電力とジュール熱

電気エネルギーは、熱や位置エネルギーなどに変換されて仕事をします。

電気が単位時間にする仕事を、「電力」 といい単位にワット[W]を使います。

ジュール熱 は抵抗に電流が流れて発生する熱です。

電流がすべて熱になるとき、単位時間あたりのジュール熱は電力と同じです。

電力

図のように、抵抗 \(R\) に電流 \(I\) が流れるときの、電力 \(P\) は次のようになります。

\(P=RI^2\hspace{8px}\rm \quad\rm[W]\)

回路の電圧を \(V\) とすれば、オームの法則により

\(P=RI^2=VI\quad\rm[W]\) になります。

この電力がある時間 \(t\quad\rm[s]\) にする仕事の量を、電力量 \(W\) といいます。

\(W=Pt=VIt=RI^2t\quad\rm[Ws]=[J]\)

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ジュールの法則とジュール熱

図のような抵抗に電流を流すと、電気エネルギーが熱エネルギーに変わります。

このときの抵抗の消費電力量は、発熱量に等しくなります。

この法則を ジュールの法則 といい、発生する熱を ジュール熱 といいます。

抵抗 \(R\) に電流 \(I\) が \(t\) 秒間流れたときの発熱量 \(Q\) は

\(Q=RI^2t\quad\rm[J]\) となります。

またオームの法則から

\(Q=RI^2t=VIt=\cfrac{V^2}{R}t\quad\rm[J]\) となります。

熱量について

抵抗で消費された電力は、ジュール熱として熱に変換されます。

熱エネルギーの単位としてジュール \(\rm [J]\) の他にカロリー \(\rm [cal]\) があります。

\(1\hspace{8px}\rm [cal]=4.185\quad\rm[J]\)

熱量を \(H\) とすると

\(H=\cfrac{W}{4.185}=\cfrac{RI^2t}{4.185}\quad\rm[cal]\)

■ \(1\quad\rm[cal]\)とは

1 気圧のとき 1g(=1cc) の水を 1℃ 上げるのに必要な熱量をいいます。

練習問題

 

問題1

100ボルトで5アンペア流れる電熱器があります。10分間使用したときの発熱量 \(Q\) を求めよ。

<解 答>

発熱量=仕事量=電力量になります。

時間を秒に換算すると、10分は600秒になります。

発熱量 \(Q=VIt\)

\(Q=VIt=100×5×600\)

\(Q=300,000\quad\rm[J]\) 

\(Q=300\quad\rm[kJ]\) 

以上で「電力とジュール熱」の説明を終わります。