Количество теплоты тока: Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.

Закон Джоуля-Ленца | 8 класс

Содержание

При прохождении тока по проводнику, можно наблюдать его различные действия: тепловое, химическое, магнитное или световое. Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой он протекает, нагревается. Оно может проявляться как в твердых телах, так в жидкостях и газах.

На данном уроке мы более подробно рассмотрим именно тепловое действие тока, разберем физику происходящих процессов и познакомимся с законом Джоуля-Ленца. Этот закон позволит нам узнать, какие проводники нагреваются больше других и от чего зависит количество энергии, которое идет на нагрев.

Нагревание проводника при прохождении по нему электрического тока

Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

При прохождении электрического тока по проводнику его температура увеличивается — он нагревается. Что при этом происходит внутри проводника?

Под действием электрического поля в металлическом проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны начинают упорядоченно двигаться. При этом сохраняется и хаотичность их движения. 

При таком движении они (свободные электроны) взаимодействуют с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки проводника. В ходе этого взаимодействия свободные электроны передают ионам свою кинетическую энергию. Например, это происходит при соударении с ними.

Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. Его температура увеличивается.

При протекании электрического тока по проводнику его внутренняя энергия увеличивается.

В растворах солей, кислот, щелочей свободными заряженными частицами являются ионы. Они также будут взаимодействовать с атомами вещества.

{"questions":[{"content":"Увеличение температуры проводника, через который проходит электрический ток, говорит на о том, что[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["его внутренняя энергия увеличивается","его внутренняя энергия уменьшается","его электрическая энергия уменьшается","проводник является металлическим"],"explanations":["","","В процессе прохождения тока по проводнику происходит превращение энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.  Сам проводник не обладает никакой электрической энергией.","Нагревание свойственно не только металлическим проводникам."],"answer":[0]}}}]}

От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током?

Электрический ток проходит по проводнику. Он нагревается. При этом он контактирует с окружающей средой, а не находится в вакууме. По этой причине проводник начинает выделять некоторое количество теплоты $Q$. То есть проводник взаимодействует с окружающей средой посредством теплопередачи.

Заглянув внутрь проводника и объяснив его нагревание, мы можем предположить, что количество теплоты зависит как минимум от двух величин: от сопротивления и от силы тока.

Давайте разберемся, почему мы выбрали именно эти величины.

1. Сопротивление
   Чем больше сопротивление проводника, тем больше он препятствует прохождению электрического тока. Значит, тем сильнее ионы в металле взаимодействуют со свободными электронами и тем больше энергии они получают. Значит, при прохождении тока по проводнику с большим сопротивлением должно выделяться большое количество теплоты. Мы предполагаем, что сопротивление проводника прямо пропорционально выделяемому количеству теплоты.
2. Сила тока
   Сила тока рассчитывается по формуле: $I = \frac{q}{t}$. Получается, что чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Значит, происходит и больше столкновений с ионами и атомами проводника. Следовательно, тем больше количество теплоты, которое выделится при прохождении электрического тока по проводнику.

{"questions":[{"content":"Нагретый током проводник при взаимодействии с окружающей средой[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["выделяет некоторое количество теплоты","получает некоторое количество теплоты","никак не участвует в теплообмене"],"explanations":["","Обратите внимание, что нагрев проводника происходит за счет увеличения его внутренней энергии, а не за счет сообщения ему какого-то количества тепла. ",""],"answer":[0]}}}]}

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Давайте опытным путем подтвердим наше первое предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из двух нагревателей и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Нагреватели у нас имеют одинаковые размеры, но сделаны из разных материалов. Соответственно, они имеют различные сопротивления $R_1$ и $R_2$. При этом $R_1 > R_2$.

Опустим нагреватели в калориметры (приборы для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды. Начальная температура воды в обоих сосудах тоже одинакова.

Замкнем цепь. Теперь через нагреватели течет электрический ток (рисунок 1). Сила тока в них одинакова, потому что они соединены последовательно.

Рисунок 1. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Мы увидим, что вода нагреется быстрее в первом калориметре. Это значит, что она получила большее количество теплоты. Именно в этом калориметре у нас и находится нагреватель с большим сопротивлением $R_1$. Наше предположение подтвердилось.

Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

{"questions":[{"content":"Сопротивление первого проводника составляет $2 \\space Ом$, второго — $4 \\space Ом$. Проводники идентичны друг другу по размеру. Какой из них нагреется сильнее при прохождении по нему электрического тока?[[choice-17]]","widgets":{"choice-17":{"type":"choice","options":["второй","первый","проводники нагреются одинаково"],"explanations":["Чем больше температура проводника, тем большее количество теплоты он выделяет. Это выделяемое количество тепла зависит от сопротивления проводника: оно тем больше, чем больше сопротивление.","",""],"answer":[0]}}}]}

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Теперь проверим наше второе предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из лампы накаливания, реостата, амперметра и источника тока.

Передвигая ползунок реостата, будем постепенно увеличивать силу тока в цепи. Мы увидим, что будет увеличиваться и яркость лампочки (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Получается, что при увеличении силы тока, у нас увеличивается количество теплоты, которые выделяет нить накаливания лампы. Предположение №2 подтверждено.

Чем больше сила тока в проводнике, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

{"questions":[{"content":"Сила тока в проводнике и количество теплоты, которое он выделяет,[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["прямо пропорциональны друг другу","обратно пропорциональны друг другу","не зависят друг от друга"],"explanations":["Чем больше сила тока, тем больше тепла будет выделяться.","",""],"answer":[0]}}}]}

Закон Джоуля-Ленца

Подобные опыты в одно время, но независимо друг от друга проводили двое ученых. 2R (T_2 — T_1)$»],»answer»:[0]}}}]}

Закон сохранения энергии при нагревании проводника током

По закону сохранения энергии мы знаем, что энергия не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда.

Откуда у нас появилась какая-то дополнительная энергия в проводнике, которая пошла на его нагревание? Это энергия электрического поля, созданного источником тока. Если же поле имеет какую-то энергию, то оно может совершить какую-то работу, что и происходит на практике. При этом наш проводник нагревается — получает какое-то количество теплоты (энергии). Получается, что происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию тела.

Если ток производит только тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты будет равно работе электрического тока, совершенной за это время:
$Q = A$.

{"questions":[{"content":"Какое превращение энергии происходит во время нагревания проводника проходящим по нему электрическим током?[[choice-24]]","widgets":{"choice-24":{"type":"choice","options":["Электрическая энергия переходит во внутреннюю","электрическая энергия переходит в механическую","внутренняя энергия переходит в электрическую"],"answer":[0]}}}]}

Математический вывод закона Джоуля-Ленца

Нагревание при прохождении электрического тока происходит в неподвижных металлических проводниках. 2 \cdot 20 \space Ом \cdot 1800 \space с = 900 \space 000 \space Дж = 900 \space кДж$.

Ответ: $Q = 900 \space кДж$.

Упражнение №2

С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте.

Скручивая один проводник с другим, мы получаем утолщенное и уплотненное место их соединения. Сопротивление на таком участке будет больше, чем у самих проводов. А чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла будет выделяться при прохождении по нему электрического тока. Такой участок будет сильно нагреваться.

Спайка же позволяет сделать место соединения проводов более однородным. Это практически не изменяет сопротивления. Таким образом, мы избегаем нагревания проводов в месте их соединения друг с другом.

Упражнение №3

Спираль нагревательного прибора — рефлектора — при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией. 2Rt$.

Спираль раскаляется, а провода — нет. Это означает, что на спирали выделяется намного больше количества теплоты $Q$, чем в проводах. Если сила тока одинакова, значит причина этому — сопротивление $R$.

Поэтому мы делаем вывод, что спираль раскаляется, так как обладает намного большим сопротивлением, чем провода. Такое устройство обуславливается материалами, из которых сделаны спираль и провода. Удельное сопротивление спирали точно больше удельного сопротивления проводов ($R = \frac{\rho l}{S})$. Также провода тоньше спирали. Их площадь поперечного сечения намного меньше площади поперечного сечения спирали нагревательного прибора. Поэтому в проводах выделяется меньшее количество теплоты, чем в спирали.

Что будет с напряжением в такой цепи? Запишем закон Джоуля-Ленца в таком виде: $Q = UIt$. Сказано, что все элементы в этой цепи соединены последовательно. Значит сила тока $I$ во всех ее участках будет одинакова.

Получается, что напряжение на спирали будет больше, чем напряжение на концах проводов. 2}{м}$.

Самым большим сопротивлением будет обладать нихромовая проволока. Она нагреется больше остальных.

Теперь проведем опыт.
Соберем электрическую цепь из трех проволок и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Через какое-то время вы сможете увидеть подтверждение нашим теоретическим выводам. Нихромовая проволока нагреется до белого каления, никелиновая — начнет краснеть (рисунок 4). Медная проволока визуально останется такой же. 

Рисунок 4. Зависимость температуры проволоки от сопротивления

Обратите внимание, что визуально оценить эффект нагревания в таком случае проще, чем пробовать при малых температурах определить на ощупь, какая проволока нагрелась больше или пытаться использовать термометр.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца – конспект урока – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Цели урока:

Образовательная:

• Способствовать формированию у учащихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах.
• Вывести закона Джоуля-Ленца.
• Содействовать в понимании практической значимости данной темы.

Развивающая:

• Развитие интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы)

Воспитательная:

• формирование коммуникативных умений учащихся.
• содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира;

Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация к уроку, источник тока, амперметр, вольтметр, низковольтная лампа на подставке, ключ, соединительные провода, три провода из разного металла, настольная лампа.

Тип урока: Изучение нового материала.

І. Организационный момент

– Здравствуйте, ребята! Я рада вас сегодня видеть на нашем уроке! Посмотрите друг на друга. Улыбнитесь, пошлите друг другу положительные эмоции и начнём урок!

Слайд 2

Эпиграф: 

Науки все глубже постигнуть стремись, 
Познанием вечного жаждой томись. 
Лишь первых познаний блеснет тебе свет, 
Узнаешь: предела для знания нет. 

Фирдоуси 

Учитель: Эти слова по праву можно отнести к разделу «Электрические явления». Было сделано немало открытий, осветивших нашу жизнь в прямом и переносном смысле. А сколько еще вокруг нас осталось не исследованным! Хочется надеяться, что сегодняшний урок разбудит у вас, восьмиклассников, жажду новых познаний и стремление использовать открытые эффекты и закономерности на практике.  

У вас на столе лежат оценочные листки (приложение 1), куда вы будете вносить оценки за все ваши действия, а в конце выставите итоговую оценку за урок. Подпишите их пожалуйста.

II. Мотивация

Мы с вами на прошлом уроке познакомились с двумя новыми величинами электричества: это работа и мощность. Сегодня придём к новому названию одной из величин.

На данном этапе учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать цель урока.

На столе стоит электрическая лампа, учитель включает её. 

Учитель: Ребята попробуйте это объяснить с точки зрения физики. Почему лампочка горит? Почему это происходит?

Учащиеся: Основная часть лампы – спираль из тонкой вольфрамовой проволоки, она нагревается до 3000 °С, при такой температуре достигает белого накала и светится ярким светом и даёт тепло.

Какое действие тока мы здесь с вами наблюдаем?

Разомкнув ключ потрогать лампочку.

Что произошло с лампочкой? (Нагрелась)

Какое действие электрического тока вы наблюдаете? 

Если лампочка долго горит, можно ли её выкрутить голыми руками? Почему?

(Световое и Тепловое)

Здесь мы наблюдаем тепловое действие электрического тока.

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Учащиеся: Электронагревательные приборы: утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, электроплиты, фены и т.д.

Учитель: В промышленности также широко используют тепловое действие электрического тока в паяльниках, сварочных аппаратах.

На столе у меня стоят разные электрические приборы, которыми вы пользуетесь в повседневной жизни,

Что это за приборы? Для чего они нужны? Что ими делают?

Посмотрим характеристики.

Паяльник и утюг нельзя трогать рукой, можно обжечься, а феном мы сушим голову и не испытываем ожога. Почему?

Учитель: А теперь попытаемся сформулировать тему нашего урока. (Ребята рассуждают)

Слайд 2

Итак, мы имеем дело с тепловым действием тока, следовательно, тема сегодняшнего урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца». Записываем тему урока в тетрадь.

Каких целей мы должны сегодня достичь?

Слайд 3

Цели урока:

• объяснить явление нагревания проводников электрическим током;
• установить зависимость выделяющейся при этом тепловой энергии от параметров электрической цепи;
• сформулировать закон Джоуля – Ленца; 
• формировать умение применять этот закон для решения физических задач.

ІІІ.

Актуализация опорных знаний

Фронтальный опрос.

Слайд 4
Вспомним изученный ранее материал:
• Что называют электрическим током? (Упорядоченное движение заряженных частиц)
• Что представляет собой электрический ток в металлах? (Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов)
• Какие действия тока вам известны? (Тепловое, электрическое, магнитное, химическое)
• Какие три величины связывают закон Ома? (I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.).
• Как формулируется закон Ома? (Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)
• Чему равна работа электрического тока на участке цепи? (равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток А = U*I*t )
• Что такое мощность электрического тока? (физическая величина характеризующая быстроту совершения работы электрическим током)
• Что такое электрическое сопротивление? (физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике)
•  От каких величин зависит сопротивление? (длины проводника, площади поперечного сечения, рода вещества) Рассмотреть как зависит сопротивление от длины проводника, площади поперечного сечения.
• При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока? (При последовательном соединении)
•  Закон сохранения и превращения энергии. (Во всех явления, происходящих в природе, энергия не возникает ни откуда и не исчезает бесследно. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.)

Все, что стоит на столе – это потребители электрического тока.

Слайд 5

Потребители электрического тока

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем ты руководствовался, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах? (Тепловое)

Во всех приборах есть нагревательный элемент. А у дрели щётки, они ни чего не нагревают.

IV. Изучение нового материала

Давайте потрем ладошки. Что мы совершаем, когда трём ладошками? (работу). Что мы чувствуем? (тепло). Почему они нагреваются?

(Ребята рассуждают.)

Остановимся на тепловом действии электрического тока. Электрический ток нагревает проводник. Объясняется нагревание тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, щелочей, кислот, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Можно сказать, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Слайд 6

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику.

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов.

Провод – это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника, и следовательно его температура.

А это и значит что, проводник нагревается.

В неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока идёт на увеличение внутренней энергии.

Слайд 7

Переход работы тока в теплоту

• Электроны направленно движутся
• Сталкиваются с ионами
• Передают им часть энергии
• Ионы колеблются быстрее
• Увеличивается внутренняя энергия проводника
• Выделяется теплота
• По закону сохранения и превращения энергии A = Q
Слайд 8

Вывод закона Джоуля – Ленца

А = IUt

A = Q

Q = IUt , U = IR – закон Ома, Q = I*I*R*t, Q = I²Rt

Q = IUt , I = U/R – закон Ома,

Q = U*t*U/R

Q =	U2t
	R

где Q – выделившееся количество теплоты в Джоулях, R – сопротивление в Омах, I – сила тока в Амперах, t – время в секундах.

Единица измерения работы в СИ: Джоуль.

Слайд 9

Исследование зависимости количества выделяемой теплоты от параметров цепи

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи?

Гипотеза 1. Количество теплоты зависит от силы тока в цепи

Гипотеза 2. Количество теплоты зависит от сопротивления проводника

Соблюдайте технику безопасности!

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков.

Деление на группы.

Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока?

Слайд 10

Задания для теоретиков

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления.

При прохождении по спирали электрического чайника ток совершает работу. Вся работа идет на нагревание проводника.

• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 мин., если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 минут, если сопротивление спирали 100 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 10 минут, если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3 А?

Задания для экспериментаторов

По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу лампы.

Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята.

А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt, Q =RI²t

Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований.

Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

По формуле Q = I²Rt, если R = pL/S, сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы.

1 группа: От силы тока в цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь состоящая из источника тока, лампы, ключа, реостата, амперметра, (соединительные провода).

Замкнули цепь и изменяли сопротивление, что наблюдаем?

Что произошло с силой тока?

Как накал лампы зависит от силы тока?

(Чем больше сила тока, тем ярче горит лампочка, а значит больше тепла она выделяет.)

Вывод: количество теплоты зависит от силы тока.

2 группа: От сопротивления цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из 3 последовательно соединенных проводников, одинаковой длины и площади поперечного сечения и различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая), источника тока, ключа, (соединительные провода).

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества (медная, стальная, никелиновая). Все проводники соединены между собой последовательно. Следовательно, сила тока на всех участках цепи одинаковая. Но при включении в цепь все 3 проводника выделили разное количество теплоты.(При отключении цепи с помощью электронного термометра убедились, что температура проводников разная, Больше нагрелся проводник (никелиновый) с большим удельным сопротивлением, меньше всего нагрелся медный проводник, с меньшим удельным сопротивлением ). Медные провода поэтому используют для проводки, ещё алюминиевые, они дешевле.

Вывод: чем больше удельное сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Слайд 11

Вывод: количество теплоты зависит от того, из какого вещества изготовлен проводник, т. е. от удельного сопротивления проводника. Точнее – от электрического сопротивления проводника (R).

Вещество	Удельное сопротивление Ом мм2/м	Нагрев проводника
Медь	0,017	слабый
Сталь	0,1	средний
Никелин	0,42	сильный

Чтобы проводник нагревался сильнее, он должен обладать большим удельным сопротивлением.

Слайд 12

Сделаем вывод.

От чего зависит количество теплоты в проводнике с током?

Вывод: Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике и от его электрического сопротивления.

Закон определяющий тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889 гг.) – английский физик.

Обосновал на опытах закон сохранения энергии.

Установил закон определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры.

Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865) – русский физик.

Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Слайд 13

Решим задачу.

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Дано: R = 35 Ом t = 5 мин I = 5 А _________ Q= ?

Си - 300с —

Решение: Q=I2Rt Q= (5A)2 · 35 Ом · 300 с = 262500Дж = 262,5 кДж Ответ: Q=262,5 кДж

Слайд 14

Формулой Q = I²Rt удобно пользоваться при расчете количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же (I = I₁ = I₂).

Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. 

Т.е. чем больше R, тем больше Q и наоборот.

Припараллельном соединениипроводников ток в них различен, но напряжение на концах цепи одно и то же. И поэтому расчет количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле Q = U²t/R. Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению, то есть чем больше R, тем меньше Q.

Спираль электрической плитки укоротили. Изменится ли от этого накал плитки и как, если ее включить в сеть электрического тока? 

(Накал будет больше.)

Слайд 15

Систематизация знаний

• В чем проявляется тепловое действие тока? (В нагревании проводника)
• Как можно объяснить нагревание проводника с током? (Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию)
• Какие превращения энергии происходят при протекании тока через проводник? (Электрическая энергия превращается во внутреннюю)
• Как по закону Джоуля – Ленца рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике? (Q = I²Rt)

В рабочих картах урока поставьте оценку за урок.

Выяснить, какое количество учащихся поставили себе за урок «5», «4», «3» и ничего не поставили. (Приложение 1).

Сообщение оценки учащимся за работу на уроке

Слайд 16

V. Рефлексия

А сейчас оцени свою деятельность на уроке, и нарисуй свое настроение:

Нарисуй настроение: В левом верхнем углу оценочного листа.

 Своей работой на уроке доволен, чувствовал себя комфортно, настроение после урока хорошее.

 Своей работой на уроке не доволен, чувствовал себя не совсем комфортно, настроение после урока плохое.

 Состояние на уроке безразличное, урок никак не изменил моего эмоционального состояния и настроения.

Слайд 17

Домашнее задание у вас на каточках.

§ 53, Упр. 27 (1-3).

Всё известно вокруг.
Тем не менее, на земле ещё много того,
Что достойно порой удивления
И вашего, и моего.
Удивляйтесь цветам,
Удивляйтесь росе,
Удивляйтесь упругости стали,
Удивляйтесь тому,
Чему люди уже
Удивляться давно перестали!

До свидания! Спасибо за урок!

НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Введение

При протекании тока по проводнику в проводнике выделяется тепловая энергия. Нагревающее действие электрического тока зависит от трех факторов:

• Сопротивление R проводника. Более высокое сопротивление производит больше тепла.
• Время, t, в течение которого протекает ток. Чем больше время, тем больше количество произведенного тепла
• Количество тока, I. Чем выше ток, тем больше количество выделяемого тепла.

Следовательно, эффект нагрева, производимый электрическим током I через проводник с сопротивлением R в течение времени t, определяется формулой H = I ² Rt. Это уравнение называется уравнением Джоуля электрического нагрева.

Электрическая энергия и мощность

Работа, совершаемая при перемещении заряда по электрической цепи, выражается как w.d = VIt

Таким образом, мощность, P = w.d /t = VI

Электрическая мощность, потребляемая электрическим прибором определяется как P = VI = I ² R = V ² /R

Пример


1. Электрическая лампа имеет маркировку 100 Вт, 240 В. Рассчитать:

а) Ток через нить накала, когда лампа работает нормально
б) Сопротивление нити накала, используемого в лампе.

Решение

1. I = P/V = 100/240 = 0,4167 А
2. R = P/I ² = 100/0,4167 ² = 576,04 Ом или R = В ² /P =240 ² /100 = 576 Ом
1. Найдите энергию, рассеиваемую за 5 минут электрической лампочкой с сопротивлением нити накала 500 Ом, подключенной к сети 240 В. { анс. 34 560 Дж }

Решение

E = Pt = V2/R *t = (240 ² *5*60)/500 = 34 560 Дж

1. Для нагрева воды используется погружной нагреватель мощностью 2,5 кВт. Рассчитать:
1. Рабочее напряжение нагревателя, если его сопротивление 24 Ом
2. Электрическая энергия, преобразованная в тепловую энергию за 2 часа.

{ отв. 244,9488 В, 1,8*10 ⁷ J }

Решение

1. P=VI=I ² R

I = (2500/24) ^1/2 =10,2062A

V=IR= 10,2062 * 24 = 244,9488В

1. E = VIt = Pt = 2500*1*610,8*60 7 Дж

ИЛИ E= VIt = 244,9488 * 10,2062 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ J

Электрическая лампочка имеет маркировку 100 Вт, 240 В. Рассчитать:
Ток через нить накала
Сопротивление нити накала лампы.

Раствор

P = VI I = P/V = 100/240 =0,4167A
Из закона Ома V =IR R=V/I =240/0,4167 = 575,95 Ом

Применение нагревательного действия электрического тока

Большинство бытовых электроприборы таким образом преобразуют электрическую энергию в тепловую. К ним относятся лампы накаливания, электронагреватели, электроутюги, электрочайники и т. д.

В осветительных приборах

1. Лампы накаливания — сделаны из вольфрамовой проволоки, заключенной в стеклянную колбу, из которой удален воздух. Это связано с тем, что воздух окисляет нить. Нить нагревается до высокой температуры и раскаляется добела. Вольфрам используется из-за его высокой температуры плавления; 3400 ⁰ Колба заполнена неактивным газом, напр. аргон или азот при низком давлении, что уменьшает испарение вольфрамовой проволоки. Однако одним из недостатков инертного газа является то, что он вызывает конвекционные потоки, которые охлаждают нить накала. Эта проблема сводится к минимуму путем намотки проволоки так, чтобы она занимала меньшую площадь, что снижает потери тепла за счет конвекции.
2. Люминесцентные лампы — эти лампы более эффективны по сравнению с лампами накаливания и служат гораздо дольше. У них в стеклянной трубке есть пары ртути, которые при включении излучают ультрафиолетовое излучение. Это излучение заставляет порошок в трубке светиться (флуоресцировать), т.е. излучать видимый свет. Разные порошки дают разные цвета. Обратите внимание, что люминесцентные лампы дороги в установке, но их эксплуатационные расходы намного ниже.

В электрическом нагреве

1. Электрические плиты — электрические плиты раскаляются докрасна, и выделяемая тепловая энергия поглощается кастрюлей за счет теплопроводности.
2. Электрические обогреватели-радиаторы становятся красными примерно при 900 ⁰ С, а испускаемое излучение направляется в помещение полированными отражателями.
3. Электрочайники — нагревательный элемент размещается на дне чайника так, чтобы нагреваемая жидкость покрывала его. Затем тепло поглощается водой и распределяется по всей жидкости за счет конвекции.
4. Электрические утюги — когда ток проходит через нагревательный элемент, вырабатываемая тепловая энергия передается основанию из тяжелого металла, повышая его температуру. Затем эта энергия используется для глажки одежды. Температуру электроутюга можно регулировать с помощью термостата (биметаллическая планка).

Регулирование теплового потока

Регулирование теплового потока

Тепло всегда течет из области с более высокой температурой в область с более низкой температура. Течет по проводимости , конвекция и излучение . Часто нас интересует регулирование скорости, с которой передается тепловая энергия. Мы можем захотеть сохранить объект в температуры, отличной от температуры окружающей среды в течение длительного времени, путем замедления нисходящий поток тепла. Или мы можем захотеть, чтобы объект быстро остыл, увеличив скорость, с которой передается тепловая энергия. При разработке методов для этого эффективно, мы всегда должны учитывать важность трех различных пути, по которым течет тепло.

---

Ограничение проводимости

Если мы окружим объект с температурой T ₂ слоем материал, чтобы изолировать его от окружающей среды при температуре T ₁ , затем теплопроводность окружающей среды материал определяет, насколько быстро тепло может проходить через него.

• Пусть ΔT = (T ₂ — T ₁ ) будет разностью температура между стороной 2 и стороной 1 слоя материала площадью А.
• Пусть Δx будет толщиной этого слоя.
• Пусть ΔQ/Δt будет количеством тепла, которое течет со стороны 1 на сторону 2 через слой материала в единицу времени. (Отрицательное значение ΔQ/Δt указывает на то, что течет со стороны 2 на сторону 1.)

Теплопроводность К определяется по уравнению ΔQ/Δt = -кА ΔT/Δx.

Теплопроводность:
(ккал/сек)/( ^o См)

Алюминий	4,9*10 -2
Медь	9,2 * 10 -2
Сталь	1,1 * 10 -2
Воздух	5,7*10 -6
Лед	4 * 10 -4
Дерево	2 * 10 -5
Стекло	2 * 10 -4
Асбест	2 * 10 -5

Единица ккал (килокалория) является единицей энергии.
1 ккал = 4186 Дж.

Это уравнение называется законом теплопроводности . ΔQ/Δt это скорость, с которой тепло проходит через площадь А, в джоулях в секунду или Вт. ΔT/Δx — изменение температуры на расстоянии Δx в градусах Кельвина или Цельсия на метр. это температура градиент . Теплопроводность k является свойством материал. Знак минус указывает на то, что тепло движется в противоположном направлении. направление градиента температуры от высокой к низкой температуре сторона.

Для минимизации теплового потока через слой материала за счет проводимость, выбрать правильный материал, сделать слой максимально толстым и сделать площадь поверхности как можно меньше.

Одежда , предназначенная для уменьшения теплового потока следует использовать материалы с низкой теплопроводностью. Одежда должна быть относительно толстые и задерживают воздух, так как воздух является плохим проводником тепла. Материалы не должно содержать металлов, так как металлы являются хорошими теплопроводниками.

Проблема:

Рассчитайте скорость теплового потока (в Дж/с = Вт) за счет проводимости через оконное стекло 2,0 м, умноженное на 3 м площади и толщиной 4 мм, если внутри температура 15 ^o C и температура наружного воздуха -5 ^o C.

Решение:

• Обоснование:
  Скорость теплового потока через материал площадью A и толщиной Δx зависит от теплопроводности k материала. Тепло поступает от сторона высокой к низкой температуре
  ΔQ/Δt = -kA*(T ₂ — T ₁ )/Δx.
• Детали расчета:
  Пусть внутренняя сторона будет стороной 2, а внешняя сторона будет стороной 1.
  = (-2*10 ^-4 )[(ккал/сек)/( ^o Кл м)]*(4186 Дж/ккал)*(2 м * 3 м)*(20 ^o Кл)/(4*10 ^-3 м)
  = -25116 Дж/с = -25 киловатт.
  Знак минус указывает на то, что тепло течет изнутри наружу.

Это огромная скорость теплового потока. Следующая задача показывает, как путем захвата тонкий слой воздуха между двумя слоями стекла позволяет значительно снизить потери тепла за счет теплопроводности.

Проблема:

A Стеклопакет площадью 6 м ² состоит из двух слоев стекла толщиной 4 мм, разделенные воздушным зазором 5 мм. Если внутри находится 15 ^o C, а снаружи -5 ^o C, какова скорость потери тепла через окно? Теплопроводность стекла 0,84 Вт/(м ^или С) а теплопроводность воздуха 0,0234 Вт/(м ^o Кл).

Решение:

• Обоснование:
  Скорость теплового потока через материал площадью A и толщиной Δx зависит от теплопроводности k материала. Тепло поступает от стороны высокой температуры к стороне низкой температуры. Когда достигается стационарное состояние, то такое же количество тепла проходит через любую площадь поперечного сечения в секунду.
• Детали расчета:
  ΔQ/Δt = -kA*(T ₂ — T ₁ )/Δx. Пусть температура внутри граница стекло-воздух составляет T ₁ , а температура внешней граница стекло-воздух будет T ₂ . Затем для внутреннего куска стекла имеем
  -ΔQ/Δt = (0,84 Вт/(м ^o Кл))*6 м ² *(15 ^o С — Т ₁ )/0,004 м.
  Для воздушного слоя имеем
  -ΔQ/Δt = (0,0234 Вт/(м ^o Кл))*6 м ² *(Т ₁ — Т ₂ )/0,005 м.
  Для наружного стекла имеем
  -ΔQ/Δt = (0,84 Вт/(м ^o Кл))*6 м ² *(T ₂ + 5 ^или С)/0,004 м.
  Выход первого и третьего уравнения (15 ^o C — T ₁ ) = (T ₂ + 5 ^o С), Т ₂ = 10 ^o С — Т ₁ .
  Подставляя это выражение для T ₂ во второе уравнение, мы имеем
  -ΔQ/Δt = (0,0234 Вт/(м ^o C)*6 м ² *(2 T ₁ — 10 ^или С)/0,005 м.
  Объединение этого уравнения с первым уравнением дает
  (0,0234 Вт/(м ^o C))*(2 T ₁ — 10 ^или С)/(0,005 м) = (0,84 Вт/(м ^o С))*(15 ^o С — Т ₁ )/(0,004 м).
  0,0223*(2 Т ₁ + 10 ^o С) = 15 ^o С — Т ₁ .
  1,045 Т ₁ = 14,8 ^o C.  T ₁ = 14,1 ^o C.
  Теперь первое уравнение дает ^или С)/0,004 м = 1,1 кВт.

---

Препятствие конвекции

Тепло естественно перетекает из области выше в область выше более низкая температура. В жидкостях более горячая область имеет меньшую плотность, чем более холодная. область, край. Вблизи поверхности земли, где гравитационное ускорение указывает вниз, плавучесть заставляет более горячую жидкость подниматься, создавая конвекцию токи. Скорость теплового потока зависит от теплоемкости и подвижности жидкости, т. е. как быстро тепло поступает в жидкость или выходит из нее и как ну жидкость циркулирует из-за плавучести.

Плавучесть не всегда эффективно перемещает жидкость. Это терпит неудачу, когда жарче жидкость находится над более холодной жидкостью, когда жидкости испытывают большие силы сопротивления или когда геометрия контейнера препятствует потоку жидкости. Можно помочь жидкости двигаться и, следовательно, улучшать теплопередачу за счет перемешивания жидкости. В воздухе, ветер увеличивает теплопередачу (охлаждение ветром) за счет усиления конвекции.

Одежда может уменьшить конвективный теплообмен препятствуя циркуляции жидкости.

• Пушистая одежда задерживает воздух и предотвращает конвекцию (геометрия тащить).
• Толстая одежда позволяет температуре поверхности одежда падает на окружающий воздух и, таким образом, предотвращает внешнее конвекция.
• Ветрозащита минимизирует принудительную конвекцию.

---

Контроль излучения

Частицы, из которых состоит объект, могут иметь упорядоченную энергию и неупорядоченная энергия. Температура является мерой этого внутреннего, неупорядоченная энергия. абсолютная температура любого вещества пропорциональна средней кинетической энергии, связанной со случайным движением вещество.

Скорость частиц с тепловой энергией меняется почти все время. Частицы ускоряются . Атомы и молекулы сами по себе представляют собой сложные соединения заряженных частиц. Ускорение заряженные частицы производят электромагнитное излучение. Излучаемая мощность равна пропорциональна квадрату ускорения. Более высокие скорости изменения скорости приводит к более высокочастотному (более коротковолновому) излучению.

Как мы измеряем интенсивность излучения, испускаемого объектом как функция длины волны при фиксированной температуре?

Экспериментальные задачи:

• Излучение уносит энергию и поэтому охлаждает объект.
• Часть излучения, исходящего от объекта, может быть отражена или пропущена.

Идеальное решение:

Используйте черное тело .   Черное тело — это тело который поглощает все падающее на него излучение. Он не отражает ни излучение. Он достигает теплового равновесия с окружающей средой, и в тепловом равновесие испускает ровно столько радиации, сколько поглощает. Он имеет коэффициент излучения = 1,  Коэффициент излучения измеряет долю лучистая энергия, поглощаемая телом.

Экспериментальная реализация:

Используйте внутреннюю часть большого ящика (духовки) при постоянной температуре Т. С одной стороны прорезано небольшое отверстие. Любое излучение, проникающее через отверстие прыгает внутри и имеет мало шансов когда-либо выбраться снова. В конце концов он впитывается. Излучение, выходящее из отверстия, так же хорошо, как представление излучения от идеального излучателя.

Что наблюдается?

Наблюдаемая интенсивность испускаемого излучения в зависимости от длины волны можно описать законом излучения Планка .

Закон излучения Планка дает интенсивность излучения, испускаемого черным телом как функция длины волны при фиксированной температуре. Закон Планка дает распределения, пик которого приходится на некоторую длину волны. Пик смещается на более короткий длин волн для более высоких температур, и площадь под кривой быстро растет с повышением температуры. На диаграмме ниже показано распределение интенсивности по закону Планка в Дж/(м ² s) для черных тел при различных температура.

Закон Вина и Закон Стефана-Больцмана могут быть вытекает из закона излучения Планка.

Закон Вены дает длина волны пика распределения излучения,

λ _макс. = 3*10 ⁶ /T.

Здесь измеряется λ в единицах нанометра = 10 ^-9 м, а Т в Кельвинах.

Закон Вина может быть основой бесконтактное измерение температуры горячего объекта.
Измеряется распределение длины волны излучения, испускаемого объект и от пика делает вывод о температуре.
Внешняя ссылка: Пирометр с исчезающей нитью

Закон Вина объясняет сдвиг пика к более короткому длины волны при повышении температуры.

Закон Стефана-Больцмана дает полную энергию, излучаемую телом на всех длинах волн.

Излучаемая мощность = коэффициент излучения * σ * T ⁴ * Площадь

Здесь σ – постоянная Стефана-Больцмана ,
 = 5,67*10 ^-8 Вт/(м ² К ⁴ ) и температура измеряется в Кельвинах.

Штефан-Больцман закон объясняет рост высоты кривой как температура повышается. Этот рост очень резкий, так как изменяется как четвертая степень температуры.

Внешняя ссылка: Моделирование PhET: Спектр черного тела

Примеры:

• Температура поверхности Солнца 5800 ^o C = 6073 K.  длина волны пика распределения составляет 494 нм. Этот длина волны лежит в желтой области видимого спектра.
• В лампе накаливания нить нагревается примерно до 2500 ^или С = 2773К. Это максимальная температура, при которой вольфрам нить может стоять без быстрого испарения. По сравнению с солнцем такой нить испускает большую часть своего излучения в инфракрасной области электромагнитный спектр. Длина волны пика распределение составляет 1082 нм. Эта длина волны лежит в инфракрасном области спектра.
• Солнечный свет и свет лампы накаливания содержат все цвета видимый спектр. Но распределение интенсивности по разным цветам равно другой. Солнечный свет кажется ярко-белым, а лампочка кажется желтоватой.

Излучательная способность объекта является отношением мощности излучения, излучаемой этим объектом при температуре T, к радиационной мощность, излучаемая черным телом той же формы и температуры T. Это также равна доле падающего излучения абсолютно черного тела при этой температуре не отражается, а поглощается объектом. Коэффициент излучения объектов функцией температуры T и может быть совершенно разной для видимого и инфракрасная радиация.

Излучательная способность объекта для излучения, испускаемого при высокой температуре источники (видимый свет) легко определить, просто взглянув на объект. Темная поверхность имеет высокотемпературный коэффициент излучения около 1, в то время как белая или блестящая поверхность имеет коэффициент излучения при высоких температурах, близкий к 0. Светлые или отражающие объекты имеют низкий коэффициент излучения. Они поглощают меньший процент входящего видимого излучения, чем делать темные предметы, а также менее охотно излучают радиацию.

Нельзя «увидеть» коэффициент излучения объекта для излучения, испускаемого низкотемпературные источники (инфракрасное излучение). Большинство материалов имеют низкотемпературный коэффициент излучения около 1, но проводящие (металлические) поверхности могут имеют низкотемпературный коэффициент излучения, близкий к 0. Если вы обернете горячий объект отражающей алюминиевой фольгой, фольга отразит большая часть излучения, испускаемого объектом, возвращается обратно на объект. Нагревать Таким образом, потери от излучения замедляются.

Чтобы уменьшить радиационную теплопередачу, используйте низкоэмиссионные поверхности и допускайте внешние поверхности до температуры окружающей среды.

Проблема:

Горящее бревно представляет собой приблизительно черное тело с площадью поверхности 0,25 м ² и температура 800 ^o C. Сколько энергии он излучает в виде теплового радиация?

Решение:

• Обоснование:
  Закон Стефана-Больцмана дает полную энергию, излучаемую телом на всех длинах волн.