Joule ısıtma - Joule heating

Kırmızıdan sarıya akkorluk gösteren, elektrikli bir ekmek kızartma makinesinden sarmal bir ısıtma elemanı

Dirençli , dirençli veya Ohmik ısıtma olarak da bilinen Joule ısıtma , bir elektrik akımının bir iletkenden geçmesinin ısı ürettiği süreçtir .

Joule birinci kanunu (aynı zamanda sadece Joule yasası olarak da bilinir), Joule-Lenz hakları , bildiren güç bir tarafından üretilen ısıtma elektrik iletkeni olan bir ürünü ile orantılıdır direnç ve akımın karesi:

Joule ısıtması, ısıyı bir elektrik bağlantısından diğerine aktaran Peltier etkisinin aksine, tüm elektrik iletkenini etkiler .

Tarih

James Prescott Joule ilk olarak Aralık 1840'ta Proceedings of the Royal Society'de bir özet yayınladı ve ısının bir elektrik akımı tarafından üretilebileceğini öne sürdü. Joule, sabit bir tel bir uzunluğa daldırılmış kütle arasında su ve ölçülen ısı nedeniyle 30 teli içinden akan bilinen bir akıma sebebiyet dakika süre. Mevcut ve telin uzunluğu değiştirilerek de üretilen ısı, olduğu sonucuna orantılı için kare ile çarpılır akımının elektrik direnci daldırılmış tel.

1841 ve 1842'de sonraki deneyler, üretilen ısı miktarının , şablonu oluşturan voltaik yığında kullanılan kimyasal enerjiyle orantılı olduğunu gösterdi . Bu, Joule'nin kalori teorisini (o zamanlar baskın teori) mekanik ısı teorisi lehine reddetmesine neden oldu (hangi ısının başka bir enerji şekli olduğuna göre ).

Dirençli ısıtma, 1842'de Heinrich Lenz tarafından bağımsız olarak incelenmiştir .

SI birim arasında enerji sonradan seçildi joule ve sembolü verilmiştir J . Yaygın olarak bilinen güç birimi watt , saniyede bir joule'ye eşittir.

mikroskobik açıklama

Joule ısınması, yük taşıyıcılar (genellikle elektronlar ) ile iletken gövdesi (genellikle atomik iyonlar ) arasındaki etkileşimlerden kaynaklanır .

Bir iletkenin iki noktası arasındaki voltaj farkı , yük taşıyıcılarını elektrik alanı yönünde hızlandıran ve onlara kinetik enerji veren bir elektrik alanı oluşturur . Yüklü parçacıklar iletkendeki iyonlarla çarpıştığında parçacıklar saçılır ; hareket yönleri, termal hareketi oluşturan elektrik alanı ile hizalanmak yerine rastgele olur . Böylece elektrik alanından gelen enerji termal enerjiye dönüştürülür .

Güç kaybı ve gürültü

Joule ısıtması, Ohm Yasası ile ilişkisi nedeniyle omik ısıtma veya dirençli ısıtma olarak adlandırılır . Elektrikli ısıtmayı içeren çok sayıda pratik uygulamanın temelini oluşturur . Bununla birlikte, uygulamada, ısıtma istenmeyen olduğu yan ürün akımı kullanım (örneğin, yük kayıpları olarak elektrik transformatörleri ) enerji saptırma genellikle şu şekilde ifade edilir dirençli kaybı . Kullanımı yüksek voltaj olarak elektrik güç aktarım sistemleri, özellikle orantılı düşük akımları ile çalıştırılarak kablo bu tür kayıpları azaltmak üzere tasarlanmıştır. Halka devresi , UK evlerde kullanılan veya halka şebeke güç böylece teller Joule ısıtması azaltarak (iki paralel yollar kullanılarak, tel başına) daha düşük akımlarda çıkışları teslim edilir başka bir örnek vardır. Joule ısınması süperiletken malzemelerde oluşmaz , çünkü bu malzemeler süperiletken durumda sıfır elektrik direncine sahiptir.

Dirençler, Johnson-Nyquist gürültüsü adı verilen elektriksel gürültü yaratır . Johnson-Nyquist gürültüsü ile Joule ısınması arasında dalgalanma-dağılım teoremi ile açıklanan yakın bir ilişki vardır .

formüller

Doğru akım

Joule ısıtması için en temel formül genelleştirilmiş güç denklemidir:

nerede

  • bir güç , (birim zaman başına enerji) termal enerji elektrik enerjisine dönüştürülür
  • direnç veya başka bir elemandan geçen akımdır,
  • olan gerilim düşümü elemanı karşısında.

Bu formülün ( ) açıklaması şöyledir:

( Birim zamanda harcanan enerji ) = ( Birim zamanda dirençten geçen yük ) × ( Dirençten geçen yük başına harcanan enerji )

Elemanın mükemmel bir direnç gibi davrandığını ve gücün tamamen ısıya dönüştürüldüğünü varsayarsak, formül, Ohm kanunu , , genelleştirilmiş güç denkleminde değiştirilerek yeniden yazılabilir :

burada R, bir direnç .

Alternatif akım

AC devrelerinde olduğu gibi akım değiştiğinde,

burada t zaman ve P elektrik enerjisinden ısıya dönüştürülen anlık güçtür. Çok daha sık olarak, ortalama güç, anlık güçten daha fazla ilgi çekicidir:

burada "avg", bir veya daha fazla döngü üzerinden ortalama (ortalama) anlamına gelir ve "rms", kök ortalama kare anlamına gelir .

Bu formüller, sıfır reaktanslı ideal bir direnç için geçerlidir . Reaktans sıfır değilse, formüller değiştirilir:

burada , akım ve voltaj arasındaki faz farkı vasıtasıyla gerçek parça , Z, bir kompleks empedans ve Y *, bir kompleks eşleniği bir başvuru (1 / e eşit * Z ).

Reaktif durumda daha fazla ayrıntı için bkz. AC gücü ∆0}

diferansiyel formu

Joule ısıtma, uzayda belirli bir yerde de hesaplanabilir. Joule ısıtma denkleminin diferansiyel formu, birim hacim başına gücü verir.

Burada, akım yoğunluğu ve elektrik alanıdır. Bir iletkenliğe sahip bir malzeme için , ve dolayısıyla

nerede olduğunu özdirenç . Bu doğrudan makroskopik formun " " terimine benzer .

Tüm alan miktarlarının açısal frekansla olarak değiştiği harmonik durumda, karmaşık değerli fazörler ve genellikle sırasıyla akım yoğunluğu ve elektrik alan yoğunluğu için tanıtılır. Joule ısıtması daha sonra okur

,

nerede karmaşık eşleniği belirtir .

Yüksek voltajlı alternatif akım elektrik iletimi

Havai elektrik hatları, elektrik enerjisini elektrik üreticilerinden tüketicilere aktarır. Bu güç hatları sıfır olmayan bir dirence sahiptir ve bu nedenle iletim kayıplarına neden olan Joule ısıtmasına tabidir.

İletim kayıpları (iletim hatlarında Joule ısınması) ve yük (tüketiciye sağlanan faydalı enerji) arasındaki güç dağılımı, bir voltaj bölücü ile yaklaşık olarak hesaplanabilir . İletim kayıplarını en aza indirmek için hatların direnci, yüke (tüketici cihazların direnci) kıyasla mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Bakır iletkenler kullanılarak hat direnci en aza indirilir , ancak tüketici cihazlarının direnç ve güç kaynağı özellikleri sabittir.

Genellikle hatlar ile tüketim arasına bir transformatör yerleştirilir. Birincil devrede (trafodan önce) yüksek voltajlı, düşük yoğunluklu bir akım, sekonder devrede (trafodan sonra) düşük voltajlı, yüksek yoğunluklu bir akıma dönüştürüldüğünde, sekonder devrenin eşdeğer direnci daha yüksek olur. ve iletim kayıpları orantılı olarak azalır.

Akım savaşı sırasında , AC kurulumları, DC kurulumlarına kıyasla iletim hatlarında daha yüksek voltaj pahasına Joule ısıtması ile hat kayıplarını azaltmak için transformatörler kullanabilir .

Uygulamalar

Joule ısıtma veya dirençli ısıtma, birden fazla cihazda ve endüstriyel proseste kullanılır. Elektriği ısıya çeviren kısma ısıtma elemanı denir .

Birçok pratik kullanım arasında:

  • Filament, termal radyasyon ( kara cisim radyasyonu olarak da adlandırılır ) nedeniyle Joule ısıtmasıyla ısıtıldığında bir akkor ampul yanar .
  • Elektrik sigortaları , onları eritmek için yeterli akım geçerse eriterek devreyi kesen bir güvenlik olarak kullanılır.
  • Elektronik sigaralar , Joule ısıtması ile propilen glikol ve bitkisel gliserini buharlaştırır.
  • Elektrikli sobalar , elektrikli ısıtıcılar , havyalar , kartuş ısıtıcılar gibi çoklu ısıtma cihazları Joule ısıtma kullanır .
  • Bazı gıda işleme ekipmanları Joule ısıtmasından faydalanabilir: gıda malzemesinden geçen akım (bir elektrik direnci gibi davranır), gıdanın içinde ısı salınımına neden olur. Alternatif elektrik akımı, gıdanın direnciyle birleştiğinde ısı oluşumuna neden olur. Daha yüksek bir direnç, üretilen ısıyı arttırır. Ohmik ısıtma, kaliteyi koruyan gıda ürünlerinin hızlı ve homojen bir şekilde ısıtılmasını sağlar. Parçacıklı ürünler, daha yüksek direnç nedeniyle daha hızlı ısınır (geleneksel ısı işlemeye kıyasla).

Gıda işleme

Joule ısıtma, gıda yoluyla 50-60 Hz'lik bir alternatif akım çalıştıran bir flaş pastörizasyon ("yüksek sıcaklık kısa süreli" (HTST) olarak da adlandırılır) aseptik bir işlemdir. Isı, gıdanın elektrik direnci yoluyla üretilir. Ürün ısındıkça elektriksel iletkenlik doğrusal olarak artar. Oksidasyonu ve metalik kirlenmeyi azalttığı için daha yüksek bir elektrik akımı frekansı en iyisidir. Bu ısıtma yöntemi, yüksek direnç özelliklerinden dolayı, zayıf tuz içeren bir ortamda süspanse edilmiş partiküller içeren gıdalar için en iyisidir.

Malzeme sentezi ve işlenmesi

Flaş joule ısıtma (geçici yüksek sıcaklıkta elektrotermal ısıtma), grafen ve elmas dahil olmak üzere karbon allotroplarını sentezlemek için kullanılmıştır . Çeşitli katı karbon besleme stoklarının (karbon karası, kömür, kahve telvesi, vs.) 10-150 milisaniye boyunca ~3000 K sıcaklıklara ısıtılması turbostratik grafen pulları üretir. Florlu karbon kaynağından başlayarak, florlu aktif karbon, florlu nanoelmas , eşmerkezli karbon (nanoelmas çekirdeğin etrafındaki karbon kabuğu) ve florlu flaş grafen sentezlenebilir.

Isıtma verimliliği

Bir ısıtma teknolojisi olarak Joule ısıtmanın performans katsayısı 1.0'dır, yani sağlanan her joule elektrik enerjisi bir joule ısı üretir. Buna karşılık, bir ısı pompası , ortamdan ek termal enerjiyi ısıtılan öğeye hareket ettirdiği için 1.0'dan daha fazla bir katsayıya sahip olabilir.

Bir ısıtma işleminin verimliliğinin tanımı, dikkate alınacak sistemin sınırlarının tanımlanmasını gerektirir. Bir binayı ısıtırken, elektrik santrali ve güç iletimindeki kayıplar da göz önüne alındığında, toplam verimlilik ile karşılaştırıldığında, sayacın müşteri tarafında verilen elektrik enerjisinin birim başına ısıtma etkisi göz önüne alındığında toplam verimlilik farklıdır.

Hidrolik eşdeğeri

Olarak enerji yer altı dengesi akış Joule kanunun bir hidrolik eşdeğeri kullanılır:

nerede:

= zaman birimi başına (m/gün) -yönündeki akışın sürtünmesinden dolayı hidrolik enerji kaybı ( ) – ile karşılaştırılabilir
= -yönünde akış hızı (m/gün) – karşılaştırılabilir
= toprağın hidrolik iletkenliği (m/gün) – hidrolik iletkenlik, aşağıdakilere kıyasla hidrolik dirençle ters orantılıdır:

Ayrıca bakınız

Referanslar