Content

• Per trepitjar
• Mètode 1 de 4: càlcul del treball en joules
• Mètode 2 de 4: càlcul de l'energia cinètica en joules
• Mètode 3 de 4: calcular el Joule com a energia elèctrica
• Mètode 4 de 4: càlcul de la calor en joules
• Consells
• Advertiments
• Necessitats

El joule (J), que porta el nom del físic anglès James Edward Joule, és una de les unitats més importants del sistema mètric internacional. El joule s’utilitza com a unitat de treball, energia i calor i s’utilitza àmpliament en ciència. Si voleu que la vostra resposta estigui en joules, utilitzeu sempre les unitats científiques estàndard.

Per trepitjar

Mètode 1 de 4: càlcul del treball en joules

1. La definició de treball. El treball es defineix com una força constant aplicada a un objecte per moure’l a una distància determinada. Si no s'aplica més d'una força, es pot calcular com a poder X distància, i es pot escriure en unitats de joules (equivalent a un "metre de Newton"). En el nostre primer exemple, prenem una persona que vol afegir un pes des del terra fins a l’alçada del pit i calculem quanta feina ha fet aquesta persona.
   • La força s’ha d’aplicar en la direcció del moviment. Quan es manté un objecte i es camina cap endavant, no es treballa l'objecte perquè no està empenyent l'objecte en la direcció del seu moviment.
2. Determineu la massa de l'objecte que es mou. La massa d’un objecte és necessària per calcular la força necessària per moure’l. En el nostre exemple, afirmem que el pes té una massa de 10 kg.
   • No utilitzeu lliures ni altres unitats que no siguin estàndard o la resposta final no estarà en joules.
3. Calculeu la força. Força = massa x acceleració. En el nostre exemple, aixecant un pes cap amunt, l’acceleració que intentem superar és igual a la gravetat, 9,8 m / s cap avall. Calculeu la força necessària per aixecar el pes fent servir (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newtons (N).
   • Si l'objecte es mou horitzontalment, la gravetat és irrellevant. En lloc d'això, el problema us pot fer calcular la força necessària per superar la resistència a la fricció. Si es dóna quina és l’acceleració de l’objecte quan s’empeny, es pot multiplicar l’acceleració donada per la massa.
4. Mesureu la distància que s’està movent l’objecte. En aquest exemple, suposem que el pes s’eleva 1,5 metres (m). La distància s’ha de mesurar en metres, en cas contrari la resposta final no es podrà registrar en Joules.
5. Multiplicar la força per la distància. Per aixecar un pes de 98 Newton 1,5 metres, haureu de fer 98 x 1,5 = 147 Joules de treball.
6. Calculeu la mà d'obra dels objectes que es mouen en un angle. El nostre exemple anterior va ser senzill: algú va aplicar una força cap amunt sobre l'objecte i l'objecte va pujar. De vegades, la direcció de la força i el moviment de l’objecte no són gaire iguals, perquè hi actuen múltiples forces. En el següent exemple, calcularem quants Joules es necessita per arrossegar un trineu de 25 metres per la neu estirant una corda unida al trineu amb un angle de 30º respecte a l'horitzontal. Es manté el següent: treball = força x cos (θ) x distància. El "símbol" és la lletra grega "theta" i representa l'angle entre la direcció de la força i la direcció del moviment.
7. Determineu la força total aplicada. En aquest problema diem que algú estira la corda amb una força de 10 Newtons.
   • Si ja s'ha donat una força "cap a la dreta", "cap amunt" o "en la direcció del moviment", es calcula la "força x cos (") "i podeu procedir a multiplicar els valors.
8. Calculeu la força rellevant. Només una part de la força fa tirar el carro cap endavant. Com que la corda està inclinada, la força restant intenta aixecar el carro, contrarestant la gravetat. Calculeu la força en la direcció del moviment:
   • En el nostre exemple, l’angle θ entre el terra i la corda és de 30º.
   • Calculeu cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = aproximadament 0,866. Podeu utilitzar una calculadora per trobar aquest valor, però assegureu-vos que la calculadora utilitzi la unitat correcta tal com s’especifica l’angle (graus o radians).
   • Multiplicar la força total x cos (θ). En el nostre exemple, 10N x 0,866 = 8,66 N en la direcció del moviment.
9. Multiplicar la força x la distància. Ara que sabem quanta força s’està aplicant en la direcció del moviment, podem calcular el treball com és habitual. El nostre problema ens indica que el carro s’ha remolcat 20 metres cap endavant, de manera que calculem 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de treball.

Mètode 2 de 4: càlcul de l'energia cinètica en joules

1. Comprendre una mica d’energia cinètica. L’energia cinètica és la quantitat d’energia en forma de moviment. Com passa amb qualsevol forma d’energia, es pot expressar en Joules.
   • L’energia cinètica és igual a la quantitat de treball realitzat per accelerar un objecte estacionari a una velocitat determinada. Una vegada que s’aconsegueix aquesta velocitat, l’objecte conserva aquesta quantitat d’energia cinètica fins que aquesta energia es converteix en calor (per fricció), energia gravitatòria (en contra de la gravetat) o altres tipus d’energia.
2. Determineu la massa de l’objecte. Per exemple, podem mesurar l’energia cinètica d’una bicicleta i d’un ciclista. Suposem que el ciclista té una massa de 50 kg i que la bicicleta té una massa de 20 kg. Això suma una massa total m de 70 kg. Ara els podem tractar junts com a 1 objecte de 70 kg, perquè es mouen junts a la mateixa velocitat.
3. Calculeu la velocitat. Si ja coneixeu la velocitat del ciclista o la velocitat vectorial, escriviu-la i continueu. Si encara cal calcular-ho, utilitzeu un dels mètodes següents. Això es refereix a la velocitat, no a la velocitat vectorial (que és la velocitat en una direcció determinada), tot i que la lletra és sovint v s’utilitza per a la velocitat. No feu cas a les voltes que fa el ciclista i fingiu que tota la distància es troba en línia recta.
   • Si el ciclista es mou a una velocitat constant (sense acceleració), mida la distància recorreguda pel ciclista i divideix-la pel nombre de segons que ha trigat a recórrer aquesta distància. Es calcula la velocitat mitjana, que en aquest escenari és la mateixa que la velocitat en cada moment.
   • Si el ciclista es mou a una acceleració constant i no canvia de direcció, calculeu la seva velocitat en aquell moment t amb la fórmula 'velocitat (temps t) = (acceleració) (t) + velocitat inicial. El temps és en segons, la velocitat en metres / segon i l’acceleració en m / s.
4. Introduïu els números següents a la fórmula següent. Energia cinètica = (1/2)m "v. Per exemple, si el ciclista es mou a una velocitat de 15 m / s, la seva energia cinètica és K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newton metres = 7875 joules.
   • La fórmula de l’energia cinètica es pot derivar de la definició de treball, W = FΔs, i de l’equació v = v₀ + 2aΔs. Δs fa referència al "desplaçament" o també a la distància recorreguda.

Mètode 3 de 4: calcular el Joule com a energia elèctrica

1. Calculeu l’energia utilitzant la potència x el temps. La potència es defineix com l’energia consumida per unitat de temps, de manera que podem calcular l’energia consumida per la potència multiplicada per la unitat de temps. Això és útil quan es mesura la potència en watts, ja que 1 watt = 1 Joule / segon. Per esbrinar quanta energia consumeix una bombeta incandescent de 60W en 120 segons, multipliqueu el següent: (60 watts) x (120 segons) = 7200 joules.
   • Aquesta fórmula es pot utilitzar per a qualsevol tipus de potència, mesurada en watts, però l’electricitat és la més evident.
2. Seguiu els passos següents per calcular el flux d’energia en un circuit elèctric. Els passos següents es detallen com a exemple pràctic, però també podeu utilitzar aquest mètode per entendre problemes de física teòrica. En primer lloc, calculem la potència P mitjançant la fórmula P = I x R, on I és el corrent en amperes i R és la resistència en ohms. Aquestes unitats ens donen la potència en watts, de manera que a partir d’aquest moment podem aplicar la fórmula utilitzada al pas anterior per calcular l’energia en joules.
3. Trieu una resistència. Les resistències s’indiquen en ohms, amb el seu valor indicat directament a la resistència o indicat per una sèrie d’anells de colors. També podeu provar una resistència amb un ohmímetre o un multímetre. En aquest exemple, suposem que la resistència que estem utilitzant és de 10 ohms.
4. Connecteu la resistència a una font d’energia (bateria). Utilitzeu pinces per a això o col·loqueu la resistència en un circuit de prova.
5. Deixeu que hi circuli un corrent durant un temps determinat. En aquest exemple prenem 10 segons com a unitat de temps.
6. Mesureu la força del corrent. Ho feu amb un mesurador de cabal o un multímetre. La majoria de corrent domèstic és en miliamperis, de manera que suposem que el corrent és de 100 miliamperis o 0,1 amperes.
7. Utilitzeu la fórmula P = I x R. Ara, per trobar la potència, multipliqueu la potència quadrada del corrent per la resistència. Això us proporciona la potència d’aquest circuit en watts. El quadrat de 0,1 dóna 0,01. Multipliqueu-ho per 10 i obtindreu una potència de sortida de 0,1 watts o 100 milliwatts.
8. Multiplicar la potència pel temps transcorregut. Això proporciona l'energia en joules. 0,1 watts x 10 segons equival a 1 joule d’energia elèctrica.
   • Com que el Joule és una unitat petita i, atès que el consum energètic dels aparells s’acostuma a indicar en watts, milliwatts i quilowatts, sovint és més convenient calcular el nombre de kWh (quilowatts hora) consumits per un dispositiu. 1 watt equival a 1 joule per segon o 1 joule equival a 1 watt segon; un quilowatt equival a 1 kilojoule per segon i un quilowatt és igual a 1 quilowatt segon. Hi ha 3.600 segons en una hora, de manera que 1 quilowatt-hora equival a 3.600 quilowatt-segon, 3.600 kilojoule o 3.600.000 joules.

Mètode 4 de 4: càlcul de la calor en joules

1. Determineu la massa de l’objecte al qual s’afegeix calor. Utilitzeu una balança o una balança per a això. Si l’objecte és un líquid, primer peseu el contenidor buit on anirà a parar el líquid. Haureu de restar-ho de la massa del recipient i del líquid junts per trobar la massa del líquid. En aquest exemple suposem que l'objecte és de 500 grams d'aigua.
   • Utilitzeu grams, no una altra unitat, en cas contrari el resultat no es donarà en Joules.
2. Determineu la calor específica de l’objecte. Aquesta informació es pot trobar als llibres de referència sobre química de binas, però també la podeu trobar en línia. Aquesta és la calor específica de l’aigua c equival a 4,19 joules per gram per a cada grau Celsius, o 4,1855, si voleu ser molt precisos.
   • La calor específica varia lleugerament segons la temperatura i la pressió. Diferents organitzacions i llibres de text utilitzen diferents "temperatures estàndard", de manera que podeu trobar fins a 4.179 per a la calor específica de l'aigua.
   • També podeu utilitzar Kelvin en lloc de Celsius, perquè 1 grau és el mateix per a tots dos plats (escalfar alguna cosa amb 3ºC és el mateix que amb 3 Kelvin). No utilitzeu Fahrenheit o el resultat no es donarà en Joules.
3. Determineu la temperatura actual de l’objecte. Si l’objecte és un líquid, podeu utilitzar un termòmetre normal (de mercuri). Per a altres objectes és possible que necessiteu un termòmetre amb una sonda.
4. Escalfeu l’objecte i torneu a mesurar la temperatura. Això us permet mesurar la quantitat de calor que s'ha afegit a un objecte durant l'escalfament.
   • Si voleu conèixer la quantitat total d’energia emmagatzemada en forma de calor, podeu pretendre que la temperatura inicial era zero absoluta: 0 Kelvin o -273,15ºC.
5. Resteu la temperatura original de la temperatura després de l’escalfament. Això dóna al resultat el canvi de temperatura de l'objecte. Suposant que l’aigua inicialment tenia 15 graus centígrads i després de l’escalfament de 35 graus centígrads, el canvi de temperatura és, per tant, de 20 graus centígrads.
6. Multiplicar la massa de l'objecte per la calor específica i el canvi de temperatura. Escriviu aquesta fórmula com a H =mcΔT., on ΔT representa el "canvi de temperatura". En aquest exemple, es converteix en 500 g x 4,19 x 20 = 41.900 joules.
   • La calor s’expressa generalment en calories o quilocalories. Una caloria es defineix com la quantitat de calor necessària per fer que 1 gram d’aigua augmenti la temperatura un grau centígrad, mentre que una quilocaloria (o caloria) és la quantitat de calor necessària per elevar la temperatura d’1 quilogram d’aigua en 1 grau centígrad. . A l'exemple anterior, augmentar la temperatura de 500 grams d'aigua en 20 graus centígrads requereix 10.000 calories o 10 quilocalories.

Consells

• Relacionat amb el joule hi ha una altra unitat de treball i energia anomenada erg; 1 erg és igual a 1 força dínica vegades una distància d'1 cm. Un joule equival a 10.000.000 erg.

Advertiments

• Tot i que els termes "joule" i "newton meter" fan referència a la mateixa unitat, a la pràctica el "joule" s'utilitza per indicar qualsevol forma d'energia i per al treball realitzat en línia recta, com en l'exemple de pujar escales anteriors. Quan s’utilitza per calcular el parell (força sobre un objecte en rotació), preferim el terme "Newton meter".

Necessitats

Càlcul de treball o energia cinètica:

• Cronòmetre o temporitzador
• Balança o equilibri
• Calculadora amb funció cosinus (només per a la feina, no sempre necessària)

Càlcul de l'energia elèctrica:

• Resistència
• Cable o una placa de proves
• Multímetre (o un ohmímetre i un mesurador de corrent)
• Clips Fahnestock o de caimà

Calor:

• Objecte a escalfar
• Font de calor (com ara un cremador Bunsen)
• Termòmetre (un termòmetre de líquid o termòmetre amb sonda)
• Referència química / química (per trobar la calor específica de l’objecte que s’escalfa)