нужно что-то поджечь, поэтому все мы жгли костры, традиционное топливо для костра – это дрова.  Таким образом, очевидно, при горении топлива (любого: дрова, уголь, пеллеты, природный газ, солярка) выделяется тепловая энергия (тепло).  Но, чтобы нагреть, к примеру, различные объёмы воды требуется разное количество дров (или иного топлива). Ясно, что для нагрева двух литров воды достаточно нескольких пален в костре, а чтобы приготовить полведра супа на весь лагерь, нужно запастись несколькими вязанками дров. Чтобы не измерять такие строгие технические величины, как количество теплоты и теплота сгорания топлива вязанками дров и вёдрами с супом, теплотехники решили внести ясность и порядок и договорились выдумать единицу количества теплоты. Чтобы эта единица была везде одинаковая её определили так: для нагрева одного килограмма воды на один градус при нормальных условиях (атмосферном давлении) требуется 4 190 калорий, или 4,19 килокалории, следовательно, чтобы нагреть один грамм воды будет достаточно в тысячу раз меньше теплоты – 4,19 калории.

Калория связана с международной единицей тепловой энергии – Джоулем следующим соотношением:

1 калория = 4,19 Джоуля.

Таким образом, для нагрева 1 грамма воды на один градус потребуется 4,19 Джоуля тепловой энергии, а для нагрева одного килограмма воды 4 190 Джоулей тепла.

В технике, наряду с единицей измерения тепловой (и всякой другой) энергии существует единица мощности и, в соответствии с международной системой (СИ) это Ватт. Понятие мощности также применимо и к нагревательным приборам. Если нагревательный прибор способен отдать за 1 секунду 1 Джоуль тепловой энергии, то его мощность равна 1 Ватт.  Мощность, это способность прибора производить (создавать) определённое количество энергии (в нашем случае тепловой энергии) в единицу времени. Вернёмся к нашему примеру с водой, чтобы нагреть один килограмм (или один литр, в случае с водой килограмм равен литру) воды на один градус Цельсия (или Кельвина, без разницы) нам потребуется мощность  1 килокалория или 4 190 Дж. тепловой энергии. Чтобы нагреть один килограмм воды за 1 секунду времени на 1 грдус нам нужен прибор следующей мощности:

4190 Дж./1 с. = 4 190 Вт. или 4,19 кВт.

Если мы хотим нагреть наш килограмм воды на 25 градусов за ту же секунду, то нам потребуется мощность в двадцать пять раз больше т.е.

4,19*25 =104,75 кВт.

Таким образом, можно сделать вывод, что пеллетный котёл мощностью 104,75 кВт. нагревает 1 литр воды на 25 градусов за одну секунду.

Раз мы добрались до Ватт и килоВатт, следует и о них словечко замолвить. Как уже было сказано Ватт – это единица мощности, в том числе и тепловой мощности котла, но ведь кроме пеллетных котлов и газовых котлов человечеству знакомы и электрокотлы, мощность которых измеряется, разумеется, в тех же килоВаттах и потребляют они не пеллеты и не газ, а электроэнергию,  количество которой измеряется в килоВатт часах. Правильное написание единицы энергии килоВатт*час (именно, килоВатт умножить на час, а не разделить), запись кВт/час – является ошибкой!

В электрокотлах электрическая энергия преобразуется в тепловую (так называемое, Джоулево тепло), и , если котёл потребил 1 кВт*час электроэнергии, то сколько же он выработал тепла? Чтобы ответить на это простой вопрос, нужно выполнить простой расчёт.

Преобразуем килоВатты  в  килоДжоули/секунды (килоДжоуль в секунду), а часы в секунды: в одном часе 3 600 секунд, получим:

1 кВт*час =[ 1 кДж/с]*3600 c.=1 000 Дж *3600 с = 3 600 000 Джоулей или 3,6 МДж.

Итак,

1 кВт*час = 3,6 МДж.

В свою очередь, 3,6 МДж/4,19 = 0,859 Мкал = 859 ккал = 859 000 кал. Энергии (тепловой).

Теперь перейдём к Гигакалории, цену которой на различных видах топлива любят считать теплотехники.

1 Гкал = 1 000 000 000 кал.

1 000 000 000 кал. = 4,19*1 000 000 000 = 4 190 000 000 Дж.= 4 190 МДж. = 4,19 ГДж.

Или зная, что 1 кВт*час = 3,6 МДж пересчитаем 1 Гигакалорию на килоВатт*часы:

1 Гкал =  4190 МДж/3,6 МДж = 1 163 кВт*часов!

Если прочитав данную статью вы решили, проконсультироваться со специалистом нашей компании по любому вопросу, связанному с теплоснабжением, то вам Сюда!

Источник


Загрузить PDF


Загрузить PDF

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.

  1. Изображение с названием Calculate Joules Step 1

    1

    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:[1]

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

  2. Изображение с названием Calculate Joules Step 2

    2

    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.

    • При решении задач определите направление приложенной силы. Поднимая коробку, сила направлена снизу вверх, но если вы возьмете коробку в руки и пройдете некоторое расстояние, то вы не совершите работу – вы прикладываете силу, чтобы коробка не упала, но под действием этой силы коробка не перемещается.[2]

  3. Изображение с названием Calculate Joules Step 3

    3

    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.

  4. Изображение с названием Calculate Joules Step 4

    4

    Вычислите силу. Сила = масса х ускорение. В нашем примере учитываем ускорение свободного падения, которое равно 9,8 м/с2. Сила, которую нужно приложить, чтобы переместить штангу вверх, равна 10 (кг) х 9,8 (м/с2) = 98 кг∙м/с2 = 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.

  5. Изображение с названием Calculate Joules Step 5

    5

    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.)

  6. Изображение с названием Calculate Joules Step 6

    6

    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.

  7. Изображение с названием Calculate Joules Step 7

    7

    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.[3]

  8. Изображение с названием Calculate Joules Step 8

    8

    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.

  9. Изображение с названием Calculate Joules Step 9

    9

    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.

  10. Изображение с названием Calculate Joules Step 10

    10

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

    Реклама

  1. Изображение с названием Calculate Joules Step 11

    1

    Мощность и энергия. Мощность измеряется в ваттах (Вт) и характеризует скорость изменения, преобразования, передачи или потребления энергии, которая измеряется в джоулях (Дж). Чтобы вычислить энергию (Дж) по данной мощности (Вт), необходимо знать отрезок времени.

  2. Изображение с названием Calculate Joules Step 12

    2

    Для вычисления энергии (Дж) умножьте мощность (Вт) на время (с). Устройство, мощность которого равна 1 Вт, потребляет 1 Дж энергии за каждую 1 с. Например, вычислим энергию, потребляемую лампочкой мощностью 60 Вт в течение 120 секунд: 60 (Вт) х 120 (с) = 7200 Дж[4]

    • Эта формула верна для любой мощности, измеренной в ваттах, но чаще всего применяется в задачах с участием электричества.

    Реклама

  1. Изображение с названием Calculate Joules Step 13

    1

    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.

  2. Изображение с названием Calculate Joules Step 14

    2

    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).

  3. Изображение с названием Calculate Joules Step 15

    3

    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/с2.

  4. Изображение с названием Calculate Joules Step 16

    4

    Подставьте значения в формулу. Кинетическая энергия = (1/2)mv2, 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∙м2/с2 = 7875 Н∙м = 7875 Дж

    • Формула для вычисления кинетической энергии выводится из определения работы (W = FΔs) и кинематического уравнения (v2 = v02 + 2aΔs, где Δs – пройденное расстояние).[5]

    Реклама

  1. Изображение с названием Calculate Joules Step 17

    1

    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.

  2. Изображение с названием Calculate Joules Step 18

    2

    Найдите удельную теплоемкость тела. Ее можно найти в учебнике по химии, физике или в интернете. Удельная теплоемкость воды равна 4,19 Дж/г.[6]

    • 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.

  3. Изображение с названием Calculate Joules Step 19

    3

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

  4. Изображение с названием Calculate Joules Step 20

    4

    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.

  5. Изображение с названием Calculate Joules Step 21

    5

    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.

  6. Изображение с названием Calculate Joules Step 22

    6

    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.

    Реклама

  1. Изображение с названием Calculate Joules Step 23

    1

    Здесь описывается способ вычисления потока энергии в электрической цепи. Приводится практический пример, на основе которого можно решать физические задачи. Для начала вычислим мощность по формуле P = I2 x R, где I – сила тока (А), R –сопротивление (Ом).[7]
     Вы найдете мощность (Вт), при помощи которой можно вычислить энергию (Дж) (смотрите вторую главу).

  2. Изображение с названием Calculate Joules Step 24

    2

    Возьмите резистор. Значение сопротивления (Ом) резистора обозначается числом или маркировкой в виде цветной полосы. Вы также можете определить сопротивление резистора, подключив его к омметру или мультиметру. Например, возьмем резистор с сопротивлением 10 Ом.

  3. Изображение с названием Calculate Joules Step 25

    3

    Подключите резистор к источнику тока. Для этого используйте зажимы «крокодил» или экспериментальный стенд с электрической цепью.

  4. Изображение с названием Calculate Joules Step 26

    4

    В течение определенного времени через цепь пропускайте ток. Например, делайте это в течение 10 с.

  5. Изображение с названием Calculate Joules Step 27

    5

    Определите силу тока. Для этого воспользуйтесь амперметром или мультиметром. Например, сила тока равна 100 мА = 0,1 А.

  6. Изображение с названием Calculate Joules Step 28

    6

    Вычислите мощность (Вт) по формуле P = I2 x R. В нашем примере: Р = 0,12 х 10 = 0,01 х 10 = 0,1 Вт = 100 мВт

  7. Изображение с названием Calculate Joules Step 29

    7

    Перемножьте мощность и время, чтобы найти энергию (Дж). В нашем примере: 0,1 (Вт) х 10 (с) = 1 Дж.

    • Так как 1 джоуль – это небольшое значение, а мощность электроприборов указывается в ваттах, милливаттах и киловаттах, то в жилищно-коммунальной сфере энергию обычно измеряют в киловатт-часах. Если 1 Вт = 1 Дж/с, то 1 Дж = 1 Вт∙с; если 1 кВт = 1 кДж/с, то 1 кДж = 1 кВт∙с. Так как 1 ч = 3600 с, то 1 кВт∙ч = 3600 кВт∙с = 3600 кДж = 3600000 Дж.

    Реклама

Советы

  • В СИ энергия и работа также измеряется в эргах. 1 эрг = 1 дина (единица измерения силы) х 1 см. 1 Дж = 10000000 эрг.

Реклама

Предупреждения

  • Джоуль и ньютон-метр – это единицы измерения работы. В джоулях измеряют энергию и работу, совершенную при движении тела по прямой. Если же тело вращается, применяется единица измерения ньютон-метр.

Реклама

Что вам понадобится

Работа и кинетическая энергия:

  • Секундомер или таймер
  • Весы
  • Калькулятор с функцией косинуса

Электрическая энергия:

  • Резистор
  • Провода или экспериментальный стенд
  • Мультиметр (или омметр и амперметр)
  • Зажимы «крокодил»

Количество теплоты:

  • Нагреваемое тело
  • Источник тепла (например, горелка)
  • Термометр
  • Справочник для определения удельной теплоемкости нагреваемого тела

Об этой статье

Эту страницу просматривали 59 757 раз.

Была ли эта статья полезной?

Источник


Download Article


Download Article

Named for English physicist James Prescott Joule, the joule (J) is one of the cornerstone units of the International metric system. The joule is used as a unit of work, energy, and heat, and is widely used in scientific applications. If you want your answer to be in joules, always make sure to use standard scientific units. The «foot pound» or the «British thermal unit» are still used in some fields, but they have no place in your physics homework.

Formulas

Joules are a unit of energy. Here are formulas for the most common situations where you would calculate energy. As long as you use the SI units listed beneath each formula, your answer will be in joules.

  1. Image titled Calculate Joules Step 1

    1

    Understand what work means in physics. If you push a box across the room, you’ve done work. If you lift it upward, you’ve done work. There are two important qualities that have to be there for «work» to happen:[1]

    • You’re applying constant force.
    • The force is causing the object to move in the direction of the force.

  2. Image titled Calculate Joules Step 2

    2

    Define work. Work is easy to calculate. Just multiply the amount of force used, and the amount of distance traveled. Usually, scientists measure force in Newtons, and distance in meters. If you use these units, your answer will be work in units of Joules.[2]

    • Whenever you read a word problem about work, stop and think where the force is being applied. If you lift a box, you’re pushing upward, and the box is moving up — so the distance is however much it rises. But if you then walk forward holding the box, there’s no work happening at all. You’re pushing upward still, to keep the box from falling, but the box isn’t moving up.[3]

    Advertisement

  3. Image titled Calculate Joules Step 3

    3

    Find the mass of the object being moved. You need to know the mass to figure out how much force you need to move it. For our first example, we’ll use a person lifting a weight from the floor to her chest, and calculate how much work that person exerts on the weight. Let’s say the weight has a mass of 10 kilograms (kg).

    • Avoid using pounds or other non-standard units, or your final answer won’t be in terms of joules.

  4. Image titled Calculate Joules Step 4

    4

    Calculate the force. Force = mass x acceleration. In our example, lifting a weight straight up, the acceleration we’re fighting is due to gravity, which equals 9.8 meters/second2. Calculate the force required to move our weight upward by multiplying (10 kg) x (9.8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 Newtons (N).

    • If the object is being moved horizontally, gravity is irrelevant. The problem may ask you to calculate the force required to overcome friction instead. If the problem tells you how fast the object is accelerating when it is pushed, you can multiply the acceleration given with the mass.

  5. Image titled Calculate Joules Step 5

    5

    Measure the distance being moved. For this example, let’s say the weight is being lifted 1.5 meters (m). The distance must be measured in meters, or your final answer will not be written in Joules.

  6. Image titled Calculate Joules Step 6

    6

    Multiply the force by the distance. To lift a 98 Newton weight 1.5 meters upward, you’ll need to exert 98 x 1.5 = 147 Joules of work.[4]

  7. Image titled Calculate Joules Step 7

    7

    Calculate work for objects moving at an angle. Our example above was simple: someone exerted a force upward on the object, and the object moved upward. Sometimes, the direction of the force and the movement of the object aren’t quite the same, due to multiple forces acting on the object. In the next example, we’ll calculate the amount of Joules needed for a kid to drag a sled 20 meters across flat snow by pulling on a rope angled upward at 30º. For this scenario, Work = force x cosine(θ) x distance. The θ symbol is the Greek letter «theta,» and describes the angle between the direction of force and the direction of movement.[5]

  8. Image titled Calculate Joules Step 8

    8

    Find the total force applied. For this problem, let’s say the kid is pulling on the rope with a force of 10 Newtons.[6]

    • If the problem gives you the «rightward force,» «upward force,» or «force in the direction of motion,» it has already calculated the «force x cos(θ)» part of the problem, and you can skip down to multiplying the values together

  9. Image titled Calculate Joules Step 9

    9

    Calculate the relevant force. Only some of the force is pulling the sled forward. Since the rope is at an angle upward, the rest of the force is trying to yank the sled upward, uselessly pulling against gravity. Calculate the force that applies in the direction of motion:

    • In our example, the angle θ between the flat snow and the rope is 30º.
    • Calculate cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = about 0.866. You can use a calculator to find this value, but make sure your calculator is set to the same unit as your angle measurement (degrees or radians).
    • Multiply the total force x cos(θ). In our example, 10N x 0.866 = 8.66 N of force in the direction of motion.

  10. Image titled Calculate Joules Step 10

    10

    Multiply force x distance. Now that we know how much force is actually going toward the direction of motion, we can calculate work as usual. Our problem tells us the sled moved 20 meters forward, so calculate 8.66 N x 20 m = 173.2 joules of work.[7]

    11. Advertisement

  1. Image titled Calculate Joules Step 11

    1

    Understand power and energy. Watts are a measure of power, or how fast energy is used (energy over time). Joules is a measure of energy. In order to convert from watts to joules, you need to specify a length of time. The longer a current flows, the more energy it uses.

  2. Image titled Calculate Joules Step 12

    2

    Multiply watts by seconds to get joules. A 1 Watt device consumes 1 Joule of energy every 1 second. If you multiply the number of watts by the number of seconds, you’ll end up with joules. To find out how much energy a 60W light bulb consumes in 120 seconds, simply multiply (60 watts) x (120 seconds) = 7200 Joules.[8]

    • This formula works for any form of power measured in watts, but electricity is the most common application.

    3. Advertisement

  1. Image titled Calculate Joules Step 13

    1

    Understand kinetic energy. Kinetic energy is the amount of energy in the form of motion. Like any unit of energy, it can be express in units of Joules.[9]

    • Kinetic energy is equivalent to the amount of work done to accelerate a stationary object to a certain speed. Once it has reached that speed, the object retains that amount of kinetic energy until that energy transforms into heat (from friction), gravitational potential energy (from moving against gravity), or other types of energy.

  2. Image titled Calculate Joules Step 14

    2

    Find the mass of the object. For example, we can measure the kinetic energy of a bicycle & bicyclist. Let’s say the cyclist has a mass of 50 kg, and the cycle has a mass of 20 kg, for a total mass m of 70 kg. We can now treat them as one 70 kg object, since they’ll be traveling together at the same speed.

  3. Image titled Calculate Joules Step 15

    3

    Calculate speed. If you already know the bicyclist’s speed or velocity, just write it down and move on. If you need to calculate it yourself, use one of these methods below. Note that we care about the speed, not the velocity (which is speed in a certain direction), even though the abbreviation v is often used. Ignore any turns the bicyclist makes and pretend all distance traveled is one straight line.[10]

    • If the bicyclist moved at a constant rate (didn’t accelerate), measure the distance the bicyclist traveled in meters, and divide it by the number of seconds it took to move that distance. This will give you the average speed, which in this scenario is the same as the speed at any given moment.
    • If the bicyclist is accelerating at constant acceleration and doesn’t change direction, calculate his speed at time t with the formula «speed at time t = (acceleration)(t) + initial speed. Use seconds to measure time, meters/second to measure speed, and m/s2 to measure acceleration.

  4. Image titled Calculate Joules Step 16

    4

    Enter these numbers into the following formula. Kinetic energy = (1/2)mv2.[11]
     For instance, if the bicyclist is traveling at 15 m/s, its kinetic energy K = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newton meters = 7875 joules.

    • The kinetic energy formula can be derived from the definition of work, W = FΔs, and the kinematic equation v2 = v02 + 2aΔs.[12]
       Δs refers to «change in position,» or the amount of distance traveled.

    5. Advertisement

  1. Image titled Calculate Joules Step 17

    1

    Find the mass of the object being heated. Use a balance or spring scale for this. If the object is a liquid, first weigh the empty container the liquid will be held in and find its mass. You’ll need to subtract this from the mass of the container and liquid together to find the liquid’s mass. For this example, we’ll assume the object is 500 grams of water.

    • Use grams, not any other unit, or the result will not be in Joules.

  2. Image titled Calculate Joules Step 18

    2

    Find the object’s specific heat capacity. This information can be found in a chemistry reference, either in book form or online. For water, the specific heat capacity c is 4.19 joules per gram for each degree Celsius it is heated – or 4.1855, if you need to be very precise.[13]

    • Specific heat capacity actually varies slightly based on temperature and pressure. Different organizations and textbooks use different «standard temperatures,» so you may see the specific heat capacity of water listed as 4.179 instead.
    • You can use Kelvin instead of Celsius, since a difference in temperature is the same in both units (heating something by 3ºC is the same as heating by 3 Kelvin). Do not use Fahrenheit, or your result will not be in Joules.

  3. Image titled Calculate Joules Step 19

    3

    Find the current temperature of the object. If the object is a liquid, you can use a bulb thermometer. For some objects, you may need a probe thermometer.

  4. Image titled Calculate Joules Step 20

    4

    Heat the object and measure the temperature again. This will let use measure the amount of heat being added to the object during the heat.

    • If you want to measure the total amount of energy stored as heat, you can pretend the initial temperature was absolute zero: 0 Kelvin or -273.15ºC. This is not typically useful.

  5. Image titled Calculate Joules Step 21

    5

    Subtract the original temperature from the heated temperature. This will produce the degrees of temperature change in the object. Assuming the water was originally at 15 degrees Celsius and heated to 35 degrees Celsius, the temperature change would be 20 degrees Celsius.[14]

  6. Image titled Calculate Joules Step 22

    6

    Multiply the mass of the object by its specific heat capacity and by the amount of temperature change. This formula is written H = mcΔT, where ΔT means «change in temperature.»[15]
     For this example, this would be 500g x 4.19 x 20, or 41,900 joules.

    • Heat is more commonly expressed in the metric system in terms of either calories or kilocalories. A calorie is defined as the amount of heat required to raise the temperature of 1 gram of water 1 degree Celsius, while a Kilocalorie (or Calorie) is the amount of heat required to raise the temperature of 1 kilogram of water 1 degree Celsius. In the example above, raising 500 grams of water 20 degrees Celsius would expend 10,000 calories or 10 kilocalories.

    7. Advertisement

  1. Image titled Calculate Joules Step 23

    1

    Use the steps below to calculate energy flow in an electrical circuit. The steps below are written as a practical example, but you can use the method to understand written physics problems as well. First, we’ll calculate the power P using the formula P = I2 x R, where I is the current in amperes (amps) and R is the resistance in ohms.[16]
     These units give us the power in watts, so from there, we’ can use the formula in the previous step to calculate the energy in joules.

  2. Image titled Calculate Joules Step 24

    2

    Choose a resistor. Resistors are rated in ohms, with the rating either labeled directly or indicated with a series of colored bands. You can also test a resistor’s resistance by connecting it to an ohmmeter or multimeter. For this example, we’ll assume the resistor is rated at 10 ohms.

  3. Image titled Calculate Joules Step 25

    3

    Connect the resistor to a current source. Either connect wires to the resistor with Fahnestock or alligator clips, or plug the resistor into a testing board.

  4. Image titled Calculate Joules Step 26

    4

    Run a current through the circuit for a set period of time. For this example, we’ll use a period of 10 seconds.

  5. Image titled Calculate Joules Step 27

    5

    Measure the strength of the current. Do this with an ammeter or a multimeter. Most household current is in milliamperes, or thousandths of an ampere, so we’ll assume the current is 100 milliamperes, or 0.1 ampere.

  6. Image titled Calculate Joules Step 28

    6

    Use the formula P = I2 x R. To find the power, multiply the square of the current by the resistance. This yields the power output in watts. Squaring 0.1 gives 0.01, multiplied by 10, gives a power output of 0.1 watt, or 100 milliwatts.

  7. Image titled Calculate Joules Step 29

    7

    Multiply the power by the amount of time elapsed. This gives the energy output in joules. 0.1 watt x 10 seconds equals 1 joule of electrical energy.

    • As joules are small units, and because appliances commonly use watts, milliwatts, and kilowatts to indicate how much power they use, utilities commonly measure their energy output in kilowatt-hours. One watt equals 1 joule per second, or 1 joule equals 1 watt-second; a kilowatt equals 1 kilojoules per second and a kilojoule equals 1 kilowatt-second. As there are 3,600 seconds in an hour, 1 kilowatt-hour equals 3,600 kilowatt-seconds, 3,600 kilojoules, or 3,600,000 joules.

    8. Advertisement

Add New Question

  • Question

    Hair dryer (1500 W) operated for 5 minutes what’s the amount of electrical energy?

    Community Answer

    1500W = 1500 J/s. 5 minutes = 300 s. Amount of Joules = 300 s * 1500 J/s = 450000 J = 450 kJ.

  • Question

    How do I convert kilojoules into joules?

    Community Answer

    There are 1000 joules per kilojoule. Therefore, multiply the kilojoule value by 1000 to get the joule equivalent value. Example: 4.23 kJ = 4230J.

Ask a Question

200 characters left

Include your email address to get a message when this question is answered.

Submit

Advertisement

  • Related to the joule is another metric unit of work and energy called the erg; 1 erg equals 1 dyne of force times a distance of 1 cm. One joule equals 10,000,000 ergs.

Advertisement

  • Although the terms «joule» and «newton-meter» describe the same unit, in practice «joule» is used when representing any form of energy and for work performed in a straight line, as in the example above of running up a flight of stairs. When used to measure torque, the application of force in rotating an object, the term «newton-meter» is preferred.

Advertisement

Things You’ll Need

Work or Kinetic Energy:

  • Stopwatch or timer
  • Scale or balance
  • Calculator with cosine function (work only, not always needed)

Calculating Electrical Energy:

  • Resistor
  • Wires or test board
  • Multimeter (or separate ohmmeter and ammeter)
  • Fahnestock or alligator clips

Heat:

  • Object to heat
  • Heat source (such as a Bunsen burner)
  • Thermometer (either bulb or probe thermometer)
  • Chemistry reference book (for finding the specific heat capacity of the object being heated)

References

About This Article

Article SummaryX

To calculate heat in joules, start by finding the mass in grams of the object being heated. Then, find the object’s heat capacity in Celsius or Kelvin. Once you have the mass and heat capacity, find the object’s current temperature and its temperature after it’s heated. Next, subtract the original temperature from the heated temperature and multiply the difference by the mass and the heat capacity to find the heat in joules. To learn how to calculate energy or work in joules, keep reading!

Did this summary help you?

Thanks to all authors for creating a page that has been read 557,843 times.

Reader Success Stories

  • Anonymous

    «Just that l got the formula was helpful because many websites don’t have that just very long writing.»

Did this article help you?

Источник

Еще в начале 19-го века британский пивовар и физик по имени Джеймс Джоул продемонстрировал, что тепловая и механическая работа — это две формы одного и того же: энергия. Его открытие принесло ему прочное место в истории науки; сегодня единица измерения энергии и тепла названа в его честь. Вы можете легко рассчитать количество тепла, поглощенного или выделенного объектом, если вы знаете три вещи: его массу, изменение его температуры и тип материала, из которого он сделан.

TL; DR (слишком долго; не читал)

TL; DR

Рассчитайте джоули тепла, поглощенного или выделившегося по формуле:

Тепло = масса объекта × изменение температуры × удельная теплоемкость материала

  1. Найти удельную теплоемкость

    2. Посмотрите удельную теплоемкость вашего материала. Первая ссылка в разделе ресурсов перечисляет удельные теплоемкости обычных твердых веществ; вторая ссылка перечисляет теплоемкости обычных жидкостей. Используйте значение в столбце с единицами кДж / кг К. Обратите внимание, что кДж означает килоджоул, тысяча джоулей, а кг — килограмм, единица массы, а К — Кельвин, единица температуры. Изменение на один градус Кельвина равно изменению на один градус Цельсия.

  2. Найти изменение температуры

    3. Вычтите начальную температуру вашего объекта из его конечной температуры, чтобы найти изменение температуры. Если ваше изменение температуры в градусах Фаренгейта, переведите его в градусы Кельвина, используя следующую формулу:

    (Температура в градусах Фаренгейта — 32) × 5/9 = температура в градусах Цельсия

  3. Выполнить расчет

    4. Умножьте изменение температуры на удельную теплоемкость и массу вашего объекта. Это даст вам тепло, потерянное или приобретенное в джоулях.

    Пример: если 10 килограммов воды нагреваются от 10 градусов Цельсия до 50 градусов Цельсия, сколько энергии (в джоулях) они поглотили?

    Ответ: Удельная теплоемкость воды составляет (примерно) 4, 184 кДж / кг К.

    (10 кг) × (изменение температуры на 40 градусов Цельсия) × (4, 184 кДж / кг К) = 1673, 6 кДж.

Источник

О тепловой энергии простым языком!

Опубликовано 13 Окт 2013
Рубрика: Теплотехника | 117 комментариев

Передача тепловой энергии от огня чайникуЧеловечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,…

…энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.

Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.

Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.

Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!

Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов.  Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!

Количество теплоты при различных физических процессах.

Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.

Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q, подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.

Зависимость температуры от количества подведенной теплоты

1. Твердое тело, имеющее температуру T1, нагреваем до температуры Tпл, затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1.

2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1.

3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп, затрачивая на это количество теплоты равное Q3—Q2.

4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4—Q3.

5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2. При этом затраты количества теплоты составят Q5—Q4. (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)

Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5, переводя вещество через три агрегатных состояния.

Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5, пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до  температуры Т1. Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.

Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.

Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.

Главные формулы теплопередачи.

Формулы очень просты.

Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:

1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:

1.1. При нагревании (охлаждении):

Q=m*c*(Т2—Т1)

Здесь и далее:

m – масса вещества в кг

с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)

1.2. При плавлении (замерзании):

Q=m*λ

λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг

1.3. При кипении, испарении (конденсации):

Q=m*r

r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг

2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:

2.1. При сгорании топлива:

Q=m*q

q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг

2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):

Q=t*I*U=t*R*I^2=(t/R)*U^2

t – время в с

I – действующее значение тока в А

U – действующее значение напряжения в В

R – сопротивление нагрузки в Ом

Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c, λ, r, q) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).

Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:

N=Q/t

Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.

В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…

Условия задачи:

В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)

Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc.

С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице «О блоге». 

Исходные данные:

1. Названия веществ пишем:

в ячейку D3: Сталь

в ячейку E3: Лед

в ячейку F3: Лед/вода

в ячейку G3: Вода

в ячейку G3: Воздух

2. Названия процессов заносим:

в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев

в ячейку F4: таяние

3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем  для стали, льда, воды и воздуха соответственно

в ячейку D5: 460

в ячейку E5: 2110

в ячейку G5: 4190

в ячейку H5: 1005

4. Удельную теплоту плавления  льда λ в Дж/кг вписываем

в ячейку F6: 330000

5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда

в ячейку D7: 3000

в ячейку E7: 20

Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то

в ячейках F7 и G7: =E7=20

Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес

в ячейке H7: =24*15*7*1,23=3100

6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали

в ячейку D8: 60

Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно

в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,7

в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=41,0

в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,4

Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем

в ячейке H8: =D8=60,0

7. Начальную температуру всех веществ T1 в ˚C заносим

в ячейку D9: -37

в ячейку E9: -37

в ячейку F9: 0

в ячейку G9: 0

в ячейку H9: -37

8. Конечную температуру всех веществ T2 в ˚C заносим

в ячейку D10: 18

в ячейку E10: 0

в ячейку F10: 0

в ячейку G10: 18

в ячейку H10: 18

Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.

Программа расчета тепловой энергии и тепловой мощности в Excel

Результаты расчетов:

9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем

для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000=75900

для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000= 1561

для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000= 6600

для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000= 1508

для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000= 171330

Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем

в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900

В ячейках D14, E14, F14, G14, H14,  и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).

10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается

для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60)=21,083

для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60)= 2,686

для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60)= 2,686

для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60)= 2,686

для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60)= 47,592

Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается

в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361

В ячейках D18, E18, F18, G18, H18,  и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.

На этом расчет в Excel завершен.

Выводы:

Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.

При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).

Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.

Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост и понятен.

Ссылка на скачивание файла: raschet-teplovoy-moshchnosti (xls 19,5KB).

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти карту в метро 2033
  • Как найти вирус в телефоне бесплатно
  • Как исправить профлист
  • Как исправить все зубы
  • Как найти батарейку от телефона дома