Bài 16. Định luật Jun-len-xơ
I - TRƯỜNG HỢP ĐIỆN NĂNG BIẾN Đổi THÀNH NHiỆT NĂNG
1. Một phần điện năng được biến đổi thành nhiệt năng
a) Hãy kể tên ba dụng cụ biến đổi một phần điện năng thành nhiệt năng và một phần thành năng lượng ánh sáng.
- Đèn led, đèn sợi đốt, đèn bút thử điện
b) Hãy kể tên ba dụng cụ biến đổi một phần điện năng thành nhiệt năng và một phần thành cơ năng.
- Quạt điện, máy sấy tóc, máy bơm nước
2.Toàn bộ điện năng được biến đổi thành nhiệt năng
a) Hãy kể tên ba dụng cụ điện có thể biến đổi toàn bộ điện năng thành nhiệt năng.
- Bếp điện, nồi cơm điện, bàn là
b) Các dụng cụ điện biến đổi toàn bộ điện năng thành nhiệt năng có bộ phận chính là một đoạn dây dẫn bằng hợp kim nikêlin hoặc constantan.
II - ĐỊNH LUẬT JUN - LEN-XƠ
1. Hệ thức của định luật
- Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn điện trở R khi có dòng điện cường độ I chạy qua trong thời gian t
là : $Q{\rm{ }} = {\rm{ }}{I^2}Rt$
2. Xử lí kết quả của thí nghiệm kiểm tra
${m_1} = 200g$
${m_2} = 78g$
I=2,4A
$R = 5\Omega$
t=300s, $\Delta {t^0} = 9,{5^0}C$
${C_1} = 4200J/kg.K$ (nước)
${C_2} = 880J/kg.K$ (nhôm)
C1:
Hãy tính điện năng A của dòng điện chạy qua dây điện trở trong thời gian trên.
Trả lời:
+ Điện năng $A = {I^2}Rt{\rm{ }} = {\rm{ }}{\left( {2,4} \right)^2}.5.300 = {\rm{ }}8640{\rm{ }}J$
C2:
Hãy tính nhiệt lượng Q mà nước và bình nhôm nhận được trong thời gian đó.
Trả lời:
+ Nhiệt lượng Q mà nước và bình nhôm nhận được: $Q{\rm{ }} = {\rm{ }}{Q_1}{\rm{ }} + {\rm{ }}{Q_2}$; trong đó
Nhiệt lượng nước nhận được ${Q_1} = {\rm{ }}{c_1}{m_1}\Delta {t^o} = {\rm{ }}4200.0,2.9,5{\rm{ }} = {\rm{ }}7980{\rm{ }}J$
Nhiệt lượng bình nhôm nhận được ${Q_2} = {\rm{ }}{c_2}{m_{2}}\Delta {t^o} = {\rm{ }}880.0,078.9,5{\rm{ }} = {\rm{ }}652{\rm{ }}J$
Vậy Q = 7980 + 652 = 8632 J.
C3:
Hãy so sánh A với Q và nêu nhận xét, lưu ý rằng có một phần nhỏ nhiệt lượng truyền ra môi trường xung quanh.
Trả lời:
+ So sánh: ta thấy A lớn hơn Q một chút. Điện năng tiêu thụ đã có một ít biến thành nhiệt lượng được truyền ra môi trường xung quanh.
3. Phát biểu định luật
- Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.
III- VẬN DỤNG
C4:
Hãy giải thích điều nêu ra trong phần mở đầu của bài: Tại sao với cùng một dòng điện chạy qua thì dây tóc bóng đèn nóng lên tới nhiệt độ cao, còn dây nối với bóng đèn hầu như không nóng lên?
Trả lời:
Dòng điện chạy qua dây tóc bóng đèn và dây nối đều có cùng cường độ vì chúng được mắc nối tếp nhau. Theo định luật Jun - Len-xơ, nhiệt lượng tỏa ra ở dây tóc và dây nối tỉ lệ với điện trở của từng đoạn dây. Dây tóc có điện trở lớn nên nhiệt lượng tỏa ra nhiều, do đó dây tóc nóng lên tới nhiệt độ cao và phát sáng. Còn dây nối có điện trở nhỏ nên nhiệt lượng tỏa ra ít và truyền phần lớn cho môi trường xung quanh, do đó dây nối hầu như không nóng lên và có nhiệt độ gần như nhiệt độ của môi trường.
C5:
Một ấm điện có ghi 220V - 1000W được sử dụng với hiệu điện thế 220V
220V để đun sôi 2l nước từ nhiệt độ ban đầu là ${20^0}C$. Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng tỏa vào môi trường, tính thời gian đun sôi nước. Biết nhiệt dung riêng của nước 4200J/kg.K.
Giải
Ấm điện được dùng hiệu điện thế đúng bằng hiệu điện thế định mức nên công suất P của nó cũng chính bằng công suất định mức (1000W).
Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng tỏa vào môi trường, nên nhiệt lượng Q để đun sôi nước sẽ chính bằng lượng điện năng A mà ấm đã tiêu thụ.
Ta có A=Q, tức là $Pt = cm({t_2}--{t_1})$ từ đó suy ra
$t = \frac{{cm({t_2} - {t_1})}}{P} = \frac{{4200.2(100 - 20)}}{{1000}} = 672s$
1. Một phần điện năng được biến đổi thành nhiệt năng
a) Hãy kể tên ba dụng cụ biến đổi một phần điện năng thành nhiệt năng và một phần thành năng lượng ánh sáng.
- Đèn led, đèn sợi đốt, đèn bút thử điện
b) Hãy kể tên ba dụng cụ biến đổi một phần điện năng thành nhiệt năng và một phần thành cơ năng.
- Quạt điện, máy sấy tóc, máy bơm nước
2.Toàn bộ điện năng được biến đổi thành nhiệt năng
a) Hãy kể tên ba dụng cụ điện có thể biến đổi toàn bộ điện năng thành nhiệt năng.
- Bếp điện, nồi cơm điện, bàn là
b) Các dụng cụ điện biến đổi toàn bộ điện năng thành nhiệt năng có bộ phận chính là một đoạn dây dẫn bằng hợp kim nikêlin hoặc constantan.
II - ĐỊNH LUẬT JUN - LEN-XƠ
1. Hệ thức của định luật
- Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn điện trở R khi có dòng điện cường độ I chạy qua trong thời gian t
là : $Q{\rm{ }} = {\rm{ }}{I^2}Rt$
2. Xử lí kết quả của thí nghiệm kiểm tra
${m_1} = 200g$
${m_2} = 78g$
I=2,4A
$R = 5\Omega$
t=300s, $\Delta {t^0} = 9,{5^0}C$
${C_1} = 4200J/kg.K$ (nước)
${C_2} = 880J/kg.K$ (nhôm)
C1:
Hãy tính điện năng A của dòng điện chạy qua dây điện trở trong thời gian trên.
Trả lời:
+ Điện năng $A = {I^2}Rt{\rm{ }} = {\rm{ }}{\left( {2,4} \right)^2}.5.300 = {\rm{ }}8640{\rm{ }}J$
C2:
Hãy tính nhiệt lượng Q mà nước và bình nhôm nhận được trong thời gian đó.
Trả lời:
+ Nhiệt lượng Q mà nước và bình nhôm nhận được: $Q{\rm{ }} = {\rm{ }}{Q_1}{\rm{ }} + {\rm{ }}{Q_2}$; trong đó
Nhiệt lượng nước nhận được ${Q_1} = {\rm{ }}{c_1}{m_1}\Delta {t^o} = {\rm{ }}4200.0,2.9,5{\rm{ }} = {\rm{ }}7980{\rm{ }}J$
Nhiệt lượng bình nhôm nhận được ${Q_2} = {\rm{ }}{c_2}{m_{2}}\Delta {t^o} = {\rm{ }}880.0,078.9,5{\rm{ }} = {\rm{ }}652{\rm{ }}J$
Vậy Q = 7980 + 652 = 8632 J.
C3:
Hãy so sánh A với Q và nêu nhận xét, lưu ý rằng có một phần nhỏ nhiệt lượng truyền ra môi trường xung quanh.
Trả lời:
+ So sánh: ta thấy A lớn hơn Q một chút. Điện năng tiêu thụ đã có một ít biến thành nhiệt lượng được truyền ra môi trường xung quanh.
3. Phát biểu định luật
- Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.
III- VẬN DỤNG
C4:
Hãy giải thích điều nêu ra trong phần mở đầu của bài: Tại sao với cùng một dòng điện chạy qua thì dây tóc bóng đèn nóng lên tới nhiệt độ cao, còn dây nối với bóng đèn hầu như không nóng lên?
Trả lời:
Dòng điện chạy qua dây tóc bóng đèn và dây nối đều có cùng cường độ vì chúng được mắc nối tếp nhau. Theo định luật Jun - Len-xơ, nhiệt lượng tỏa ra ở dây tóc và dây nối tỉ lệ với điện trở của từng đoạn dây. Dây tóc có điện trở lớn nên nhiệt lượng tỏa ra nhiều, do đó dây tóc nóng lên tới nhiệt độ cao và phát sáng. Còn dây nối có điện trở nhỏ nên nhiệt lượng tỏa ra ít và truyền phần lớn cho môi trường xung quanh, do đó dây nối hầu như không nóng lên và có nhiệt độ gần như nhiệt độ của môi trường.
C5:
Một ấm điện có ghi 220V - 1000W được sử dụng với hiệu điện thế 220V
220V để đun sôi 2l nước từ nhiệt độ ban đầu là ${20^0}C$. Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng tỏa vào môi trường, tính thời gian đun sôi nước. Biết nhiệt dung riêng của nước 4200J/kg.K.
Giải
Ấm điện được dùng hiệu điện thế đúng bằng hiệu điện thế định mức nên công suất P của nó cũng chính bằng công suất định mức (1000W).
Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng tỏa vào môi trường, nên nhiệt lượng Q để đun sôi nước sẽ chính bằng lượng điện năng A mà ấm đã tiêu thụ.
Ta có A=Q, tức là $Pt = cm({t_2}--{t_1})$ từ đó suy ra
$t = \frac{{cm({t_2} - {t_1})}}{P} = \frac{{4200.2(100 - 20)}}{{1000}} = 672s$
* Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn Và thời gian dòng điện chạy qua:
\[Q{\rm{ }} = {\rm{ }}{I^2}Rt\]
\[Q{\rm{ }} = {\rm{ }}{I^2}Rt\]
