Comment calculer les Joules?

Pour calculer la chaleur en joules, commencez par trouver la masse en grammes de l'objet chauffé.

Nommé en l'honneur du physicien anglais James Prescott Joule, le joule (J) est l'une des unités fondamentales du système métrique international. Le joule est utilisé comme unité de travail, d'énergie et de chaleur et est largement utilisé dans les applications scientifiques. Si vous voulez que votre réponse soit en joules, assurez-vous toujours d'utiliser des unités scientifiques standard. Le "foot pound" ou "l'unité thermique britannique" sont encore utilisés dans certains domaines, mais ils n'ont pas leur place dans vos devoirs de physique.

Formules

Pour apprendre à calculer l'énergie ou travailler en joules, continuez à lire!

Les joules sont une unité d'énergie. Voici des formules pour les situations les plus courantes où vous calculeriez l'énergie. Tant que vous utilisez les unités SI répertoriées sous chaque formule, votre réponse sera en joules.

Travail=Force∗Distance{\displaystyle Travail=Force*Distance} $Travail=force*distance$
- → $Joules=newtons*mètres$
Énergie=Puissance∗Temps{\displaystyle Énergie=Puissance*Temps} $Énergie=puissance*temps$
- → $Joules=watts*secondes$
KineticEnergy=12∗Masse∗Velocity2{\displaystyle KineticEnergy={\frac {1}{2}}*Masse*Vitesse^{2}} $énergie cinétique={\frac {1}{2}}*masse*vitesse^{2}$
- → $Joules={\frac {1}{2}}*kilogrammes*({\frac {mètres}{secondes}})^{2}$
ChangeInHeat=Mass∗SpecificHeatCapacity∗ChangeInTemperature{\displaystyle ChangeInHeat=Mass*SpecificHeatCapacity*ChangeInTemperature} $Variation de chaleur=masse*capacité calorifique spécifique*variation de température$
- → joules = grammes * c * ΔT
- T = température en °C ou kelvins
- La capacité calorifique spécifique c dépend du matériau à chauffer. Ses unités sont les ^joules / _grammes°C.
ElectricalEnergy=Power∗Time=Current2∗Resistance∗Time{\displaystyle ElectricalEnergy=Power*Time=Current^{2}*Resistance*Time} $Énergie électrique=puissance*temps=courant^{2}*résistance*temps$
- → $Joules=watts*secondes=ampères^{2}*ohms*secondes$

Méthode 1 sur 5: calcul du travail en joules

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Comprendre ce que signifie le travail en physique. Si vous poussez une boîte à travers la pièce, vous avez fait du travail. Si vous le soulevez vers le haut, vous avez fait du travail. Deux qualités importantes doivent être présentes pour que le «travail» se produise:
- Vous appliquez une force constante.
- La force fait que l'objet se déplace dans la direction de la force.
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Définir le travail. Le travail est facile à calculer. Il suffit de multiplier la quantité de force utilisée et la distance parcourue. Habituellement, les scientifiques mesurent la force en Newtons et la distance en mètres. Si vous utilisez ces unités, votre réponse sera un travail en unités de Joules.
- Chaque fois que vous lisez un mot sur le travail, arrêtez-vous et réfléchissez à l'endroit où la force est appliquée. Si vous soulevez une boîte, vous la poussez vers le haut et la boîte se déplace vers le haut - la distance est donc aussi grande qu'elle augmente. Mais si vous avancez ensuite en tenant la boîte, il n'y a aucun travail du tout. Vous poussez toujours vers le haut pour empêcher la boîte de tomber, mais la boîte ne monte pas.
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Trouvez la masse de l'objet déplacé. Vous devez connaître la masse pour déterminer la force dont vous avez besoin pour la déplacer. Pour notre premier exemple, nous utiliserons une personne soulevant un poids du sol à sa poitrine et calculerons le travail que cette personne exerce sur le poids. Disons que le poids a une masse de 10 kilogrammes (kg).
- Évitez d'utiliser des livres ou d'autres unités non standard, ou votre réponse finale ne sera pas en termes de joules.
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Calculer la force. Force = masse x accélération. Dans notre exemple, en soulevant un poids vers le haut, l'accélération que nous combattons est due à la gravité, qui équivaut à 9,8 mètres/seconde ². Calculez la force nécessaire pour déplacer notre poids vers le haut en multipliant (10 kg) x (9,8 m/s ²) = 98 kg m/s ² = 98 Newtons (N).
- Si l'objet est déplacé horizontalement, la gravité n'a pas d'importance. Le problème peut vous demander de calculer la force requise pour surmonter la friction à la place. Si le problème vous indique à quelle vitesse l'objet accélère lorsqu'il est poussé, vous pouvez multiplier l'accélération donnée par la masse.
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Mesurez la distance parcourue. Pour cet exemple, disons que le poids est soulevé de 1,5 mètre (m). La distance doit être mesurée en mètres, sinon votre réponse finale ne sera pas écrite en Joules.
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Multipliez la force par la distance. Pour soulever un poids de 98 Newton à 1,5 mètre vers le haut, vous devrez exercer 98 x 1,5 = 147 Joules de travail.
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Calculer le travail pour les objets se déplaçant selon un angle. Notre exemple ci-dessus était simple: quelqu'un a exercé une force vers le haut sur l'objet, et l'objet s'est déplacé vers le haut. Parfois, la direction de la force et le mouvement de l'objet ne sont pas tout à fait les mêmes, en raison de plusieurs forces agissant sur l'objet. Dans l'exemple suivant, nous allons calculer la quantité de Joules nécessaire à un enfant pour faire glisser un traîneau sur 20 mètres sur de la neige plate en tirant sur une corde inclinée vers le haut à 30°. Pour ce scénario, Travail = force x cosinus(θ) x distance. Le symbole θ est la lettre grecque "thêta", et décrit l'angle entre la direction de la force et la direction du mouvement.
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Trouvez la force totale appliquée. Pour ce problème, disons que l'enfant tire sur la corde avec une force de 10 Newtons.
- Si le problème vous donne la "force vers la droite", la "force vers le haut" ou la "force dans la direction du mouvement", il a déjà calculé la partie "force x cos(θ)" du problème, et vous pouvez passer à multiplier les valeurs entre elles
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Calculer la force correspondante. Seule une partie de la force tire le traîneau vers l'avant. Puisque la corde est inclinée vers le haut, le reste de la force essaie de tirer le traîneau vers le haut, tirant inutilement contre la gravité. Calculez la force qui s'applique dans la direction du mouvement:
- Dans notre exemple, l'angle θ entre la neige plate et la corde est de 30°.
- Calculez cos (θ). cos(30°) = (√3)/2 = environ 0,866. Vous pouvez utiliser une calculatrice pour trouver cette valeur, mais assurez-vous que votre calculatrice est réglée sur la même unité que votre mesure d'angle (degrés ou radians).
- Multipliez la force totale x cos(θ). Dans notre exemple, 10N x 0,866 = 8,66 N de force dans le sens du mouvement.
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Multipliez la force x la distance. Maintenant que nous savons combien de force va réellement vers la direction du mouvement, nous pouvons calculer le travail comme d'habitude. Notre problème nous dit que le traîneau a avancé de 20 mètres, donc calculez 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de travail.

Méthode 2 sur 5: calculer les joules à partir des watts

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Comprendre le pouvoir et l'énergie. Les watts sont une mesure de la puissance ou de la vitesse à laquelle l'énergie est utilisée (énergie au fil du temps). Joules est une mesure de l' énergie. Afin de convertir des watts en joules, vous devez spécifier une durée. Plus un courant circule longtemps, plus il consomme d'énergie.
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Multipliez les watts par les secondes pour obtenir des joules. Un appareil de 1 watt consomme 1 joule d'énergie toutes les 1 seconde. Si vous multipliez le nombre de watts par le nombre de secondes, vous obtiendrez des joules. Pour savoir combien d'énergie une ampoule de 60W consomme en 120 secondes, multipliez simplement (60 watts) x (120 secondes) = 7200 Joules.
- Cette formule fonctionne pour toute forme de puissance mesurée en watts, mais l'électricité est l'application la plus courante.

Méthode 3 sur 5: calcul de l'énergie cinétique en joules

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Comprendre l'énergie cinétique. L'énergie cinétique est la quantité d'énergie sous forme de mouvement. Comme toute unité d'énergie, elle peut être exprimée en unités de Joules.
- L'énergie cinétique est équivalente à la quantité de travail effectué pour accélérer un objet stationnaire à une certaine vitesse. Une fois qu'il a atteint cette vitesse, l'objet conserve cette quantité d'énergie cinétique jusqu'à ce que cette énergie se transforme en chaleur (provenant de la friction), en énergie potentielle gravitationnelle (en se déplaçant contre la gravité) ou en d'autres types d'énergie.
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Trouvez la masse de l'objet. Par exemple, nous pouvons mesurer l'énergie cinétique d'un vélo et d'un cycliste. Disons que le cycliste a une masse de 50 kg, et que le cycle a une masse de 20 kg, pour une masse totale m de 70 kg. Nous pouvons maintenant les traiter comme un seul objet de 70 kg, puisqu'ils voyageront ensemble à la même vitesse.
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Calculer la vitesse. Si vous connaissez déjà la vitesse ou la vélocité du cycliste, notez-la simplement et continuez. Si vous devez le calculer vous-même, utilisez l'une des méthodes ci-dessous. Notez que nous nous soucions de la vitesse, pas de la vitesse (qui est la vitesse dans une certaine direction), même si l'abréviation v est souvent utilisée. Ignorez les virages effectués par le cycliste et prétendez que toute la distance parcourue est une ligne droite.
- Si le cycliste s'est déplacé à une vitesse constante (n'a pas accéléré), mesurez la distance parcourue par le cycliste en mètres et divisez-la par le nombre de secondes qu'il a fallu pour parcourir cette distance. Cela vous donnera la vitesse moyenne, qui dans ce scénario est la même que la vitesse à un moment donné.
- Si le cycliste accélère à accélération constante et ne change pas de direction, calculez sa vitesse à l'instant t avec la formule «vitesse à l'instant t = (accélération)(t) + vitesse initiale. Utilisez les secondes pour mesurer le temps, les mètres/seconde pour mesurer la vitesse et m/s ² pour mesurer l'accélération.
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Entrez ces nombres dans la formule suivante. Énergie cinétique = (0,5)mv ². Par exemple, si le cycliste roule à 15 m/s, son énergie cinétique K = (0,5)(70 kg)(15 m/s) ² = (0,5)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm² /s ² = 7875 newton mètres = 7875 joules.
- La formule de l'énergie cinétique peut être dérivée de la définition du travail, W = FΔs, et de l'équation cinématique v ² = v ₀² + 2aΔs. Δs fait référence au «changement de position» ou à la distance parcourue.

Méthode 4 sur 5: calculer la chaleur en joules

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Trouvez la masse de l'objet chauffé. Utilisez pour cela une balance ou une balance à ressort. Si l'objet est un liquide, pesez d'abord le récipient vide dans lequel le liquide sera contenu et trouvez sa masse. Vous devrez le soustraire de la masse du récipient et du liquide ensemble pour trouver la masse du liquide. Pour cet exemple, nous supposerons que l'objet contient 500 grammes d'eau.
- Utilisez des grammes, pas une autre unité, ou le résultat ne sera pas en Joules.
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Trouvez la capacité thermique spécifique de l'objet. Cette information peut être trouvée dans une référence de chimie, sous forme de livre ou en ligne. Pour l'eau, la capacité calorifique spécifique c est de 4,19 joules par gramme pour chaque degré Celsius qu'elle est chauffée - ou 4 1855, si vous devez être très précis.
- La capacité calorifique spécifique varie en fait légèrement en fonction de la température et de la pression. Différentes organisations et manuels utilisent différentes "températures standard", vous pouvez donc voir la capacité thermique spécifique de l'eau répertoriée comme 4179 à la place.
- Vous pouvez utiliser Kelvin au lieu de Celsius, car une différence de température est la même dans les deux unités (chauffer quelque chose de 3°C équivaut à chauffer de 3 Kelvin). N'utilisez pas Fahrenheit, ou votre résultat ne sera pas en Joules.
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Trouvez la température actuelle de l'objet. Si l'objet est un liquide, vous pouvez utiliser un thermomètre à bulbe. Pour certains objets, vous aurez peut-être besoin d'un thermomètre à sonde.
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Chauffer l'objet et mesurer à nouveau la température. Cela permettra à l'utilisation de mesurer la quantité de chaleur ajoutée à l'objet pendant la chaleur.
- Si vous voulez mesurer la quantité totale d'énergie stockée sous forme de chaleur, vous pouvez prétendre que la température initiale était le zéro absolu: 0 Kelvin ou -273,15°C. Ce n'est généralement pas utile.
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Soustraire la température d'origine de la température chauffée. Cela produira les degrés de changement de température dans l'objet. En supposant que l'eau était à l'origine à 15°C et chauffée à 35°C, le changement de température serait de 20°C.
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Multipliez la masse de l'objet par sa capacité thermique spécifique et par la quantité de changement de température. Cette formule est écrit H = mc Δ T, où des moyens d'AT «changement de température.» Pour cet exemple, ce serait 500g x 4,19 x 20, ou 41900 joules.
- La chaleur est plus communément exprimée dans le système métrique en termes de calories ou de kilocalories. Une calorie est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'eau de 1 degré Celsius, tandis qu'une Kilocalorie (ou Calorie) est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 kilogramme d'eau de 1 degré Celsius. Dans l'exemple ci-dessus, élever 500 grammes d'eau à 20°C dépenserait 10000 calories ou 10 kilocalories.

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Méthode 5 sur 5: calculer l'énergie électrique en joules

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Utilisez les étapes ci-dessous pour calculer le flux d'énergie dans un circuit électrique. Les étapes ci-dessous sont écrites à titre d'exemple pratique, mais vous pouvez également utiliser la méthode pour comprendre des problèmes de physique écrits. Tout d'abord, nous allons calculer la puissance P en utilisant la formule P = I ² x R, où I est le courant en ampères (ampères) et R est la résistance en ohms. Ces unités nous donnent la puissance en watts, donc à partir de là, nous pouvons utiliser la formule de l'étape précédente pour calculer l'énergie en joules.
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Choisissez une résistance. Les résistances sont évaluées en ohms, l'évaluation étant soit étiquetée directement, soit indiquée par une série de bandes colorées. Vous pouvez également tester la résistance d'une résistance en la connectant à un ohmmètre ou un multimètre. Pour cet exemple, nous supposerons que la résistance est évaluée à 10 ohms.
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Connectez la résistance à une source de courant. Soit les fils de connexion de la résistance avec Fahnestock ou alligator clips, ou brancher la résistance dans une carte de test.
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Faites passer un courant dans le circuit pendant une période de temps définie. Pour cet exemple, nous utiliserons une période de 10 secondes.
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Mesurer la force du courant. Faites-le avec un ampèremètre ou un multimètre. La plupart du courant domestique est en milliampères, ou millièmes d'ampère, nous supposerons donc que le courant est de 100 milliampères, ou 0,1 ampère.
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Utilisez la formule P = i ² x R. Pour trouver la puissance, multipliez le carré du courant par la résistance. Cela donne la puissance de sortie en watts. La quadrature de 0,1 donne 0,01, multiplié par 10, donne une puissance de 0,1 watt, ou 100 milliwatts.
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Multipliez la puissance par le temps écoulé. Cela donne l'énergie produite en joules. 0,1 watt x 10 secondes équivaut à 1 joule d'énergie électrique.
- Comme les joules sont de petites unités et parce que les appareils utilisent généralement des watts, des milliwatts et des kilowatts pour indiquer la quantité d'énergie qu'ils utilisent, les services publics mesurent généralement leur production d'énergie en kilowattheures. Un watt équivaut à 1 joule par seconde, ou 1 joule équivaut à 1 watt-seconde; un kilowatt équivaut à 1 kilojoule par seconde et un kilojoule équivaut à 1 kilowatt-seconde. Comme il y a 3600 secondes dans une heure, 1 kilowatt-heure équivaut à 3600 kilowatt-secondes, 3600 kilojoules ou 3600.000 joules.

Conseils

Lié au joule est une autre unité métrique de travail et d'énergie appelée l'erg; 1 erg équivaut à 1 dyne de force multipliée par une distance de 1 cm. Un joule équivaut à 10000 000 ergs.

Mises en garde

Bien que les termes «joule» et «newton-mètre» décrivent la même unité, dans la pratique, «joule» est utilisé pour représenter toute forme d'énergie et pour un travail effectué en ligne droite, comme dans l'exemple ci-dessus de l'exécution d'un vol de escaliers. Lorsqu'il est utilisé pour mesurer le couple, l'application d'une force lors de la rotation d'un objet, le terme «newton-mètre» est préféré.

Choses dont vous aurez besoin

Donc calculez 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de travail — Notre problème nous dit que le traîneau a avancé de 20 mètres, donc calculez 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de travail.

Travail ou énergie cinétique:

Chronomètre ou minuterie
Balance ou balance
Calculatrice avec fonction cosinus (fonctionne uniquement, pas toujours nécessaire)

Nous pouvons utiliser la formule de l'étape précédente pour calculer l'énergie en joules — Ces unités nous donnent la puissance en watts, donc à partir de là, nous pouvons utiliser la formule de l'étape précédente pour calculer l'énergie en joules.

Calcul de l'énergie électrique:

Résistance
Fils ou carte de test
Multimètre (ou ohmmètre et ampèremètre séparés)
Fahnestock ou pinces crocodiles

Chaleur:

Objet à chauffer
Source de chaleur (comme un bec Bunsen)
Thermomètre (soit à bulbe, soit à sonde)
Ouvrage de référence de chimie (pour trouver la capacité thermique spécifique de l'objet à chauffer)