Džoula likumi — elektriskā siltuma un ideālās gāzes likumi
Džoula likumi: saprotami par elektriskā siltuma rašanos un ideālās gāzes uzvedību—vienkāršas formulas, piemēri un praktiska pielietošana.
Džoula likumi ir divi: pirmais par siltumu, ko rada elektriskā strāva, un otrais par to, kā gāzes enerģija ir saistīta ar spiedienu un tilpumu. Abi likumi ir būtiski gan elektrības tehnoloģijās, gan termodinamikā, un palīdz izprast enerģijas pārvēršanas procesus ikdienā un rūpniecībā.
Džoula pirmais likums — siltuma rašanās, kad plūst strāva
Džoula pirmais likums parāda sakarību starp siltumu, ko rada elektriskā strāva, kas plūst caur vadītāju. To nosauca Džeimsa Preskota Džoula vārdā. Matemātiski tas izsakāms šādi:
Q = I 2 ⋅ R ⋅ t {\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t} 
Šeit:
- Q ir siltuma daudzums (Jūlos, J),
- I ir elektriskā strāva (ampēros, A),
- R ir elektriskā pretestība (omās, Ω),
- t ir laiks (sekundēs, s), cik ilgi strāva plūst.
No šīs formulas viegli izriet arī jaudas izteiksme P = I²R, kur P (vatos, W) ir siltuma rašanās ātrums. Ir arī citas ekvivalentes formas: P = VI = I²R = V²/R un Q = V I t, kur V ir spriegums.
Džoula pirmais likums ir praktiski svarīgs:
- to izmanto apkures ierīcēs (elektriskie radiatori, tvaika plītis, sildītāji);
- tas skaidro enerģijas zudumus elektropārvadē (vadītāju siltuma zudumi);
- no tā izriet drošības apsvērumi — pārmērīga strāva var radīt pārmērīgu sasilšanu, bojājumus vai ugunsbīstamību.
Praktiska piezīme: lai samazinātu zudumus elektropārvadē, izmanto lielāku spriegumu (mazāku strāvu) vai vadus ar zemu pretestību.
Džoula otrais likums — par gāzes iekšējo enerģiju
Džoula otrais likums attiecas uz gāzes iekšējāenerģija. Precīzāk — Džoula eksperimentu rezultāts rāda, ka ideālas gāzes iekšējā enerģija ir atkarīga tikai no temperatūras, nevis tieši no spiediena vai tilpuma. Tātad, ja ideālas gāzes temperatūra nemainās, tās iekšējā enerģija paliek tāda pati, pat ja mainās spiediens vai tilpums (piemēram, gāze tiek brīvi izplesta vakuumā — tā sauktā Džoula ekspansija).
No termodinamikas seko praktiska izteiksme:
- iekšējā enerģija U ir proporcionāla temperatūrai: U = n·Cv·T,
- kur n ir molu skaits, Cv ir molārā siltumietilpība pie nemainīga tilpuma un T temperatūra (kelvinos).
Par piemēru, ideālai monatomiskai gāzei Cv = 3/2·R, tāpēc U = (3/2)·n·R·T. Vielām ar vairāk rotācijas vai vibrācijas pakāpēm (poliatomiskām gāzēm) Cv ir lielāks un atšķiras atkarībā no grādēm brīvības.
Ir svarīgi atšķirt Džoula otro likumu no Džoula–Tomsona efekta (adiabatiskā spiediena samazināšana, kas var mainīt temperatūru). Džoula otrā likuma pamatā bija brīvās ekspansijas eksperimenti, kuros ideālas gāzes temperatūra nemainījās. Reālām gāzēm, īpaši pie augstiem spiedieniem vai zemām temperatūrām, mijiedarbība starp molekulām var radīt novirzes — tad iekšējā enerģija var nedaudz atkaroties arī no tilpuma.
Kopsavilkums un ierobežojumi
- Džoula pirmais likums attiecas uz elektrisko siltumu: Q = I²Rt un no tā izriet P = I²R.
- Džoula otrais likums norāda, ka ideālas gāzes iekšējā enerģija ir funkcija tikai no temperatūras (U = nCvT), tomēr reālām gāzēm šī vienkāršība var ne vienmēr pilnībā spēkoties.
- Abi likumi ir pamatazinātnes rīki — tos izmanto gan inženierijā, gan termodinamikas teorijā, taču praktiskā pielietojumā jāņem vērā materiālu un apstākļu īpatnības.
Džoula likumi ir svarīgi, jo palīdz prognozēt enerģijas pārvēršanu un siltuma veidošanos, veido drošības un konstrukcijas principus elektroierīcēm, kā arī pamato termodinamisku procesu aprakstu ideālajām gāzēm.
Jautājumi un atbildes
J: Kādi ir Džoula likumi?
A: Džoula likumi ir divi fizikas likumi, kas apraksta sakarību starp siltumu, ko rada elektriskā strāva, un to, kā gāzes enerģija ir saistīta ar spiedienu un tilpumu.
Q: Kāds ir pirmais Džoula likums?
A: Džoula pirmais likums parāda sakarību starp siltumu, ko rada elektriskā strāva, kas plūst caur vadītāju. Tas ir parādīts kā Q = I2Rt, kur Q ir siltuma daudzums, I ir elektriskā strāva, kas plūst caur vadītāju, R ir elektriskā pretestība, kas atrodas vadītājā, un t ir laiks, cik ilgi tas notiek.
J: Ko saka Džoula otrais likums?
O: Džoula otrais likums saka, ka ideālas gāzes iekšējā enerģija nemainās, ja mainās tilpums un spiediens, bet mainās, ja mainās temperatūra.
J: Kas bija Džeimss Preskots Džouls?
A: Džeimss Preskots Džouls bija fiziķis, kurš izstrādāja abus šos ar termodinamiku saistītos likumus. Pateicoties viņa darbam pie šiem diviem likumiem, viņa vārds ir saistīts ar tiem.
J: Kāpēc ir svarīgi zināt par Džoula likumiem?
A: Džoula likumu pārzināšana palīdz mums saprast, kā enerģija darbojas dažādās sistēmās, piemēram, elektriskās ķēdēs vai gāzēs, dažādos apstākļos, piemēram, mainoties spiedienam vai temperatūrai. Šī izpratne var palīdzēt mums izstrādāt labākas sistēmas, lai efektīvāk ražotu vai izmantotu enerģiju.
J: Kā mēs varam aprēķināt siltumu, ko rada elektriskā strāva, saskaņā ar Džoula pirmo likumu?
Atbilstoši Džoula pirmajam likumam mēs varam aprēķināt elektriskās strāvas saražoto siltumu, izmantojot šo vienādojumu - Q = I2Rt , kur Q ir siltuma daudzums, I ir elektriskā strāva, kas plūst caur vadītāju, R ir elektriskā pretestība, kas atrodas vadītājā, un t ir laiks, cik ilgi tas notiek.
Meklēt