Džoulo dėsniai: elektros srovės šiluma ir idealių dujų vidinė energija
Sužinokite Džoulo dėsnius: kaip elektros srovė sukuria šilumą ir kaip idealių dujų vidinė energija priklauso nuo temperatūros — aiškiai, su pavyzdžiais.
Džaulio dėsniai yra du pagrindiniai pastebėjimai fiziko J. P. Džulio darbų kontekste: pirmasis apibrėžia elektros srovės skleidžiamos šilumos ryšį su srove, varža ir laiku, o antrasis — kaip idealiųjų dujų vidinėenergija priklauso nuo temperatūros bei nesikeičia vien dėl tūrio ar slėgio pasikeitimų, jei nekinta temperatūra.
Pirmasis Džaulio dėsnis – šiluma, skleidžiama elektros srovės
Pirmasis Džaulio dėsnis parodo, kiek šilumos (energijos) išskiria laidininkas, kuriuo teka elektros srovė. Jis pavadintas Džeimso Preskoto Džulio vardu ir pateikiamas formulėmis:
Q = I 2 ⋅ R ⋅ t {\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t} 
- Kur Q — išskirta šilumos energija (Jouliais, J), I — elektros srovės stipris (amperais, A), R — laidininko elektrinė varža (omais, Ω), t — laikas (sekundėmis, s).
- Iš to seka galia P = I2·R (vatai, W), todėl Q = P·t. Taip pat galima rašyti Q = U·I·t arba Q = U2·t / R, kur U — įtampos kritimas ant laidininko (voltai, V).
Praktinis pavyzdys: jei per varžą teka I = 2 A, varža R = 10 Ω ir srovė teka t = 60 s, tai Q = I2·R·t = 4·10·60 = 2400 J. Tai reiškia, kad per minutę varža išskiria 2400 joulų šilumos.
Pastabos ir apribojimai: realiuose laidininkuose R gali priklausyti nuo temperatūros — šaltesni ar karštesni laidininkai keičia varžą, o tai paveikia šilumos išsiskyrimą. Džaulio dėsnis taikomas tiek nuolatinei, tiek kintamai srovei, jei naudojamos atitinkamos laiko vidurkio arba efektyvios reikšmės.
Antrasis Džaulio dėsnis – vidinė energija idealiųjų dujų
Antrasis Džaulio dėsnis (kartais vadinamas Džoulio eksperimentų išvada) teigia, kad idealiųjų dujų vidinėenergija priklauso tik nuo temperatūros, o ne tiesiogiai nuo tūrio ar slėgio, t. y. keičiantis tūriui ar slėgiui be temperatūros pokyčio (pvz., laisvas išsiplėtimas vakuume) vidinė energija nekinta.
- Matematiškai: U = n·cv·T (iki konstantos), kur n — molių skaičius, cv — molinis vidinio energijos šilumos talpos rodiklis pastoviame tūryje, T — temperatūra (Kelvinais, K).
- Konkrečiam atvejui: monatominiams idealiems dujoms cv = 3/2·R (R — universalioji dujų konstanta 8,314 J·mol−1·K−1), taigi molinė vidinė energija U_m = (3/2)·R·T. Pvz., 1 mol monatominių dujų prie T = 300 K turi U ≈ 1·(3/2)·8,314·300 ≈ 3740 J.
Šis dėsnis grindžiamas Džoulio eksperimentais, kuriuose buvo stebima, kad laisvai išsiplečiant dujoms vakuume (be darbo ir be šilumos mainų) jų temperatūra praktiškai nesikeičia — todėl jų vidinė energija liko pastovi. Tai svarbus idealiosios dujų modelio požymis.
Taikymas, reikšmė ir ribotumai
- Pirmasis Džaulio dėsnis plačiai naudojamas šildytuvų, kaitinimo elementų, saugiklių ir elektros grandinių šiluminių nuostolių skaičiavimui.
- Antrasis dėsnis yra bazinis termodinamikos principas, supaprastinantis dujų šiluminius skaičiavimus (pvz., apskaičiuoti, kiek energijos reikia įkaitinti dujas arba kiek vidinė energija keičiasi keičiant temperatūrą).
- Ribotumai: realios dujos ir medžiagos turi tarpmolekulinius sąveikos potencialus, todėl jų vidinė energija gali priklausyti ir nuo tūrio/slėgio — ypač esant dideliems slėgiams arba žemoms temperatūroms (pvz., kondensacija, kritinė būsena). Taip pat pirmojo dėsnio taikymas reikalauja atsižvelgti į varžos priklausomybę nuo temperatūros ir į galimus šilumos nuostolius į aplinką.
Trumpas santrauka
Pirmasis Džaulio dėsnis (Q = I2·R·t) susieja elektrinės srovės tekėjimo metu išsiskiriančią šilumą su srove, varža ir laiku. Antrasis Džaulio dėsnis teigia, kad idealiųjų dujų vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros (U = n·cv·T) — tai yra svarbus idealios dujų teorijos pagrindas. Abu dėsniai yra praktiškai naudingi, tačiau taikant juos realioms medžiagoms reikia atsižvelgti į papildomas sąlygas ir apribojimus.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Džaulio dėsniai?
Atsakymas: Džaulio dėsniai - tai du fizikiniai dėsniai, nusakantys ryšį tarp elektros srovės generuojamos šilumos ir dujų energijos priklausomybės nuo slėgio ir tūrio.
K: Koks yra pirmasis Džaulio dėsnis?
A: Pirmasis Džaulio dėsnis parodo ryšį tarp šilumos, kurią sukuria laidininku tekanti elektros srovė. Jis pavaizduotas taip: Q = I2Rt, kur Q - šilumos kiekis, I - laidininku tekanti elektros srovė, R - laidininke esanti elektrinė varža, o t - laikas, per kurį tai vyksta.
K: Ką sako antrasis Džaulio dėsnis?
A: Antrasis Džaulio dėsnis sako, kad idealiųjų dujų vidinė energija nekinta, jei keičiasi tūris ir slėgis, bet keičiasi, jei keičiasi temperatūra.
K: Kas buvo Jamesas Prescottas Joule'is?
A: Jamesas Prescottas Joule'is buvo fizikas, sukūręs abu šiuos su termodinamika susijusius dėsnius. Jo darbas kuriant šiuos du dėsnius lėmė tai, kad jo vardas siejamas su šiais dėsniais.
K: Kodėl svarbu žinoti apie Džaulio dėsnius?
A: Žinios apie Džaulio dėsnius padeda suprasti, kaip energija veikia įvairiose sistemose, pavyzdžiui, elektros grandinėse ar dujose, esant skirtingoms sąlygoms, tokioms kaip slėgio ar temperatūros pokyčiai. Šis supratimas gali padėti mums sukurti geresnes sistemas, skirtas efektyviau gaminti ar naudoti energiją.
Klausimas: Kaip pagal pirmąjį Džaulio dėsnį galime apskaičiuoti elektros srovės sukuriamą šilumą?
Atsakymas: Pagal pirmąjį Džoulo dėsnį elektros srovės sukuriamą šilumą galime apskaičiuoti pagal šią lygtį: Q = I2Rt , kur Q - šilumos kiekis, I - elektros srovė, tekanti laidininku, R - laidininke esanti elektrinė varža, o t - laikas, per kurį tai vyksta.
Ieškoti