Joule'i seadused: elektrisoojus (Q=I²·R·t) ja gaasi siseenergia
Joule'i seadusi on kaks: esimene käsitleb elektrivoolu tekitatud soojust ja teine seda, kuidas gaasi energia on seotud rõhu ja mahuga.
Joule'i esimene seadus näitab seost elektrijuhtme kaudu voolava elektrivoolu tekitatud soojuse vahel. See on nimetatud James Prescott Joule'i järgi ja on esitatud järgmiselt:
Q = I 2 ⋅ R ⋅ t {\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t} 
Kus Q on soojuse hulk, I on elektrivool, mis voolab läbi juhi, R on juhis olev elektritakistus ja t on aeg, mille jooksul see toimub.
Joule'i teine seadus ütleb, et ideaalse gaasi siseenergia ei muutu, kui muutuvad ruumala ja rõhk, kuid muutub, kui muutub temperatuur.
Joule'i seadus on oluline.
Esimene seadus — elektrisoojus (Q = I²·R·t)
Esimene seadus kirjeldab, kuidas elektrivoolu tõttu tekib soojus. See põhineb võimsuse ja takistuse seostel: elektrivõimsus on P = I·V ning Ohmi seaduse V = I·R kombineerimisel saab võimsuseks P = I²·R. Soojushulk, mis juhis tekib aja jooksul t, on seega Q = P·t = I²·R·t.
- Ühikute seletus: Q mõõdetakse džaulides (J), I amprites (A), R oomides (Ω) ja t sekundites (s).
- Alternatiivsed kujutised: Q = V·I·t ja, kasutades V = I·R, ka Q = V²·t / R.
- Rakendused: elektrilised küttekehad, veesoojendid, pirnid, sulavkaitsmed ja soojushajumine ülekandeliinides.
- Ohutus ja efektiivsus: suur kuumenemine võib kahjustada seadmeid või põhjustada tuleohu; elektrienergia kasulik kasutus nõuab sageli soojuskadude minimeerimist.
Teine seadus — gaasi siseenergia ja temperatuur
Teine Joule'i seadus (sageli nimetatud ka Joule'i katseks vaba paisumisega) ütleb, et ideaalse gaasi siseenergia sõltub ainuüksi temperatuurist, mitte rõhust ega mahust. Praktiline järeldus: kui ideaalse gaasi temperatuur ei muutu, siis tema siseenergia ei muutu isegi siis, kui gaasi ruumala või rõhk muutub.
Olulised märkused:
- Matemaatiliselt: ideaalgaasi sisenergia (molaarne või koguseline) on seostatav temperatuuriga: U = n·c_v·T (kus n on moolide arv ja c_v on molaarne engisisendi soojusmahtuvus konstantsi juures) ning monaatomse ideaalse gaasi puhul kehtib U = (3/2)·n·R·T.
- Joule'i vaba paisumine: Joule katsetas gaasi paisumist vakuumi (vaba paisumine) ja mõõtis, et ideaalse gaasi temperatuur ei muutunud — see toetas järeldust, et siseenergia sõltub ainult temperatuurist.
- Reaalsed gaasid: reaalsel gaasil võib siseenergia sõltuda ka mahust (tingitud molekulaarsetest interaktsioonidest). Selliseid toimeid kirjeldavad nt Joule–Thomsoni efekt ja Joule'i koefitsient, mis näitavad, et mõnel tingimusel võib paisumisel temperatuur kas tõusta või langeda.
- Seos termodünaamikaga: esmane üldine reegel on esimene termodünaamika seadus: ΔU = Q − W (siseenergia muutus = süsteemi antud soojus miinus süsteemi poolt tehtud töö). Kui temperatuur ei muutu (isotermiline protsess ideaalse gaasi puhul), siis ΔU = 0 ja Q = W.
Miks need seadused on tähtsad?
Joule'i seadused ühendavad elektroonika, termodünaamika ja tööstuspraktika. Esimene seadus aitab hinnata ja juhtida soojuskadusid ning disainida kütte- ja kaitsesüsteeme. Teine seadus annab aluse mõistmaks, millal ja kuidas gaaside siseenergia muutub ning on oluline termodünaamiliste protsesside ja külmutussüsteemide analüüsis. Mõlemaid seadusi toetavad eksperimentaalsed tõestused ja need on aluseks tänapäevasele energia- ja soojusülekande mõistmisele.
Küsimused ja vastused
K: Millised on Joule'i seadused?
V: Joule'i seadused on kaks füüsikalist seadust, mis kirjeldavad seost elektrivoolu tekitatud soojuse ja gaasi energia seotuse vahel rõhu ja mahuga.
K: Mis on Joule'i esimene seadus?
V: Joule'i esimene seadus näitab, milline on suhe elektrijuhtme kaudu voolava elektrivoolu tekitatud soojuse vahel. See on esitatud kujul Q = I2Rt, kus Q on soojuse hulk, I on elektri vool, mis voolab läbi juhi, R on elektri takistuse hulk juhis ja t on aeg, mille jooksul see toimub.
K: Mida ütleb Joule'i teine seadus?
V: Joule'i teine seadus ütleb, et ideaalse gaasi siseenergia ei muutu, kui muutuvad ruumala ja rõhk, kuid muutub, kui muutub temperatuur.
K: Kes oli James Prescott Joule?
V: James Prescott Joule oli füüsik, kes töötas välja mõlemad termodünaamikaga seotud seadused. Tema töö nende kahe seadusega viis selleni, et tema nimi seostub nendega.
K: Miks on oluline teada Joule'i seadusi?
V: Joule'i seaduste tundmine aitab meil mõista, kuidas energia toimib erinevates süsteemides, näiteks elektriahelates või gaasides, erinevates tingimustes, näiteks rõhu või temperatuuri muutudes. See arusaam aitab meil projekteerida paremaid süsteeme energia tõhusamaks tootmiseks või kasutamiseks.
Küsimus: Kuidas saame Joulesi esimese seaduse järgi arvutada elektrivoolu poolt tekitatud soojust?
V: Vastavalt Joulesi esimesele seadusele saame arvutada elektrivoolu tekitatud soojuse, kasutades järgmist võrrandit - Q = I2Rt , kus Q on soojuse kogus, I on elektri vool, mis voolab läbi juhi, R on juhis olev elektritakistus ja t on aeg, mille jooksul see toimub.
