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。
ここでは電力とジュール熱の説明をします。
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。
\(P=RI^2\hspace{8px}\) [W]
回路の電圧を \(V\) とすれば、オームの法則により
\(P=RI^2=VI\) [W] になります。
この電力がある時間 [s] にする仕事の量を、電力量 \(W\) といいます。
\(W=Pt=VIt=RI^2t\) [Ws]=[J]
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
\(Q=RI^2t\) [J] となります。
またオームの法則から
\(Q=RI^2t=VIt=\cfrac{V^2}{R}t\) [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 [cal]=4.185 [J]
熱量を \(H\) とすると
\(H=\cfrac{W}{4.185}=\cfrac{RI^2t}{4.185}\) [cal]
熱量
■ \(1\) [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 \(Q=VIt\)
\(Q=VIt=100×5×600\)
\(Q=300,000\) [J]
\(Q=300\) [kJ]
以上で「電力とジュール熱」の説明を終わります。