Joule törvényei – definíció: elektromos hő (I²R) és gáztörvények
Joule törvényei: ismerd meg az elektromos hő (I²R) számítását és a gáztörvények hatását a belső energiára — magyarázatok, képletek és gyakorlati példák.
Joule törvénye két, különböző fizikai jelenségre vonatkozó törvényre utal: az egyik az elektromos áram által termelt hőre (elektronikus hőtermelés), a másik pedig azt fejezi ki, hogy egy gáz belső energiája hogyan függ a nyomástól, a térfogattól és elsősorban a hőmérséklettől.
Első törvény — elektromos hő (I²R)
Joule első törvénye a vezetőn átfolyó elektromos áram által a vezetőben termelt hő mennyiségét adja meg. A törvényt James Prescott Joule-ról nevezték el, és a legegyszerűbb alakban így írható:
Q = I 2 ⋅ R ⋅ t {\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t} 
Itt Q a leadott hőmennyiség (joule, J), I az áramerősség (amper, A), R a vezető ellenállása (ohm, Ω), és t az idő (másodperc, s), amíg az áram folyik. Gyakran a teljesítményből (teljesítmény = időegységre eső energia) kiindulva is írjuk:
- P = I²R (teljesítmény wattban),
- így Q = P·t = I²R·t.
Más alakok, amelyek hasznosak: P = V·I és P = V²/R, ahol V a feszültség (volt, V). A törvény magyarázata az, hogy az elektronok mozgása ütközéseket okoz a kristályszerkezet részecskéivel, ezek a kölcsönhatások alakítják át az elektromos energiát hővé.
Alkalmazások: elektromos fűtőtestek, hajszárítók, izzólámpák, fűtőellenállások és a biztosítékok működése mind ezen az elven alapul. Fontos megjegyezni, hogy magas áramerősség gyorsan nagy hő-termelést okozhat, ezért biztonsági és hűtési szempontból is figyelemmel kell kísérni.
Második törvény — az ideális gáz belső energiája
Joule második törvénye (vagy más megfogalmazásban Joule kísérletei) azt állítja, hogy ideális gáz esetén a belső energia csak a hőmérséklettől függ, és nem függ közvetlenül a gáz térfogatától vagy nyomásától. Ez azt jelenti, hogy izoterm (azonos hőmérsékletű) állapotváltozásnál az ideális gáz belső energiája nem változik, még akkor sem, ha a nyomás és a térfogat változik.
Matematikailag egy tökéletes (ideális) gáz belső energiájára gyakran írjuk: U = n·c_v·T, ahol U a belső energia, n az anyagmennyiség (mol), c_v a moláris fajhő állandó térfogaton, és T a hőmérséklet (kelvin, K). Ennek következménye, hogy a belső energia differenciálisan: dU = n·c_v·dT.
Joule történelmi kísérletei közé tartozik az ún. szabad expanzió (Joule-expanzió), ahol egy gáz tágulása egy elszigetelt térbe nem járt hőmérsékletváltozással ideális gáz esetén. Ugyanakkor valós (nem ideális) gázoknál a belső energia függhet a térfogattól és a nyomástól is, mivel a részecskék közötti kölcsönhatások szerepet játszanak. Ez vezet például a Joule–Thomson-effektushoz, ahol egy gázt gáztorlódáson (throttling) átnyomva hűlés vagy melegedés léphet fel a molekuláris kölcsönhatások miatt.
Rövid összefoglalás és jelentőség
- Első törvény (elektromos): Q = I²·R·t — az elektromos áram hőt termel az ellenállásban; a törvény fontos a villamos készülékek tervezésében és biztonságában.
- Második törvény (gázok): ideális gáz belső energiája csak a hőmérséklettől függ — alapvető szerepe van a termodinamikai számításokban és a gázok viselkedésének megértésében.
James Prescott Joule munkássága alapvető volt a termodinamika és a hőtan kialakulásában; a Joule név ma is gyakran előfordul a fizikai törvények és mértékegységek kapcsán (James Prescott Joule-ról további információ található a linkedben).
Kérdések és válaszok
K: Mik Joule törvényei?
V: A Joule-törvények két fizikai törvény, amelyek leírják az elektromos áram által termelt hő közötti kapcsolatot, valamint azt, hogy egy gáz energiája hogyan függ össze a nyomással és a térfogattal.
K: Mi Joule első törvénye?
V: Joule első törvénye a vezetéken átfolyó elektromos áram által termelt hő közötti kapcsolatot mutatja be. Ez a következő formában jelenik meg: Q = I2Rt, ahol Q a hőmennyiség, I a vezetéken átfolyó elektromos áram, R a vezetőben lévő elektromos ellenállás mértéke, t pedig az az időtartam, amely alatt ez történik.
K: Mit mond Joule második törvénye?
V: Joule második törvénye szerint az ideális gáz belső energiája nem változik, ha a térfogat és a nyomás változik, de változik, ha a hőmérséklet változik.
K: Ki volt James Prescott Joule?
V: James Prescott Joule fizikus volt, aki a termodinamikával kapcsolatos mindkét törvényt kidolgozta. A két törvényen végzett munkája vezetett ahhoz, hogy a nevét összekapcsolják velük.
K: Miért fontos ismerni Joule törvényeit?
V: A Joule-törvények ismerete segít megérteni, hogyan működik az energia különböző rendszerekben, például elektromos áramkörökben vagy gázokban különböző körülmények között, például nyomás- vagy hőmérsékletváltozás esetén. Ez a megértés segíthet jobb rendszerek tervezésében az energia hatékonyabb előállításához vagy felhasználásához.
K: Hogyan lehet kiszámítani az elektromos áram által termelt hőt Joulle első törvénye alapján?
V: Joulse első törvénye szerint az elektromos áram által termelt hőt a következő egyenlet segítségével számíthatjuk ki: Q = I2Rt , ahol Q a hőmennyiség, I a vezetéken átfolyó elektromos áram, R a vezetőben lévő elektromos ellenállás, t pedig az az időtartam, amely alatt ez történik.
Keres