Anomenat així pel físic britànic James Edward Joule, el joule (J) és una de les unitats bàsiques del sistema mètric internacional. El joule s’utilitza com a unitat de treball, energia i calor i s’utilitza àmpliament en aplicacions científiques. Si voleu la vostra resposta en joules, assegureu-vos sempre d’utilitzar unitats científiques estàndard. El peu de lliura o la unitat de calor britànica (BTU) encara s’utilitza en alguns camps, però no en els deures de física.
Pas
Mètode 1 de 5: càlcul del treball en Joules
Pas 1. Comprendre el treball en física
Si passeu una caixa per una habitació, heu fet un esforç. Si aixeques la caixa, també has fet un esforç. Hi ha dos criteris importants que han d'existir al "negoci":
- Proporcioneu un estil constant.
- Aquesta força fa que els objectes es moguin en la mateixa direcció que la força.
Pas 2. Comprendre la definició de negoci
L’esforç és fàcil de calcular. Simplement multipliqueu la quantitat de força i la distància total que ha recorregut l'objecte. Normalment, els científics expressen la força en Newtons i la distància en metres. Si utilitzeu aquestes dues unitats, la unitat de treball resultant serà Joules.
Sempre que llegiu una pregunta sobre negocis, atureu-vos a pensar on és l’estil. Si aixequeu la caixa, la premeu cap amunt perquè la caixa es mogui cap amunt. Per tant, la distància que recorre la caixa és la seva elevació. Tanmateix, la propera vegada que camineu cap endavant amb la caixa, no s’esforça en aquest procés. Fins i tot si encara empenyeu la caixa per evitar que caigui, ja no es mou cap amunt
Pas 3. Trobeu la massa de l'objecte que es desplaça
La massa d’un objecte és necessària per calcular la força necessària per moure’l. En el nostre exemple, suposem que la càrrega té una massa de 10 quilograms (kg).
Eviteu utilitzar lliures o altres unitats no estàndards, ja que la vostra resposta final no serà en julis
Pas 4. Calculeu l’estil
Força = massa x acceleració. En el nostre exemple, aixecant el pes cap amunt, l’acceleració que exercim es deu a la gravetat, que en circumstàncies normals accelera l’objecte cap avall a 9,8 metres / seg.2. Calculeu la força necessària per fer pujar la nostra càrrega multiplicant (10 kg) x (9,8 m / s2) = 98 kg m / s2 = 98 newtons (N).
Si l'objecte es mou horitzontalment, la gravetat no té cap efecte. El problema us pot demanar que calculeu la força necessària per resistir la fricció. Si el problema us indica l’acceleració d’un objecte a mesura que s’empeny, podeu multiplicar l’acceleració coneguda per la seva massa
Pas 5. Mesureu el desplaçament recorregut
Per a aquest exemple, suposem que una càrrega s'eleva fins a una alçada d'1,5 metres (m). El desplaçament s’ha de mesurar en metres o la resposta final no serà en julis.
Pas 6. Multiplicar la força pel desplaçament
Per aixecar un pes de 98 newtons d’1,5 metres d’alçada, heu de fer 98 x 1,5 = 147 joules de treball.
Pas 7. Calculeu la feina feta per moure l'objecte amb un angle determinat
El nostre exemple anterior és simple: algú exerceix una força cap endavant sobre un objecte i l'objecte avança. De vegades, la direcció de la força i el moviment de l’objecte no són els mateixos, perquè hi ha diverses forces que actuen sobre l’objecte. En el següent exemple, calcularem el nombre de joules necessaris perquè un nen estiri un trineu de 25 metres per la neu plana estirant la corda cap amunt amb un angle de 30º. Per a aquest problema, treballeu = força x cosinus (θ) x desplaçament. El símbol és la lletra grega theta i descriu l’angle entre la direcció de la força i la direcció del moviment.
Pas 8. Cerqueu la força total aplicada
Per aquest problema, suposem que un nen estira una corda amb una força de 10 newtons.
Si el problema exerceix una força cap a la dreta, una força ascendent o una força en la direcció del moviment, aquestes forces ja representen la porció x cosinus (θ) de la força, i podeu saltar endavant i continuar multiplicant els valors
Pas 9. Calculeu la força corresponent
Només alguns estils tiren el trineu cap endavant. Mentre la corda apunta cap amunt, una altra força intenta tirar-la cap amunt, tirant-la contra la gravetat. Calculeu la força exercida en la direcció del moviment:
- En el nostre exemple, l’angle entre la neu plana 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 les mateixes unitats que la vostra mesura d'angle (graus o radians).
- Multiplicar la força total x cos (θ). En el nostre exemple, 10 N x 0,866 = 8,66 forces en la direcció del moviment.
Pas 10. Multipliqueu la força x el desplaçament
Ara que coneixem la força que avança en la direcció del moviment, podem calcular el treball com sempre. El nostre problema ens indica que el trineu avança 20 metres, així que calculeu 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de treball.
Mètode 2 de 5: càlcul de joules a partir de watts
Pas 1. Comprendre la potència i l'energia
El watt és una unitat de potència o velocitat d’ús d’energia (energia dividida pel temps). Mentre que Joule és una unitat d’energia. Per convertir vats a Joules, heu de determinar el temps. Com més temps flueix el corrent elèctric, major serà l’energia que s’utilitza.
Pas 2. Multipliqueu els watts per segons per obtenir Joules
Un dispositiu d’1 watt consumirà 1 Joule d’energia cada 1 segon. Si multipliqueu el nombre de watts per segons, obtindreu Joules. Per esbrinar quanta energia consumeix una làmpada de 60W en 120 segons, només heu de multiplicar 60 watts x 120 segons = 7.200 Joules.
Aquesta fórmula es pot utilitzar per a qualsevol potència expressada en watts, però generalment en electricitat
Mètode 3 de 5: càlcul de l'energia cinètica en Joules
Pas 1. Comprendre l'energia cinètica
L’energia cinètica és la quantitat d’energia en forma de moviment. Com altres unitats d’energia, l’energia cinètica es pot escriure en joules.
L’energia cinètica és igual a la quantitat de treball realitzat per accelerar un objecte estàtic a una velocitat determinada. Un cop l'objecte assoleixi aquesta velocitat, l'objecte mantindrà una certa quantitat d'energia cinètica fins que l'energia es converteixi en calor (per fricció), energia potencial gravitatòria (en moure's contra la gravetat) o en altres tipus d'energia
Pas 2. Cerqueu la massa de l'objecte
Per exemple, mesurem l’energia cinètica d’una bicicleta i d’un ciclista. Per exemple, el pilot té una massa de 50 kg i la seva bicicleta té una massa de 20 kg, amb una massa total de 70 kg. Ara, considerem els dos com un objecte amb una massa de 70 kg perquè tots dos es mouran a la mateixa velocitat.
Pas 3. Calculeu la velocitat
Si ja coneixeu la velocitat o la velocitat del ciclista, escriviu-la i continueu. Si heu de calcular la velocitat, utilitzeu un dels mètodes següents. Tingueu en compte que busquem velocitat, no velocitat (que és la velocitat en una direcció determinada), tot i que sovint s’utilitza l’abreviatura v. Ignoreu els girs que fa el ciclista i suposeu que tota la distància està recorreguda en línia recta.
- Si el ciclista es mou a una velocitat constant (sense accelerar), mesureu la distància que recorre el ciclista en metres i dividiu-la pel nombre de segons que trigarà a recórrer aquesta distància. Aquest càlcul donarà la velocitat mitjana, que en aquest cas és igual a la velocitat instantània.
- Si el ciclista experimenta una acceleració constant i no canvia de direcció, calculeu la seva velocitat en el moment t utilitzant la fórmula de la velocitat en el temps t = (acceleració) (t) + velocitat inicial. Utilitzeu el segon per mesurar el temps, el metre / segon per mesurar la velocitat i els m / s2 per mesurar l’acceleració.
Pas 4. Connecteu aquests números a la fórmula següent
Energia cinètica = (1/2) m v 2. Per exemple, si un ciclista es mou amb una velocitat de 15 m / s, la seva energia cinètica EK = (1/2) (70 kg) (15 m / s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm2/ s2 = 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 cinemàtica v2 = v02 + 2aΔs. s representa un canvi de posició o distància recorreguda.
Mètode 4 de 5: càlcul de la calor en joules
Pas 1. Cerqueu la massa de l’objecte que s’escalfa
Utilitzeu una balança o una balança de molla per mesurar-la. Si l’objecte és un líquid, primer mesureu el recipient buit on es troba el líquid i trobeu-ne la massa. Cal restar-lo de la massa del recipient més el líquid per trobar la massa del líquid. Per a aquest exemple, suposem que l’objecte és de 500 grams d’aigua.
Utilitzeu grams, no altres unitats, o el resultat no serà en joules
Pas 2. Cerqueu la calor específica de l'objecte
Aquesta informació es pot trobar en referències químiques, tant en forma de llibre com en línia. Per a l’aigua, la calor específica de c és de 4,19 joules per gram per a cada grau Celsius que s’escalfa, o de 4.1855, si necessiteu el valor exacte.
- La calor específica real varia lleugerament en funció de la temperatura i la pressió. Diferents organitzacions i llibres de text utilitzen diferents temperatures estàndard, de manera que és possible que vegeu la calor específica de l’aigua a la llista 4.179.
- Podeu utilitzar Kelvin en lloc de Celsius, perquè la diferència de temperatura és la mateixa per a les dues unitats (escalfar 3ºC equival a escalfar en 3 Kelvin). No utilitzeu Fahrenheit, ja que els vostres resultats no seran en joules.
Pas 3. Cerqueu la temperatura inicial de l'objecte
Si l’objecte és un líquid, podeu utilitzar un termòmetre de mercuri. Per a alguns articles, és possible que necessiteu un termòmetre de sonda.
Pas 4. Escalfeu l’objecte i torneu a mesurar la temperatura
Això mesurarà el guany de calor de l’objecte durant l’escalfament.
Si voleu mesurar la quantitat total d'energia emmagatzemada com a calor, podeu suposar que la temperatura inicial és zero absoluta: 0 Kelvin o -273,15ºC. Això no és molt útil
Pas 5. Restar la temperatura inicial de la temperatura d’escalfament
Aquesta reducció donarà lloc a un cert grau de canvi de temperatura en l'objecte. Suposant que l’aigua anteriorment tenia 15 graus centígrads i s’escalfava a 35 graus centígrads, la temperatura canvia a 20 graus centígrads.
Pas 6. Multipliqueu la massa de l'objecte per la seva calor específica i per la magnitud del canvi de temperatura
La fórmula s’escriu Q = mc T, on T és el canvi de temperatura. Per a aquest exemple, seria de 500 g x 4, 19 x 20 o 41.900 joules.
La calor s’escriu més sovint en el sistema mètric de calories o quilocalories. Una caloria es defineix com la quantitat de calor necessària per elevar la temperatura d’1 gram d’aigua en un grau centígrad, mentre que una quilocaloria és la quantitat de calor necessària per elevar la temperatura d’1 quilogram d’aigua en un grau centígrad. A l'exemple anterior, augmentar la temperatura de 500 grams d'aigua en 20 graus centígrads us farà consumir 10.000 calories o 10 quilocalories
Mètode 5 de 5: càlcul de joules com a energia elèctrica
Pas 1. Seguiu els passos següents per calcular el flux d'energia en un circuit elèctric
Els passos següents es mostren com a exemples pràctics, però també podeu utilitzar el mètode per entendre problemes físics escrits. En primer lloc, calcularem la potència P mitjançant la fórmula P = I2 x R, on I és el corrent en amperes i R és la resistència en ohms. Aquestes unitats produeixen potència en watts, de manera que a partir d’aquí podem utilitzar la fórmula del pas anterior per calcular l’energia en joules.
Pas 2. Trieu una resistència
Les resistències es mesuren en ohms, amb mides escrites directament o representades per una col·lecció de línies de colors. També podeu provar la resistència d’una resistència connectant-la amb un ohmímetre o un multímetre. Per a aquest exemple, suposem que la resistència és de 10 ohms.
Pas 3. Connecteu la resistència a la font actual
Podeu connectar els cables a la resistència amb un clip Fahnestock o de cocodril, o podeu connectar la resistència a una placa de prova.
Pas 4. Corrent de flux a través del circuit durant un interval de temps determinat
Per a aquest exemple, utilitzarem un interval de 10 segons.
Pas 5. Mesureu la força actual
Feu-ho amb un amperímetre o multímetre. La majoria dels corrents domèstics es mesuren en miliamperis, o milers d’amperes, de manera que suposem que el corrent és de 100 miliamperis o 0,1 amperes.
Pas 6. Utilitzeu la fórmula P = I2 x R.
Per trobar la potència, multipliqueu el quadrat del corrent per la resistència. Això provoca una potència de sortida en watts. El quadrat de 0,1 dóna un resultat de 0,01, multiplicat per 10 dóna una potència de sortida de 0,1 watts o 100 milliwatts.
Pas 7. Multipliqueu la potència pel temps transcorregut
Aquesta multiplicació dóna la producció d'energia en joules. 0,1 watt x 10 segons equival a 1 joule d’energia elèctrica.
