Джоулевое нагревание - Joule heating

Спиральный нагревательный элемент от электрического тостера, показывая от красного до желтого накал

Джоулевое нагревание, также известный как резистивный, сопротивление, или же Омический нагрев, это процесс, посредством которого прохождение электрический ток через дирижер производит высокая температура.

Первый закон Джоуля, также известный как закон Джоуля – Ленца,^[1] заявляет, что мощность тепла, генерируемого электрический проводник пропорционален произведению его сопротивление и квадрат тока:

${\displaystyle P\propto I^{2}R}$

Джоулев нагрев влияет на весь электрический проводник, в отличие от Эффект Пельтье который передает тепло от одного электрического спая к другому.

История

Джеймс Прескотт Джоуль впервые опубликовано в декабре 1840 г., аннотация в Труды Королевского общества, предполагая, что тепло могло быть произведено электрическим током. Джоуль погрузил кусок проволоки в фиксированный масса из воды и измерил температура рост из-за известного тока, протекающего через провод в течение 30 минута период. Варьируя ток и длину провода, он пришел к выводу, что выделяемое тепло было пропорциональный к квадрат тока, умноженного на электрическое сопротивление погруженной проволоки.^[2]

В 1841 и 1842 годах последующие эксперименты показали, что количество выделяемого тепла пропорционально теплу. химическая энергия используется в гальваническая свая это привело к тому, что Джоуль отверг теория калорий (в то время преобладающая теория) в пользу механическая теория тепла (согласно которому тепло является другой формой энергия ).^[2]

Резистивный нагрев был независимо исследован Генрих Ленц в 1842 г.^[1]

В Единица СИ из энергия впоследствии был назван джоуль и учитывая символ J. Общеизвестная единица мощности, ватт, эквивалентно одному джоулю в секунду.

Микроскопическое описание

Смотрите также: Удельное электрическое сопротивление и проводимость, Скорость дрейфа, и Модель Друде

Джоулевое нагревание вызвано взаимодействием между носители заряда (обычно электроны ) и тело проводника (обычно атомный ионы ).

А Напряжение разница между двумя точками проводника создает электрическое поле который ускоряет носители заряда в направлении электрического поля, давая им кинетическая энергия. Когда заряженные частицы сталкиваются с ионами в проводнике, частицы разбросанный; их направление движения становится случайным, а не совмещается с электрическим полем, которое составляет тепловое движение. Таким образом, энергия электрического поля преобразуется в тепловая энергия.^[3]

Потери мощности и шум

Джоулевое нагревание называется омический нагрев или же резистивный нагрев из-за его отношения к Закон Ома. Он формирует основу для большого количества практических приложений, включающих электрическое отопление. Однако в приложениях, где нагревание является нежелательным побочный продукт текущего использования (например, потери нагрузки в электрические трансформаторы ) отвод энергии часто называют резистивная потеря. Использование высокое напряжение в передача электроэнергии Система специально разработана для уменьшения таких потерь в кабелях за счет работы с соизмеримо меньшими токами. В кольцевые схемы, или кольцевая сеть, используемая в домах в Великобритании, являются еще одним примером, где мощность подается в розетки с более низким током (на провод, с использованием двух параллельных путей), тем самым уменьшая джоулев нагрев проводов. Джоулева нагрева не происходит в сверхпроводящий материалы, поскольку эти материалы имеют нулевое электрическое сопротивление в сверхпроводящем состоянии.

Резисторы создают электрический шум, называемый Шум Джонсона – Найквиста. Существует тесная связь между шумом Джонсона – Найквиста и джоулевым нагревом, объясняемая теорема флуктуации-диссипации.

Формулы

Постоянный ток

Самая фундаментальная формула для джоулева нагрева - это обобщенное уравнение мощности:

${\displaystyle P=I(V_{A}-V_{B})}$

куда

• ${\displaystyle P}$ это мощность (энергия в единицу времени) преобразованная из электрической энергии в тепловую,
• ${\displaystyle I}$ ток, проходящий через резистор или другой элемент,
• ${\displaystyle V_{A}-V_{B}}$ это падение напряжения через элемент.

Объяснение этой формулы (${\displaystyle P=IV}$) является:^[4]

(Энергия, рассеиваемая в единицу времени) = (Заряд, проходящий через резистор в единицу времени) × (Энергия, рассеиваемая при прохождении заряда через резистор)

Предполагая, что элемент ведет себя как идеальный резистор и что мощность полностью преобразуется в тепло, формулу можно переписать, заменив Закон Ома, ${\displaystyle V=I\cdot R}$, в обобщенное уравнение мощности:

${\displaystyle P=IV=I^{2}R=V^{2}/R}$

куда р это сопротивление.

Переменный ток

Основная статья: Мощность переменного тока

Когда ток меняется, как в цепях переменного тока,

${\displaystyle P(t)=U(t)I(t)}$

куда т время и п это мгновенная мощность, преобразуемая из электрической энергии в тепло. Гораздо чаще средний мощность представляет больший интерес, чем мгновенная мощность:

${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=I_{\text{rms}}^{2}R=U_{\text{rms}}^{2}/R}$

где "avg" означает средний (средний) за один или несколько циклов, а «среднеквадратичное значение» означает среднеквадратичное значение.

Эти формулы верны для идеального резистора с нулевым реактивное сопротивление. Если реактивное сопротивление отличное от нуля, формулы изменяются:

${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}\cos \phi =I_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re} (Z)=U_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})}$

куда ${\displaystyle \phi }$ это разность фаз между током и напряжением, ${\displaystyle \operatorname {Re} }$ средства реальная часть, Z это комплексное сопротивление, и Y * это комплексно сопряженный из допуск (равно 1 /Z *).

Подробнее о реактивном случае см. Мощность переменного тока ∆0}

Дифференциальная форма

Джоулевое нагревание также можно рассчитать в определенном месте в космосе. Дифференциальная форма уравнения джоулевого нагрева дает мощность на единицу объема.

${\displaystyle \mathrm {d} P/\mathrm {d} V=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} }$

Здесь, ${\displaystyle \mathbf {J} }$ - плотность тока, а ${\displaystyle \mathbf {E} }$ - электрическое поле. Для материала с проводимостью ${\displaystyle \sigma }$, ${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} }$ и поэтому

${\displaystyle \mathrm {d} P/\mathrm {d} V=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} \rho =J^{2}/\sigma }$

куда ${\displaystyle \rho =1/\sigma }$ это удельное сопротивление. Это прямо похоже на "${\displaystyle I^{2}R}$«термин макроскопической формы.

В гармоническом случае, когда все величины поля меняются с угловой частотой ${\displaystyle \omega }$ в качестве ${\displaystyle e^{-\mathrm {i} \omega t}}$, комплексно оцененный фазоры ${\displaystyle {\hat {\mathbf {J} }}}$ и ${\displaystyle {\hat {\mathbf {E} }}}$ обычно вводятся для плотности тока и напряженности электрического поля соответственно. Затем значение Джоулева нагрева выглядит следующим образом:

${\displaystyle \mathrm {d} P/\mathrm {d} V={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}\rho ={\frac {1}{2}}J^{2}/\sigma }$,

куда ${\displaystyle \bullet ^{*}}$ обозначает комплексно сопряженный.

Высоковольтная передача электроэнергии переменным током

Основная статья: Передача электроэнергии § Преимущество передачи электроэнергии высокого напряжения

Смотрите также: Трансформатор и Война течений

Воздушные линии электропередачи передача электроэнергии от производителей электроэнергии потребителям. Эти линии электропередачи имеют ненулевое сопротивление и, следовательно, подвержены джоулева нагреву, который вызывает потери при передаче.

Разделение мощности между потерями при передаче (джоулева нагрева в линиях электропередачи) и нагрузкой (полезная энергия, передаваемая потребителю) может быть приблизительно выражено делитель напряжения. Чтобы минимизировать потери при передаче, сопротивление линий должно быть как можно меньше по сравнению с нагрузкой (сопротивление бытовых приборов). Сопротивление линии минимизируется за счет использования медные проводники, но сопротивление и источник питания технические характеристики бытовой техники фиксированы.

Обычно трансформатор ставится между линиями и расходом. Когда высоковольтный ток низкой интенсивности в первичной цепи (до трансформатора) преобразуется в низковольтный ток высокой интенсивности во вторичной цепи (после трансформатора), эквивалентное сопротивление вторичной цепи становится выше.^[5] и потери при передаче снижаются пропорционально.

Вовремя война токов, AC в установках могут использоваться трансформаторы для снижения потерь в линии из-за джоулева нагрева за счет более высокого напряжения в линиях передачи по сравнению с ОКРУГ КОЛУМБИЯ установки.

Приложения

Джоулев нагрев или резистивный нагрев используется во многих устройствах и в промышленных процессах. Часть, которая преобразует электричество в тепло за счет джоулева нагрева, называется нагревательный элемент.

Галерея: Различные применения джоулева нагрева

• 

  An лампа накаливания нить, излучающая свет

• 

  Инфракрасный -тепловое изображение лампочки

• 

  Нить лампы накаливания увеличена на растровый электронный микроскоп

• 

  Нагревательные змеевики сопротивления 30 кВт

• 

  Электрический радиационный обогреватель

• 

  Малый бытовой погружной нагреватель, 500 Вт

• 

  Сложенный трубчатый нагревательный элемент от кофемашины эспрессо

• 

  Лабораторная водяная баня используется для реакций при высоких температурах

• 

  Настольная электрическая плита

• 

  Лаборатория горячая тарелка используется для реакций при высоких температурах

• 

  Утюг используется для удаления складок с одежды

• 

  Паяльник, используется для плавления припоя в электронной работе

• 

  Портативный тепловентилятор, используется для обогрева комнаты

• 

  Фен, производит поток горячего воздуха

• 

  Патронный нагреватель пылающий докрасна

• 

  Гибкий PTC нагреватель из токопроводящей резины

Есть много практических применений джоулева нагрева:

• An лампа накаливания светится, когда нить нагревается джоулевым нагревом из-за тепловое излучение (также называемый излучение черного тела ).
• Электрические предохранители используются в качестве предохранителя, размыкая цепь путем плавления, если протекает ток, достаточный для их плавления.
• Электронные сигареты испарить пропиленгликоль и растительный глицерин путем джоулева нагрева.
• Несколько нагревательных устройств используют джоулев нагрев, например электрические плиты, электрические обогреватели, паяльники, патронные нагреватели.
• Немного переработка пищевых продуктов оборудование может использовать джоулев нагрев: прохождение тока через пищевой материал (который ведет себя как электрический резистор) вызывает выделение тепла внутри продукта.^[6] Переменный электрический ток в сочетании с сопротивлением пищи вызывает выделение тепла.^[7] Более высокое сопротивление увеличивает выделяемое тепло. Омический нагрев позволяет быстро и равномерно нагревать пищевые продукты, сохраняя при этом их высокое качество. Продукты с частицами нагреваются быстрее при омическом нагреве (по сравнению с традиционной термообработкой) из-за более высокого сопротивления.^[8]

Переработка пищевых продуктов

Джоулевое нагревание (Омический нагрев ) это мгновенная пастеризация (также называемый «высокотемпературный кратковременный» (HTST)) асептический процесс, при котором через пищу пропускается переменный ток частотой 50–60 Гц.^[9] Тепло генерируется за счет электрического сопротивления пищи.^[9] По мере нагрева продукта электрическая проводимость линейно увеличивается.^[7] Лучше всего использовать более высокую частоту электрического тока, так как это уменьшает окисление и металлическое загрязнение.^[9] Этот метод нагрева лучше всего подходит для пищевых продуктов, содержащих взвешенные в слабой солесодержащей среде твердые частицы из-за их высокой стойкости.^[8] Омический нагрев позволяет поддерживать качество пищевых продуктов за счет равномерного нагрева, что снижает порчу и чрезмерную обработку пищи.^[9]

Эффективность нагрева

Основная статья: Электрическое отопление

В качестве технологии нагрева Джоулев нагрев имеет коэффициент производительности 1,0, что означает, что каждый джоуль поставленной электроэнергии производит один джоуль тепла. Напротив, Тепловой насос может иметь коэффициент более 1,0, поскольку он перемещает дополнительную тепловую энергию из окружающей среды в нагреваемый объект.

Определение эффективности процесса нагрева требует определения границ рассматриваемой системы. При обогреве здания общий КПД отличается при рассмотрении теплового эффекта на единицу электроэнергии, подаваемой на стороне счетчика потребителя, по сравнению с общим КПД, когда также учитываются потери в электростанции и передаче электроэнергии.

Гидравлический эквивалент

Основная статья: Закон Дарси

в энергетический баланс потока подземных вод используется гидравлический эквивалент закона Джоуля:^[10]

${\displaystyle {dE \over dx}={v_{x}^{2} \over K}}$

куда:

${\displaystyle dE/dx}$ = потеря гидравлической энергии (${\displaystyle E}$) из-за трения потока в ${\displaystyle x}$-направление в единицу времени (м / сутки) - сопоставимо с ${\displaystyle P}$

${\displaystyle v_{x}}$ = скорость потока в ${\displaystyle x}$-направление (м / сутки) - сопоставимо с ${\displaystyle I}$

${\displaystyle K}$ = гидравлическая проводимость почвы (м / сутки) - гидравлическая проводимость обратно пропорциональна гидравлическому сопротивлению, которое сравнивается с ${\displaystyle R}$

Смотрите также

• Провод сопротивления
• Нагревательный элемент
• Нихром
• Вольфрам
• Дисилицид молибдена
• Перегрев (электричество)
• Тепловое управление (электроника)
• Индукционный нагрев

Рекомендации

1. Джоуля - Ленца закон В архиве 2014-12-30 на Wayback Machine. Большая советская энциклопедия, 3-е изд., Гл. ред. А. М. Прохоров. Москва: Советская энциклопедия, 1972. Т. 8 (А. М. Прохоров; и др., ред. (1972). «Закон Джоуля – Ленца». Большая Советская Энциклопедия (на русском). 8. Москва: Советская энциклопедия.)
2. «История физики в этом месяце: декабрь 1840 года: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло». aps.org. Американское физическое общество. Получено 16 сентября 2016.
3. «Скорость дрейфа, ток дрейфа и подвижность электронов». Электрический4U. Получено 26 июля 2017.
4. Электроэнергетические системы: концептуальное введение Александра фон Майер, стр. 67, Ссылка на книги Google
5. «Трансформаторные схемы». Получено 26 июля 2017.
6. Рамасвами, Рагхупати. «Омический нагрев пищевых продуктов». Государственный университет Огайо. Архивировано из оригинал на 2013-04-08. Получено 2013-04-22.
7. Стипендиаты, П.Дж. (2009). Технологии пищевой промышленности. МА: Elsevier. С. 813–844. ISBN  978-0-08-101907-8.
8. Варгезе, К. Шиби; Pandey, M.C .; Радхакришна, К .; Бава, А.С. (октябрь 2014 г.). «Технология, применение и моделирование омического нагрева: обзор». Журнал пищевой науки и технологий. 51 (10): 2304–2317. Дои:10.1007 / s13197-012-0710-3. ISSN  0022-1155. ЧВК  4190208. PMID  25328171.
9. 1953-, стипендиаты, П. (Питер) (2017) [2016]. Технология пищевой промышленности: принципы и практика (4-е изд.). Кент: издательство Woodhead Publishing / Elsevier Science. ISBN  9780081019078. OCLC  960758611.
10. Р. Дж. Остербан, Дж. Буонстра и К. В. Г. К. Рао (1996). Энергетический баланс потока подземных вод (PDF). В: В.П. Сингх и Б. Кумар (ред.), Гидрология подземных вод, Том 2 материалов Международной конференции по гидрологии и водным ресурсам, Нью-Дели, Индия. Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, Нидерланды. С. 153–160. ISBN  978-0-7923-3651-8.