Как найти количество теплоты лампочки

Для школьников.

При прохождении тока по проводнику совершается работа, её совершают электрические силы (или электрическое поле). Кратко эту работу называют работой тока.

Рассматривая участок цепи, по которому проходит ток, получим следующее выражение для работы тока:

Работа тока равна произведению напряжения между концами участка на протекающий ток и время его протекания.

В случае, если участок цепи однородный (не содержит источника тока), то

тогда получим ещё две формулы для работы тока:

Если ток проходит через неподвижный проводник, то единственным результатом работы тока является его нагревание. Тогда количество выделившейся теплоты

Это запись закона Джоуля – Ленца.

Если кроме нагревания ток совершает ещё механическую работу, например, приводя в действие электродвигатель (мотор), то работа

лишь частично переходит в тепло.

В этом случае работа тока больше количества выделившейся теплоты, но закон Джоуля – Ленца выполняется.

Работа, совершаемая током в единицу времени, называется мощностью тока:

Единицей мощности тока является 1 Вт:

1 Вт – мощность выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.

Основная формула мощности для участка цепи:

Мощность постоянного тока на любом участке цепи выражается произведением силы тока на напряжение между концами участка цепи.

Так как для однородного участка цепи

то мощность можно найти ещё по формулам:

Обычно говорят не о работе, а о потребляемой из сети некоторым прибором (электроплитка, лампочки и др.) или двигателем (мотором) мощности электрического тока. Говоря о мощности (например, электродвигателя), отмечают, что работа двигателя совершается за счёт тока.

На приборах часто отмечается потребляемая ими мощность – мощность, необходимая для нормальной работы этого прибора.

Прежде поговорим об электрических лампочках, в работе которых применяется тепловое действие тока.

Всем знакомая лампа накаливания представляет собой стеклянный баллон с откачанным воздухом, в который вмонтирована спиральная вольфрамовая нить. Через металлический цоколь концы нити соединяются с проводами осветительной сети.

Нагреваясь до очень высокой температуры (до белого каления), нить лампы становится источником света.

На лампе указывается потребляемая ею мощность и напряжение, на которое она рассчитана.

Поставим себе ВОПРОСЫ и ответим на них.

Вопрос 1:

Какое количество теплоты выделяется лампой мощностью 100 Вт за секунду?

Ответ: 100 Дж.

Вопрос 2:

Какое сопротивление имеет нить лампы мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 220 В, и какой ток она потребляет?

Ответ: Воспользуемся формулами для мощности:

Сопротивление лампы найдём, разделив квадрат напряжения(на которое лампа рассчитана) на мощность лампы. Получается, что сопротивление нити лампы равно 484 Ом. Ток, протекающий по нити лампы найдём из первого равенства, то есть лампа потребляет ток 0,45 А.

Вопрос 3:

Можно ли включить последовательно две лампы одинаковой мощности, рассчитанные на 110 В, в сеть с напряжением 220 В?

Ответ: Так как лампы имеют одинаковые мощности и рассчитаны на одинаковое напряжение, то они имеют и одинаковые сопротивления. Общее напряжение 220 В распределится между ними поровну, и на каждую лампу придётся напряжение 110 В, на которое они и рассчитаны. Таким образом, лампы последовательно включить можно. При этом они будут “гореть полным накалом”.

Вопрос 4:

Что произойдёт, если в сеть с напряжением 220 В включить последовательно две лампы рассчитанные на одинаковое напряжение (110 В), но имеющие разные мощности, например 40 Вт и 100 Вт?

Ответ: Сопротивление нити каждой лампы находится через отношение квадрата напряжения, на которое она рассчитана, к мощности лампы.

Обе лампы рассчитаны на одинаковое напряжение, значит более мощная лампа (100 Вт) имеет меньшее сопротивление.

Ток через лампы идёт один и тот же, тогда согласно формуле

напряжение на более мощной лампе будет меньше, чем на менее мощной лампе.

Надо ориентироваться на расчётное напряжения ламп (в нашем случае это 110 В).

Если напряжение на лампе окажется меньше 110 В, то она будет гореть тускло (с недокалом). В данном случае это относится к лампе мощностью 100 Вт. Лампа же мощностью 40 Вт будет гореть ярко (с перекалом) и быстро перегорит. Вывод: лампы разной мощности последовательно включать нельзя.

Итак, работа ламп накаливания основана на тепловом действии света, то есть на превращении электрической энергии в тепло и свет.

Природа тепла и света одна – это электромагнитные волны. Наш глаз воспринимает их как свет только в узком диапазоне длин волн, а в широком диапазоне длин волн ощущаем их как тепло.

Это значит, что при освещении помещений лампами накаливания значительная часть энергии теряется в виде тепла.

Существуют более экономичные осветительные приборы – это люминесцентные и светодиодные лампы. Они работают не на тепловом действии тока, принцип их работы совсем другой. О принципе работы люминесцентных ламп кратко будет сказано в теме “Электрический ток в газах”, а о принципе работы светодиодных ламп – в теме “Электрический ток в полупроводниках”.

Вернёмся к тепловому действию тока.

Ответьте на такой вопрос: Сколько тепла выделяется в утюге за секунду, если сопротивление утюга, работающего от сети с напряжением 220 В, равно 1210 Ом? Ответ: 403 Дж.

Подумайте над решением следующих задач:

Ответ: 40 Ом.

Ответ: 484 Вт; 968 Вт; 242 Вт.

К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.

Предыдущая запись: Работа тока. Объяснение теплового действия тока электронной теорией.

Следующая запись: Полезная мощность. Полная мощность.

Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.

Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.

Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.

УДК621.3.032Шевченко М.В., Пустовой С.А., Кочетков А.В., Шайкин А.О.Учет количества теплоты, выделяемой люминесцентными лампами

Одним из самых распространенных источников света на данный момент и самым экономичным является семейство газоразрядных ламп.Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар. Считается,что первая газоразрядная лампа изобретена в 1856 году.Генрих Гайсслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. 23 июня 1891 года Никола Тесла запатентовал систему электрического освещения газоразрядными лампами (патент № 454,622), которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп, запатентованных им ранее (патент № 335,787 от 9 февраля 1886 г. выдан United States Patent Office). В 1926 году Эдмунд Гермер (Edmund Germer) и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой в более однородно белоцветной свет. Современные люминесцентные лампы являются высокотехнологичным прибором предназначенным для создания оптимального освещения.Однако если рассматривать в разрезе энергосберегающих технологий, то необходимо обратить внимание на факт теплового излучения люминесцентными лампами, величина теплового потока от которых не учитывается при расчетах. В помещениях сейчас используются два типа осветительных приборов: лампы накаливания и люминесцентные лампы. Количество тепла, поступившее от освещения, зависит от типа ламп, их мощности и способа их крепления в помещении.Теплопоступление от ламп рассчитывается по упрощенной формуле:Q = n∙N, (1)гдеn коэффициент перехода электроэнергии в тепловую. Он составляет около 0.95 для ламп накаливания и примерно 0.5 для люминесцентных ламп. N мощность ламп. Если она заранее не известна, можно оценить ее из расчета 50 100 Вт/кв.м. для хорошо освещенных помещений.При большом количестве ламп и постоянной их работе тепловая нагрузка от искусственного освещения может быть весьма велика. Если же известно, что не будут использоваться все светильники одновременно, нужно воспользоваться коэффициентом одновременности работы освещения, указывающим, какая часть мощности освещения в среднем будет задействована. Более точный расчёт тепловыделения проводится следующим методом:Измеряется площадь поверхности самой лампы, для этого сечение лампы делится на n–частей. Для расчёта берётся одна часть и считается её площадь сучётом угла наклона.

Рисунок 1 –Схема расчета тепловыделения лампыSi=∆L∙Lд , (2)где Si

площадь одного деления лампы;

∆L–длина окружности;Lд–длина лампы.

Потери мощности лампыРпот=∑Si∙αi∙∆T, (3) В результате расчётов на примере люминесцентной лампы мощностью 18 Вт, было получено упрощённым методом величина потерь 9 Вт. При более точном расчёте, с использованием коэффициента конвективного обмена, было полученозначение потерь 8,88 Вт.

Количество теплоты, выделяемое осветительными приборами, зависит так же и от их расположения в помещении. Например, если светильник закреплен в чердачном перекрытии, то лишь часть выделенного им тепла попадет внутрь помещения.

Если лампы встроены в подвесной невентилируемый потолок, то часть тепла сразу попадет в помещение, а остальное тепло задержится в подвесном потолке. Но поскольку потолок невентилируемый, то впоследствии и эта часть тепла выделится в помещение. Таким образом, в помещение попадут все 100% выделенного светильником тепла.

Если лампы встроены в подвесной вентилируемый потолок, который используют как вытяжной короб, то около 40% тепла сразу попадет в помещение. Часть оставшегосятепла (примерно половина) унесется с вытяжным воздухом, а остаток попадет в помещение. Таким образом, в сумме помещение получит 6070% выделенного светильником тепла.Нагрев люминесцентной лампы происходит неравномерно, в первую очередь нагреваются края лампы. Нами проведены измерения теплового потока люминесцентных ламп.В качестве измерительного прибора использовался тепловизорFLIRE60.Производились снимки люминесцентных ламп установленных в невентилируемых подвесных потолках (Рис.1.).Как видно на данных снимках, люминесцентная лампа греется неравномерно. Основная часть тепла выделяется с электродов, остальное излучается нагретым люминофором.

Люминесцентная лампа 36 Ватт

Люминесцентная лампа 28 Ватт

Рисунок 1 –Нагрев люминесцентных ламп разной мощностиНа рисунке 2 представлено тепловыделение светильника с установленными четырьмя люминесцентными лампами. Максимальная температура составляет 86,20С, минимальная 27,40С, средняя 45,80С.

Рисунок 2

Тепловыделение светильника с люминесцентными лампами мощностью 4×18 Ватт

В соответствии со стандартными методами расчета для обогрева одного кубического метра в доме стандартной постройки(без металлопластиковых окон,утепления пенопластом и иных энергосберегающих мер) для климатической зоны средней части России при обычных условиях жилья принято исходить из такой формулы расчета –на один кубический метр приходится сорок один ватттепловой мощности. Рассмотрим на примере помещенияс размерами 5∙4 м и с обычной высотой 2.7 м. Объём данного помещения равен 54 м2. Теперь полученный объём умножаем на 41 Втполучаем 2214 Вт, именно столько потребуется для обогрева помещения с данным объёмом. При среднем тепловыделении секции чугунного радиатора 180 Втнам потребуется 13 секций. Учитывая, что в помещении установлены шестьсветильников с люминесцентными лампами,мощность каждого светильника будет равняться 72 Вт. Исходя из этого количество тепла,выделяемого одним светильником равно 36Вт. Общее тепловыделение освещения в помещении равняется 216Вт, что равняется 9,75% от необходимой тепловой мощности для данного помещения. Исходя из этого,количество секций в радиаторе можно сократить на одну. Это применимо для офисных, складских, подсобных и производственных помещений, где требуемая температура требуется только в дневное время суток, и освещение используется на протяжении всего рабочего времени.

Для автоматизации расчетов нами был разработан программный продукт, предоставляющий возможности расчёта количества выделяемой теплоты в зависимости от количества ламп в светильнике, типа цоколя или трубки, длины лампы, средней температуры лампы, способа установки и средней температуры воздуха в помещении. Ниже на рисунке 3 приведён скриншот рабочей области программы с активными окнами для всех параметров.

Рисунок 3–Скриншот программы

Современные методы расчета микроклимата производственных и жилых помещений во многом несовершенны и требуют дополнительной проработки. В частности не решен вопрос полного учета тепла излучаемого осветительным оборудованием. В нормативной документации даны лишь общие рекомендации к учету теплового излучения.Нами проведены заметы температурного градиента для люминесцентных ламп и разработано программное обеспечение позволяющее ускорить процесс расчета. В соответствии с нашими измерения количества тепла излучаемое ими в помещение может достигать 9%, что представляет собой существенную величину и резерв развития технологий энергосбережения.Нами в дальнейшем планируется провести обследование люминесцентных ламп с учетом способа установки и создать программное обеспечение, позволяющее объективно оценивать количество теплопотерь от источников освещения.