Inhalt

• Schreiten
• Methode 1 von 4: Berechnung der Arbeit in Joule
• Methode 2 von 4: Berechnung der kinetischen Energie in Joule
• Methode 3 von 4: Berechnung des Joule als elektrische Energie
• Methode 4 von 4: Berechnung der Wärme in Joule
• Tipps
• Warnungen
• Notwendigkeiten

Das nach dem englischen Physiker James Edward Joule benannte Joule (J) ist eine der wichtigsten Einheiten des International Metric System. Das Joule wird als Einheit aus Arbeit, Energie und Wärme verwendet und ist in der Wissenschaft weit verbreitet. Wenn Sie möchten, dass Ihre Antwort in Joule angegeben wird, verwenden Sie immer die wissenschaftlichen Standardeinheiten.

Schreiten

Methode 1 von 4: Berechnung der Arbeit in Joule

1. Die Definition von Arbeit. Arbeit ist definiert als eine konstante Kraft, die auf ein Objekt ausgeübt wird, um es um eine bestimmte Strecke zu bewegen. Wenn nicht mehr als eine Kraft angewendet wird, kann dies als berechnet werden Leistung X. Entfernungund kann in Joule-Einheiten geschrieben werden (entspricht einem "Newtonmeter"). In unserem ersten Beispiel nehmen wir eine Person, die ein Gewicht vom Boden bis zur Brusthöhe hinzufügen möchte, und berechnen, wie viel Arbeit diese Person geleistet hat.
   • Die Kraft muss in Bewegungsrichtung ausgeübt werden. Wenn Sie ein Objekt halten und vorwärts gehen, wird keine Arbeit am Objekt ausgeführt, da Sie das Objekt nicht in Bewegungsrichtung drücken.
2. Bestimmen Sie die Masse des zu bewegenden Objekts. Die Masse eines Objekts wird benötigt, um die Kraft zu berechnen, die erforderlich ist, um es zu bewegen. In unserem Beispiel geben wir an, dass das Gewicht eine Masse von 10 kg hat.
   • Verwenden Sie keine Pfund oder andere Einheiten, die nicht Standard sind, da die endgültige Antwort nicht in Joule angegeben wird.
3. Berechnen Sie die Kraft. Kraft = Masse x Beschleunigung. In unserem Beispiel, wenn Sie ein Gewicht gerade nach oben heben, entspricht die Beschleunigung, die wir zu überwinden versuchen, der Schwerkraft, 9,8 m / s nach unten. Berechnen Sie die zum Anheben des Gewichts erforderliche Kraft mit (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newton (N).
   • Wenn das Objekt horizontal bewegt wird, spielt die Schwerkraft keine Rolle. Stattdessen kann das Problem Sie dazu veranlassen, die Kraft zu berechnen, die zur Überwindung des Reibungswiderstands erforderlich ist. Wenn die Beschleunigung des Objekts beim Schieben angegeben wird, können Sie die angegebene Beschleunigung mit der Masse multiplizieren.
4. Messen Sie die Entfernung, um die das Objekt bewegt wird. In diesem Beispiel nehmen wir an, dass das Gewicht um 1,5 Meter (m) angehoben wird. Die Entfernung muss in Metern gemessen werden, sonst kann die endgültige Antwort nicht in Joule aufgezeichnet werden.
5. Multiplizieren Sie die Kraft mit dem Abstand. Um ein Gewicht von 98 Newton 1,5 Metern zu heben, müssen Sie 98 x 1,5 = 147 Joule Arbeit erledigen.
6. Berechnen Sie die Arbeit für Objekte, die sich in einem Winkel bewegen. Unser Beispiel oben war einfach: Jemand übte eine Aufwärtskraft auf das Objekt aus, und das Objekt stieg an. Manchmal sind die Richtung der Kraft und die Bewegung des Objekts nicht ganz gleich, weil mehrere Kräfte auf das Objekt wirken. Im folgenden Beispiel berechnen wir, wie viele Joule erforderlich sind, um einen Schlitten 25 Meter durch den Schnee zu ziehen, indem wir ein am Schlitten befestigtes Seil in einem Winkel von 30 ° zur Horizontalen ziehen. Es gilt: Arbeit = Kraft x cos (θ) x Abstand. Das "Symbol" ist der griechische Buchstabe "Theta" und repräsentiert den Winkel zwischen der Kraftrichtung und der Bewegungsrichtung.
7. Bestimmen Sie die Gesamtkraft. In diesem Problem sagen wir, dass jemand mit einer Kraft von 10 Newton am Seil zieht.
   • Wenn bereits eine Kraft "nach rechts", "nach oben" oder "in Bewegungsrichtung" angegeben wurde, entspricht "Kraft x cos (") "der Berechnung, und Sie können fortfahren, die Werte zu multiplizieren.
8. Berechnen Sie die relevante Kraft. Nur ein Teil der Kraft zieht den Schlitten nach vorne. Da sich das Seil in einem Winkel befindet, versucht die verbleibende Kraft, den Schlitten anzuheben, um der Schwerkraft entgegenzuwirken. Berechnen Sie die Kraft in Bewegungsrichtung:
   • In unserem Beispiel beträgt der Winkel θ zwischen dem Boden und dem Seil 30º.
   • Berechnen Sie cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = ungefähr 0,866. Sie können einen Taschenrechner verwenden, um diesen Wert zu ermitteln. Stellen Sie jedoch sicher, dass Ihr Taschenrechner die richtige Einheit verwendet, in der der Winkel angegeben ist (Grad oder Bogenmaß).
   • Multiplizieren Sie die Gesamtkraft x cos (θ). In unserem Beispiel ist 10 N x 0,866 = 8,66 N in Bewegungsrichtung.
9. Kraft x Abstand multiplizieren. Jetzt, da wir wissen, wie viel Kraft in Bewegungsrichtung ausgeübt wird, können wir die Arbeit wie gewohnt berechnen. Unser Problem besagt, dass der Wagen 20 Meter vorwärts gezogen wurde, sodass wir 8,66 N x 20 m = 173,2 Joule Arbeit berechnen.

Methode 2 von 4: Berechnung der kinetischen Energie in Joule

1. Verstehe etwas kinetische Energie. Kinetische Energie ist die Energiemenge in Form von Bewegung. Wie bei jeder Form von Energie kann sie in Joule ausgedrückt werden.
   • Die kinetische Energie entspricht dem Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um ein stationäres Objekt auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Sobald diese Geschwindigkeit erreicht ist, behält das Objekt diese Menge an kinetischer Energie bei, bis diese Energie in Wärme (durch Reibung), Gravitationsenergie (gegen die Schwerkraft) oder andere Arten von Energie umgewandelt wird.
2. Bestimmen Sie die Masse des Objekts. Zum Beispiel können wir die kinetische Energie eines Fahrrads und eines Radfahrers messen. Angenommen, der Radfahrer hat eine Masse von 50 kg und das Fahrrad hat eine Masse von 20 kg. Das ergibt eine Gesamtmasse m von 70 kg. Wir können sie jetzt zusammen als 1 Objekt von 70 kg behandeln, weil sie sich zusammen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.
3. Berechnen Sie die Geschwindigkeit. Wenn Sie die Geschwindigkeit des Radfahrers oder die Vektorgeschwindigkeit bereits kennen, schreiben Sie sie auf und fahren Sie fort. Wenn Sie dies noch berechnen müssen, verwenden Sie eine der folgenden Methoden. Dies betrifft die Geschwindigkeit, nicht die Vektorgeschwindigkeit (die die Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung ist), obwohl der Buchstabe häufig ist v für die Geschwindigkeit verwendet. Ignorieren Sie alle Kurven, die der Radfahrer macht, und tun Sie so, als ob die gesamte Strecke in einer geraden Linie verläuft.
   • Wenn sich der Radfahrer mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt (keine Beschleunigung), messen Sie die zurückgelegte Strecke und dividieren Sie sie durch die Anzahl der Sekunden, die benötigt wurden, um diese Strecke zurückzulegen. Dies berechnet die Durchschnittsgeschwindigkeit, die in diesem Szenario der Geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht.
   • Wenn sich der Radfahrer mit konstanter Beschleunigung bewegt und die Richtung nicht ändert, berechnen Sie seine Geschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt t mit der Formel 'Geschwindigkeit (Zeit t) = (Beschleunigung) (t) + Anfangsgeschwindigkeit. Die Zeit ist in Sekunden, die Geschwindigkeit in Metern / Sekunde und die Beschleunigung in m / s.
4. Geben Sie die folgenden Zahlen in die folgende Formel ein. Kinetische Energie = (1/2)m "v. Wenn sich der Radfahrer beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 15 m / s bewegt, beträgt seine kinetische Energie K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 Newtonmeter = 7875 Joule.
   • Die Formel für die kinetische Energie kann aus der Definition der Arbeit W = FΔs und der Gleichung v = v abgeleitet werden₀ + 2aΔs. Δs bezieht sich auf "Verschiebung" oder auch auf die zurückgelegte Strecke.

Methode 3 von 4: Berechnung des Joule als elektrische Energie

1. Berechnen Sie die Energie mit Leistung x Zeit. Leistung ist definiert als die pro Zeiteinheit verbrauchte Energie, sodass wir die verbrauchte Energie anhand der Leistung mal der Zeiteinheit berechnen können. Dies ist nützlich, wenn die Leistung in Watt gemessen wird, da 1 Watt = 1 Joule / Sekunde ist. Um herauszufinden, wie viel Energie eine 60-W-Glühlampe in 120 Sekunden verbraucht, multiplizieren Sie Folgendes: (60 Watt) x (120 Sekunden) = 7200 Joule.
   • Diese Formel kann für jede Art von Leistung verwendet werden, gemessen in Watt, aber Elektrizität ist am offensichtlichsten.
2. Verwenden Sie die folgenden Schritte, um den Energiefluss in einem Stromkreis zu berechnen. Die folgenden Schritte sind als praktisches Beispiel aufgeführt. Sie können diese Methode jedoch auch verwenden, um theoretische physikalische Probleme zu verstehen. Zuerst berechnen wir die Leistung P mit der Formel P = I x R, wobei I der Strom in Ampere und R der Widerstand in Ohm ist. Diese Einheiten geben uns die Leistung in Watt an, sodass wir ab diesem Zeitpunkt die im vorherigen Schritt verwendete Formel anwenden können, um die Energie in Joule zu berechnen.
3. Wählen Sie einen Widerstand. Widerstände werden in Ohm angegeben, wobei ihr Wert direkt auf dem Widerstand oder durch eine Reihe farbiger Ringe angezeigt wird. Sie können einen Widerstand auch mit einem Ohmmeter oder Multimeter testen. In diesem Beispiel nehmen wir an, dass der von uns verwendete Widerstand 10 Ohm beträgt.
4. Schließen Sie den Widerstand an eine Energiequelle (Batterie) an. Verwenden Sie dazu Klemmen oder platzieren Sie den Widerstand in einer Testschaltung.
5. Lassen Sie einen Strom für eine bestimmte Zeit durch. In diesem Beispiel nehmen wir 10 Sekunden als Zeiteinheit.
6. Messen Sie die Stärke des Stroms. Sie tun dies mit einem Durchflussmesser oder einem Multimeter. Der meiste Haushaltsstrom wird in Milliampere angegeben, daher nehmen wir an, dass der Strom 100 Milliampere oder 0,1 Ampere beträgt.
7. Verwenden Sie die Formel P = I x R. Um die Leistung zu ermitteln, multiplizieren Sie die quadratische Leistung des Stroms mit dem Widerstand. Dies gibt Ihnen die Leistung dieser Schaltung in Watt. Das Quadrat von 0,1 ergibt 0,01. Multiplizieren Sie dies mit 10 und Sie erhalten eine Ausgangsleistung von 0,1 Watt oder 100 Milliwatt.
8. Multiplizieren Sie die Leistung mit der verstrichenen Zeit. Dies liefert die Energie in Joule. 0,1 Watt x 10 Sekunden entsprechen 1 Joule elektrischer Energie.
   • Da es sich bei dem Joule um eine kleine Einheit handelt und der Energieverbrauch von Geräten normalerweise in Watt, Milliwatt und Kilowatt angegeben wird, ist es häufig bequemer, die Anzahl der von einem Gerät verbrauchten kWh (Kilowattstunden) zu berechnen. 1 Watt entspricht 1 Joule pro Sekunde oder 1 Joule entspricht 1 Wattsekunde; Ein Kilowatt entspricht 1 Kilojoule pro Sekunde und ein Kilojoule entspricht 1 Kilowattsekunde. Eine Stunde hat 3.600 Sekunden, also entspricht 1 Kilowattstunde 3.600 Kilowattsekunden, 3.600 Kilojoule oder 3.600.000 Joule.

Methode 4 von 4: Berechnung der Wärme in Joule

1. Bestimmen Sie die Masse des Objekts, dem Wärme zugeführt wird. Verwenden Sie dazu eine Waage oder Waage. Wenn es sich bei dem Objekt um eine Flüssigkeit handelt, wiegen Sie zuerst den leeren Behälter, in den die Flüssigkeit gelangen soll. Sie müssen dies von der Masse des Behälters und der Flüssigkeit zusammen subtrahieren, um die Masse der Flüssigkeit zu ermitteln. In diesem Beispiel nehmen wir an, dass das Objekt 500 Gramm Wasser ist.
   • Verwenden Sie Gramm, keine andere Einheit, sonst wird das Ergebnis nicht in Joule angegeben.
2. Bestimmen Sie die spezifische Wärme des Objekts. Diese Informationen finden Sie in den Nachschlagewerken zur binas-Chemie, aber Sie können sie auch online finden. Dies ist die spezifische Wärme für Wasser c entspricht 4,19 Joule pro Gramm für jeden Grad Celsius - oder 4,1855, wenn Sie sehr genau sein möchten.
   • Die spezifische Wärme variiert geringfügig je nach Temperatur und Druck. Verschiedene Organisationen und Lehrbücher verwenden unterschiedliche "Standardtemperaturen", sodass Sie möglicherweise bis zu 4.179 für die spezifische Wasserwärme finden.
   • Sie können auch Kelvin anstelle von Celsius verwenden, da 1 Grad für beide Gerichte gleich ist (das Erhitzen mit 3 ° C ist das gleiche wie mit 3 Kelvin). Verwenden Sie keine Fahrenheit, da das Ergebnis sonst nicht in Joule angegeben wird.
3. Bestimmen Sie die aktuelle Temperatur des Objekts. Wenn das Objekt eine Flüssigkeit ist, können Sie ein normales (Quecksilber-) Thermometer verwenden. Für andere Objekte benötigen Sie möglicherweise ein Thermometer mit Sonde.
4. Erhitzen Sie das Objekt und messen Sie die Temperatur erneut. Auf diese Weise können Sie die Wärmemenge messen, die einem Objekt während des Erhitzens hinzugefügt wurde.
   • Wenn Sie die Gesamtmenge an Energie wissen möchten, die in Form von Wärme gespeichert ist, können Sie so tun, als wäre die Anfangstemperatur absolut Null: 0 Kelvin oder -273,15 ° C.
5. Subtrahieren Sie die ursprüngliche Temperatur von der Temperatur nach dem Erhitzen. Dies gibt dem Ergebnis die Änderung der Temperatur des Objekts. Unter der Annahme, dass das Wasser anfangs 15 Grad Celsius und nach dem Erhitzen 35 Grad Celsius betrug, beträgt die Temperaturänderung daher 20 Grad Celsius.
6. Multiplizieren Sie die Masse des Objekts mit der spezifischen Wärme und der Temperaturänderung. Sie schreiben diese Formel als H =mcΔT. T.wobei ΔT die "Temperaturänderung" darstellt. In diesem Beispiel beträgt dies 500 g x 4,19 x 20 = 41.900 Joule.
   • Wärme wird im Allgemeinen in Kalorien oder Kilokalorien ausgedrückt. Eine Kalorie ist definiert als die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius in der Temperatur zu erhöhen, während eine Kilokalorie (oder Kalorie) die Wärmemenge ist, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Kilogramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhöhen ... Im obigen Beispiel erfordert das Erhöhen der Temperatur von 500 Gramm Wasser um 20 Grad Celsius 10.000 Kalorien oder 10 Kilokalorien.

Tipps

• Mit dem Joule verbunden ist eine andere Arbeits- und Energieeinheit, die Erg genannt wird. 1 erg entspricht 1 dynkraft mal einem abstand von 1 cm. Ein Joule entspricht 10.000.000 Erg.

Warnungen

• Obwohl sich die Begriffe "Joule" und "Newtonmeter" auf dieselbe Einheit beziehen, wird in der Praxis das "Joule" verwendet, um jede Form von Energie anzuzeigen und für Arbeiten, die in einer geraden Linie ausgeführt werden, wie im obigen Beispiel des Treppensteigens. Bei der Berechnung des Drehmoments (Kraft auf ein rotierendes Objekt) bevorzugen wir den Begriff "Newtonmeter".

Notwendigkeiten

Berechnung der Arbeit oder der kinetischen Energie:

• Stoppuhr oder Timer
• Waage oder Gleichgewicht
• Rechner mit Kosinusfunktion (nur für die Arbeit, nicht immer notwendig)

Berechnung der elektrischen Energie:

• Widerstand
• Drähte oder eine Testplatine
• Multimeter (oder ein Ohmmeter und ein Strommesser)
• Fahnestock oder Krokodilklemmen

Hitze:

• Zu erhitzendes Objekt
• Wärmequelle (wie ein Bunsenbrenner)
• Thermometer (ein Flüssigkeitsthermometer oder Thermometer mit einer Sonde)
• Chemie / Chemie-Referenz (zum Ermitteln der spezifischen Wärme des zu erhitzenden Objekts)