Nomeado em homenagem ao físico britânico James Edward Joule, o joule (J) é uma das unidades básicas do sistema métrico internacional. O joule é usado como uma unidade de trabalho, energia e calor, e é amplamente utilizado em aplicações científicas. Se você quiser sua resposta em joules, sempre certifique-se de usar unidades científicas padrão. O foot-pound ou unidade britânica de calor (BTU) ainda é usado em alguns campos, mas não em seu dever de física.
Etapa
Método 1 de 5: Calculando Trabalho em Joules
Etapa 1. Compreender o trabalho em física
Se você empurra uma caixa através de uma sala, você fez um esforço. Se você levantar a caixa, também fez um esforço. Existem dois critérios importantes que devem existir no "negócio":
- Você fornece um estilo estável.
- Essa força faz os objetos se moverem na mesma direção da força.
Etapa 2. Compreender a definição de negócio
O esforço é fácil de calcular. Basta multiplicar a quantidade de força e a distância total que o objeto percorreu. Normalmente, os cientistas expressam força em Newtons e distância em metros. Se você usar essas duas unidades, a unidade de trabalho resultante será Joules.
Sempre que você ler uma pergunta sobre negócios, pare e pense onde está o estilo. Se você levantar a caixa, você a empurra para que a caixa se mova para cima. Portanto, a distância que a caixa percorre é o quão alto ela subiu. No entanto, da próxima vez que você avançar com a caixa, nenhum esforço será feito nesse processo. Mesmo se você ainda estiver empurrando a caixa para evitar que caia, ela não está mais se movendo
Etapa 3. Encontre a massa do objeto que está sendo deslocado
A massa de um objeto é necessária para calcular a força necessária para movê-lo. Em nosso exemplo, suponha que a carga tenha uma massa de 10 quilogramas (kg).
Evite usar libras ou outras unidades fora do padrão, ou sua resposta final não será em joules
Etapa 4. Calcule o estilo
Força = massa x aceleração. Em nosso exemplo, levantando o peso diretamente para cima, a aceleração que exercemos é devido à gravidade, que em circunstâncias normais acelera o objeto para baixo a 9,8 metros / s.2. Calcule a força necessária para mover nossa carga para cima, multiplicando (10 kg) x (9,8 m / s2) = 98 kg m / s2 = 98 newtons (N).
Se o objeto for movido horizontalmente, a gravidade não tem efeito. O problema pode exigir que você calcule a força necessária para resistir ao atrito. Se o problema indicar a aceleração de um objeto conforme ele é empurrado, você pode multiplicar a aceleração conhecida por sua massa
Etapa 5. Meça o deslocamento percorrido
Para este exemplo, suponha que uma carga seja elevada a uma altura de 1,5 metros (m). O deslocamento deve ser medido em metros, ou sua resposta final não será em joules.
Etapa 6. Multiplique a força pelo deslocamento
Para levantar 98 newtons de peso de 1,5 metros de altura, você precisa fazer 98 x 1,5 = 147 joules de trabalho.
Etapa 7. Calcule o trabalho realizado para mover o objeto em um determinado ângulo
Nosso exemplo acima é simples: alguém exerce uma força para frente em um objeto, e o objeto se move para frente. Às vezes, a direção da força e o movimento do objeto não são iguais, porque existem várias forças agindo sobre o objeto. No próximo exemplo, calcularemos o número de joules necessários para uma criança puxar um trenó por 25 metros pela neve plana puxando a corda em um ângulo de 30º. Para este problema, trabalho = força x cosseno (θ) x deslocamento. O símbolo é a letra grega theta e descreve o ângulo entre a direção da força e a direção do movimento.
Etapa 8. Encontre a força total aplicada
Para este problema, suponha que uma criança puxa uma corda com uma força de 10 newtons.
Se o problema exerce uma força para a direita, uma força para cima ou uma força na direção do movimento, então essas forças já são responsáveis pela porção x cosseno (θ) da força, e você pode pular e continuar multiplicando os valores
Etapa 9. Calcule a força correspondente
Apenas alguns estilos puxam o trenó para a frente. Quando o barbante está apontando para cima, outra força tenta puxá-lo para cima, puxando-o contra a gravidade. Calcule a força exercida na direção do movimento:
- Em nosso exemplo, o ângulo entre a neve plana e a corda é de 30º.
- Calcule cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = aproximadamente 0,866. Você pode usar uma calculadora para encontrar esse valor, mas certifique-se de que sua calculadora use as mesmas unidades da medida do ângulo (graus ou radianos).
- Multiplique a força total x cos (θ). Em nosso exemplo, 10 N x 0,866 = 8,66 força na direção do movimento.
Etapa 10. Multiplique a força x deslocamento
Agora que sabemos a força que está avançando na direção do movimento, podemos calcular o trabalho normalmente. Nosso problema nos diz que o trenó avança 20 metros, então calcule 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de trabalho.
Método 2 de 5: Calculando Joules de Watts
Etapa 1. Compreenda o poder e a energia
Watt é uma unidade de potência ou taxa de uso de energia (energia dividida pelo tempo). Enquanto Joule é uma unidade de energia. Para converter Watts em Joules, você precisa determinar o tempo. Quanto mais tempo flui a corrente elétrica, maior é a energia utilizada.
Etapa 2. Multiplique Watts por segundos para obter Joules
Um dispositivo de 1 Watt consome 1 Joule de energia a cada 1 segundo. Se você multiplicar o número de Watts por segundos, obterá Joules. Para descobrir quanta energia uma lâmpada de 60W consome em 120 segundos, basta multiplicar 60 watts x 120 segundos = 7.200 Joules.
Esta fórmula pode ser usada para qualquer potência expressa em Watts, mas geralmente em eletricidade
Método 3 de 5: Calculando a energia cinética em Joules
Etapa 1. Compreenda a energia cinética
A energia cinética é a quantidade de energia na forma de movimento. Como outras unidades de energia, a energia cinética pode ser escrita em joules.
A energia cinética é igual à quantidade de trabalho realizado para acelerar um objeto estático a uma determinada velocidade. Quando o objeto atinge essa velocidade, ele manterá uma certa quantidade de energia cinética até que a energia se transforme em calor (de fricção), energia potencial gravitacional (de movimento contra a gravidade) ou outros tipos de energia
Etapa 2. Encontre a massa do objeto
Por exemplo, medimos a energia cinética de uma bicicleta e de um ciclista. Por exemplo, o ciclista tem uma massa de 50 kg, e sua bicicleta tem uma massa de 20 kg, para uma massa total m de 70 kg. Agora, consideramos os dois como um único objeto com massa de 70 kg, porque ambos se moverão na mesma velocidade.
Etapa 3. Calcule a velocidade
Se você já conhece a velocidade ou velocidade do ciclista, basta anotar e seguir em frente. Se você precisar calcular a velocidade, use um dos métodos abaixo. Observe que estamos procurando velocidade, não velocidade (que é a velocidade em uma determinada direção), embora a abreviatura v seja freqüentemente usada. Ignore quaisquer curvas que o ciclista fizer e presuma que toda a distância é coberta em linha reta.
- Se o ciclista estiver se movendo a uma velocidade constante (não acelerando), meça a distância que o ciclista percorre em metros e divida pelo número de segundos que levará para percorrer essa distância. Este cálculo resultará na velocidade média, que neste caso é igual à velocidade instantânea.
- Se o ciclista experimenta aceleração constante e não muda de direção, calcule sua velocidade no tempo t usando a fórmula para velocidade no tempo t = (aceleração) (t) + velocidade inicial. Use o segundo para medir o tempo, metro / segundo para medir a velocidade e m / s2 para medir a aceleração.
Etapa 4. Insira esses números na fórmula a seguir
Energia cinética = (1/2) m v 2. Por exemplo, se um ciclista está se movendo a uma velocidade de 15 m / s, sua energia cinética EK = (1/2) (70 kg) (15 m / s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm2/ s2 = 7875 newton metros = 7875 joules.
A fórmula para a energia cinética pode ser derivada da definição de trabalho, W = FΔs, e da equação cinemática v2 = v02 + 2aΔs. s representa uma mudança na posição ou distância percorrida.
Método 4 de 5: Calculando Calor em Joules
Etapa 1. Encontre a massa do objeto que está sendo aquecido
Use uma balança ou balança de mola para medi-lo. Se o objeto for um líquido, primeiro meça o recipiente vazio em que o líquido está e encontre sua massa. Você precisa subtraí-lo da massa do recipiente mais o líquido para encontrar a massa do líquido. Para este exemplo, digamos que o objeto seja 500 gramas de água.
Use gramas, não outras unidades, ou o resultado não será joules
Etapa 2. Encontre o calor específico do objeto
Essas informações podem ser encontradas em referências de química, tanto na forma de livro quanto online. Para a água, o calor específico de c é 4,19 joules por grama para cada grau Celsius aquecido - ou 4,1855, se você precisar do valor exato.
- O calor específico real varia ligeiramente com base na temperatura e pressão. Diferentes organizações e livros didáticos usam diferentes temperaturas padrão, então você pode ver o calor específico da água listado como 4.179.
- Você pode usar Kelvin em vez de Celsius porque a diferença de temperatura é a mesma para ambas as unidades (aquecer algo em 3ºC é igual a aquecer em 3 Kelvin). Não use Fahrenheit ou seus resultados não serão em joules.
Etapa 3. Encontre a temperatura inicial do objeto
Se o objeto for um líquido, você pode usar um termômetro de mercúrio. Para alguns itens, pode ser necessário um termômetro de sonda.
Etapa 4. Aqueça o objeto e meça a temperatura novamente
Isso medirá o ganho de calor do objeto durante o aquecimento.
Se você quiser medir a quantidade total de energia armazenada como calor, pode assumir que a temperatura inicial é zero absoluto: 0 Kelvin ou -273,15ºC. Isso não é muito útil
Etapa 5. Subtraia a temperatura inicial da temperatura de aquecimento
Essa redução resultará em um grau de mudança de temperatura no objeto. Assumindo que a água estava anteriormente a 15 graus Celsius e aquecida a 35 graus Celsius, a temperatura muda para 20 graus Celsius.
Etapa 6. Multiplique a massa do objeto por seu calor específico e pela magnitude da mudança de temperatura
A fórmula é escrita Q = mc T, onde T é a mudança na temperatura. Para este exemplo, seria 500g x 4, 19 x 20 ou 41.900 joules.
O calor é mais frequentemente escrito no sistema métrico de calorias ou quilocalorias. Uma caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius, enquanto uma quilocaloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 quilograma de água em 1 grau Celsius. No exemplo acima, aumentar a temperatura de 500 gramas de água em 20 graus Celsius consumirá 10.000 calorias ou 10 quilocalorias
Método 5 de 5: Calculando Joules como Energia Elétrica
Etapa 1. Use as etapas abaixo para calcular o fluxo de energia em um circuito elétrico
As etapas abaixo são listadas como exemplos práticos, mas você também pode usar o método para entender problemas de física escritos. Primeiro, vamos calcular a potência P usando a fórmula P = I2 x R, onde I é a corrente em amperes e R é a resistência em ohms. Essas unidades produzem potência em watts, portanto, a partir daqui, podemos usar a fórmula da etapa anterior para calcular a energia em joules.
Etapa 2. Escolha um resistor
Os resistores são medidos em ohms, com tamanhos escritos diretamente ou representados por uma coleção de linhas coloridas. Você também pode testar a resistência de um resistor conectando-o a um ohmímetro ou multímetro. Para este exemplo, assumimos que o resistor é de 10 ohms.
Etapa 3. Conecte o resistor à fonte de corrente
Você pode conectar os fios ao resistor com uma pinça Fahnestock ou jacaré, ou pode conectar o resistor a uma placa de teste.
Etapa 4. Flua a corrente através do circuito por um determinado intervalo de tempo
Para este exemplo, usaremos um intervalo de 10 segundos.
Etapa 5. Meça a intensidade da corrente
Faça isso com um amperímetro ou multímetro. A maioria das correntes domésticas é medida em miliamperes, ou milhares de amperes, então presumimos que a corrente seja de 100 miliamperes ou 0,1 amperes.
Etapa 6. Use a fórmula P = I2 x R.
Para encontrar a potência, multiplique o quadrado da corrente pela resistência. Isso resulta em potência em watts. Quadrado 0,1 dá um resultado de 0,01, multiplicado por 10 dá uma saída de potência de 0,1 watts ou 100 miliwatts.
Etapa 7. Multiplique a potência pelo tempo decorrido
Essa multiplicação dá a produção de energia em joules. 0,1 watt x 10 segundos é igual a 1 joule de energia elétrica.
