Contenu

• Avancer d'un pas
• Méthode 1 sur 4: calcul du travail en joules
• Méthode 2 sur 4: Calcul de l'énergie cinétique en joules
• Méthode 3 sur 4: Calcul du Joule en énergie électrique
• Méthode 4 sur 4: Calcul de la chaleur en joules
• Conseils
• Mises en garde
• Nécessités

Le joule (J), du nom du physicien anglais James Edward Joule, est l'une des unités les plus importantes du système métrique international. Le joule est utilisé comme unité de travail, d'énergie et de chaleur et est largement utilisé en science. Si vous voulez que votre réponse soit en joules, utilisez toujours les unités scientifiques standard.

Avancer d'un pas

Méthode 1 sur 4: calcul du travail en joules

1. La définition du travail. Le travail est défini comme une force constante appliquée à un objet pour le déplacer d'une certaine distance. Si pas plus d'une force est appliquée, elle peut être calculée comme Puissance X distance, et peut être écrit en unités de joules (équivalent à un "Newton mètre"). Dans notre premier exemple, nous prenons une personne qui veut ajouter un poids du sol à la hauteur de la poitrine, et nous calculons la quantité de travail que cette personne a fait.
   • La force doit être appliquée dans le sens du mouvement. Lorsque vous tenez un objet et que vous marchez vers l'avant, aucun travail n'est effectué sur l'objet, car vous ne poussez pas l'objet dans le sens de son mouvement.
2. Déterminez la masse de l'objet déplacé. La masse d'un objet est nécessaire pour calculer la force nécessaire pour le déplacer. Dans notre exemple, nous déclarons que le poids a une masse de 10 kg.
   • N'utilisez pas de livres ou d'autres unités qui ne sont pas standard ou la réponse finale ne sera pas en joules.
3. Calculez la force. Force = masse x accélération. Dans notre exemple, en soulevant un poids vers le haut, l'accélération que nous essayons de surmonter est égale à la gravité, 9,8 m / s vers le bas. Calculez la force nécessaire pour soulever le poids en utilisant (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newtons (N).
   • Si l'objet est déplacé horizontalement, la gravité n'a pas d'importance. Au lieu de cela, le problème peut vous inciter à calculer la force nécessaire pour surmonter la résistance de frottement. Si on lui donne ce qu'est l'accélération de l'objet lorsqu'il est poussé, alors vous pouvez multiplier l'accélération donnée par la masse.
4. Mesurez la distance à laquelle l'objet est déplacé. Dans cet exemple, nous supposons que le poids est soulevé de 1,5 mètre (m). La distance doit être mesurée en mètres, sinon la réponse finale ne peut pas être enregistrée en Joules.
5. Multipliez la force par la distance. Pour soulever un poids de 98 Newton 1,5 mètre, vous devrez effectuer 98 x 1,5 = 147 Joules de travail.
6. Calculez le travail pour les objets se déplaçant à un angle. Notre exemple ci-dessus était simple: quelqu'un a appliqué une force ascendante sur l'objet, et l'objet est monté. Parfois, la direction de la force et le mouvement de l'objet ne sont pas tout à fait les mêmes, car plusieurs forces agissent sur l'objet. Dans l'exemple suivant, nous allons calculer combien de Joules il faut pour traîner un traîneau de 25 mètres dans la neige en tirant une corde attachée au traîneau à un angle de 30 ° par rapport à l'horizontale. Ce qui suit est vrai: travail = force x cos (θ) x distance. Le «symbole» est la lettre grecque «thêta» et représente l'angle entre la direction de la force et la direction du mouvement.
7. Déterminez la force totale appliquée. Dans ce problème, nous disons que quelqu'un tire la corde avec une force de 10 Newtons.
   • Si une force "vers la droite", "vers le haut" ou "dans le sens du mouvement" a déjà été donnée, "force x cos (") "est comme calculé, et vous pouvez procéder à la multiplication des valeurs.
8. Calculez la force pertinente. Seule une partie de la force tire le chariot vers l'avant. Parce que la corde est en biais, la force restante essaie de soulever le chariot, contrebalançant la gravité. Calculez la force dans le sens du mouvement:
   • Dans notre exemple, l'angle θ entre le sol et la corde est de 30 °.
   • Calculez cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = environ 0,866. Vous pouvez utiliser une calculatrice pour trouver cette valeur, mais assurez-vous que votre calculatrice utilise l'unité correcte comme celle dans laquelle l'angle est spécifié (degrés ou radians).
   • Multipliez la force totale x cos (θ). Dans notre exemple, 10N x 0,866 = 8,66 N dans le sens du mouvement.
9. Multipliez la force x la distance. Maintenant que nous savons quelle force est appliquée dans la direction du mouvement, nous pouvons calculer le travail comme d'habitude. Notre problème nous dit que le chariot a été remorqué 20 mètres vers l'avant, nous calculons donc 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de travail.

Méthode 2 sur 4: Calcul de l'énergie cinétique en joules

1. Comprenez une certaine énergie cinétique. L'énergie cinétique est la quantité d'énergie sous forme de mouvement. Comme pour toute forme d'énergie, elle peut être exprimée en Joules.
   • L'énergie cinétique est égale à la quantité de travail effectuée pour accélérer un objet stationnaire à une certaine vitesse. Une fois cette vitesse atteinte, l'objet conserve cette quantité d'énergie cinétique jusqu'à ce que cette énergie soit convertie en chaleur (par frottement), en énergie gravitationnelle (en allant à l'encontre de la gravité) ou en d'autres types d'énergie.
2. Déterminez la masse de l'objet. Par exemple, nous pouvons mesurer l'énergie cinétique d'un vélo et d'un cycliste. Supposons que le cycliste ait une masse de 50 kg et que le vélo ait une masse de 20 kg. Cela représente une masse totale m de 70 kg. On peut désormais les traiter ensemble comme 1 objet de 70 kg, car ils se déplacent ensemble à la même vitesse.
3. Calculez la vitesse. Si vous connaissez déjà la vitesse du cycliste ou la vitesse vectorielle, notez-la et continuez. Si vous avez encore besoin de calculer cela, utilisez l'une des méthodes ci-dessous. Cela concerne la vitesse, pas la vitesse vectorielle (qui est la vitesse dans une certaine direction), même si la lettre est souvent v utilisé pour la vitesse. Ne tenez pas compte des virages effectués par le cycliste et prétendez que toute la distance est en ligne droite.
   • Si le cycliste se déplace à une vitesse constante (pas d'accélération), mesurez la distance parcourue par le cycliste et divisez par le nombre de secondes qu'il a fallu pour parcourir cette distance. Cela calcule la vitesse moyenne, qui dans ce scénario est la même que la vitesse à un moment donné.
   • Si le cycliste se déplace à une accélération constante et ne change pas de direction, calculez sa vitesse à ce moment t avec la formule ’vitesse (temps t) = (accélération) (t) + vitesse initiale. Le temps est en secondes, la vitesse en mètres / seconde et l'accélération en m / s.
4. Entrez les nombres suivants dans la formule suivante. Énergie cinétique = (1/2)m "v. Par exemple, si le cycliste se déplace à une vitesse de 15 m / s, alors son énergie cinétique est K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newtons mètres = 7875 joules.
   • La formule de l'énergie cinétique peut être dérivée de la définition du travail, W = FΔs, et l'équation v = v₀ + 2aΔs. Δs fait référence au «déplacement», ou également à la distance parcourue.

Méthode 3 sur 4: Calcul du Joule en énergie électrique

1. Calculez l'énergie en utilisant la puissance x le temps. La puissance est définie comme l'énergie consommée par unité de temps, nous pouvons donc calculer l'énergie consommée par la puissance multipliée par l'unité de temps. Ceci est utile pour mesurer la puissance en watts, car 1 watt = 1 Joule / seconde. Pour connaître la quantité d'énergie consommée par une ampoule à incandescence de 60 W en 120 secondes, multipliez ce qui suit: (60 watts) x (120 secondes) = 7200 joules.
   • Cette formule peut être utilisée pour tout type de puissance, mesurée en watts, mais l'électricité est la plus évidente.
2. Suivez les étapes ci-dessous pour calculer le flux d'énergie dans un circuit électrique. Les étapes ci-dessous sont présentées à titre d'exemple pratique, mais vous pouvez également utiliser cette méthode pour comprendre les problèmes de physique théorique. Tout d'abord, nous calculons la puissance P en utilisant la formule P = I x R, où I est le courant en ampères et R est la résistance en ohms. Ces unités nous donnent la puissance en watts, donc à partir de ce moment, nous pouvons appliquer la formule utilisée à l'étape précédente pour calculer l'énergie en joules.
3. Choisissez une résistance. Les résistances sont indiquées en ohms, avec leur valeur indiquée directement sur la résistance, ou indiquée par une série d'anneaux colorés. Vous pouvez également tester une résistance avec un ohmmètre ou un multimètre. Dans cet exemple, nous supposons que la résistance que nous utilisons est de 10 ohms.
4. Connectez la résistance à une source d'énergie (batterie). Utilisez des pinces pour cela ou placez la résistance dans un circuit de test.
5. Laissez un courant le traverser pendant un certain temps. Dans cet exemple, nous prenons 10 secondes comme unité de temps.
6. Mesurez la force du courant. Vous faites cela avec un débitmètre ou un multimètre. La plupart du courant domestique est en milliampères, nous supposons donc que le courant est de 100 milliampères, ou 0,1 ampères.
7. Utilisez la formule P = I x R. Maintenant, pour trouver la puissance, vous multipliez la puissance carrée du courant par la résistance. Cela vous donne la puissance de ce circuit en watts. Le carré de 0,1 donne 0,01. Multipliez cela par 10 et vous obtenez une puissance de sortie de 0,1 watts, soit 100 milliwatts.
8. Multipliez la puissance par le temps écoulé. Cela fournit l'énergie en joules. 0,1 watts x 10 secondes équivaut à 1 joule d'énergie électrique.
   • Parce que le Joule est une petite unité et que la consommation d'énergie des appareils est généralement indiquée en watts, milliwatts et kilowatts, il est souvent plus pratique de calculer le nombre de kWh (kilowattheures) consommés par un appareil. 1 watt équivaut à 1 joule par seconde, ou 1 joule équivaut à 1 watt seconde; un kilowatt est égal à 1 kilojoule par seconde et un kilojoule est égal à 1 kilowatt seconde. Il y a 3 600 secondes dans une heure, donc 1 kilowattheure équivaut à 3 600 kilowatts-secondes, 3 600 kilojoules ou 3 600 000 joules.

Méthode 4 sur 4: Calcul de la chaleur en joules

1. Déterminez la masse de l'objet auquel de la chaleur est ajoutée. Utilisez une balance ou des balances pour cela. Si l'objet est un liquide, pesez d'abord le récipient vide dans lequel le liquide va entrer. Vous devrez soustraire cela de la masse du récipient et du liquide ensemble pour trouver la masse du liquide. Dans cet exemple, nous supposons que l'objet est 500 grammes d'eau.
   • Utilisez des grammes, pas une autre unité, sinon le résultat ne sera pas donné en Joules.
2. Déterminez la chaleur spécifique de l'objet. Cette information peut être trouvée dans les livres de référence de chimie binas, mais vous pouvez également la trouver en ligne. C'est la chaleur spécifique de l'eau c équivaut à 4,19 joules par gramme pour chaque degré Celsius - ou 4,1855, si vous voulez être très précis.
   • La chaleur spécifique varie légèrement en fonction de la température et de la pression. Différentes organisations et manuels utilisent différentes «températures standard», de sorte que vous pouvez trouver jusqu'à 4 179 pour la chaleur spécifique de l'eau.
   • Vous pouvez également utiliser Kelvin au lieu de Celsius, car 1 degré est le même pour les deux plats (chauffer quelque chose à 3 ° C équivaut à 3 Kelvin). N'utilisez pas Fahrenheit ou le résultat ne sera pas donné en Joules.
3. Déterminez la température actuelle de l'objet. Si l'objet est un liquide, vous pouvez utiliser un thermomètre ordinaire (à mercure). Pour d'autres objets, vous aurez peut-être besoin d'un thermomètre avec une sonde.
4. Chauffez l'objet et mesurez à nouveau la température. Cela vous permet de mesurer la quantité de chaleur qui a été ajoutée à un objet pendant le chauffage.
   • Si vous voulez connaître la quantité totale d'énergie stockée sous forme de chaleur, vous pouvez prétendre que la température initiale était zéro absolu: 0 Kelvin ou -273,15 ° C.
5. Soustrayez la température d'origine de la température après le chauffage. Cela donne le résultat du changement de température de l'objet. En supposant que l'eau était initialement de 15 degrés Celsius et après avoir été chauffée à 35 degrés Celsius, le changement de température est donc de 20 degrés Celsius.
6. Multipliez la masse de l'objet par la chaleur spécifique et le changement de température. Vous écrivez cette formule comme H =mcΔT., où ΔT représente le «changement de température». Dans cet exemple, cela devient 500 g x 4,19 x 20 = 41 900 joules.
   • La chaleur est généralement exprimée en calories ou en kilocalories. Une calorie est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour faire monter 1 gramme d'eau en température de 1 degré Celsius, tandis qu'une kilocalorie (ou calorie) est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 kilogramme d'eau de 1 degré Celsius. . Dans l'exemple ci-dessus, augmenter la température de 500 grammes d'eau de 20 degrés Celsius nécessite 10 000 calories ou 10 kilocalories.

Conseils

• En relation avec le joule, il y a une autre unité de travail et d'énergie appelée erg; 1 erg équivaut à 1 force de dyne multipliée par une distance de 1 cm. Un joule équivaut à 10 000 000 erg.

Mises en garde

• Bien que les termes «joule» et «newton mètre» se réfèrent à la même unité, en pratique le «joule» est utilisé pour désigner toute forme d'énergie et pour un travail effectué en ligne droite, comme dans l'exemple de monter les escaliers ci-dessus. Lorsqu'il est utilisé pour calculer le couple (force sur un objet en rotation), nous préférons le terme "Newton mètre".

Nécessités

Calcul du travail ou de l'énergie cinétique:

• Chronomètre ou minuterie
• Balance ou équilibre
• Calculatrice avec une fonction cosinus (uniquement pour le travail, pas toujours nécessaire)

Calcul de l'énergie électrique:

• La résistance
• Des fils ou une carte de test
• Multimètre (ou un ohmmètre et un courantomètre)
• Pinces fahnestock ou crocodile

Chaleur:

• Objet à chauffer
• Source de chaleur (comme un brûleur Bunsen)
• Thermomètre (un thermomètre à liquide ou un thermomètre avec une sonde)
• Référence chimie / chimie (pour trouver la chaleur spécifique de l'objet chauffé)