Справочник по физике для поступающих в ВУЗы - Гаевой А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Нагревание проводников при прохождении по ним электрического тмй впервые открыли независимо друг от друга прсфэссор Петербургского университета Э. X. Ленц и английский ученый Дж. Джоулы Имн было установлено, что количество тепла, выделяющееся в проводнике, может быть определено следующим образом:
где А — работа, выполняемая током, k — величина, называемая тепловым эквивалентом работы. Численное значение этой величины зависит от выбора системы единиц. Если количество тепла измерять в калориях, а работу в джоулях, то к = 0.24 ^. В системе СИ единицей работы, энергии и количества тепла является джоуль. Поэтому в системе СИ k = 1. Для работы А ранее было получено выражение A= I2Rt- Следовательно,
Q=kI*Rt.
Эта формула выражает закон Джоуля — Ленца: количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении Ho нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времепи прохождения тока.
В системе СИ закон Джоуля — Ленца - следует записывать так: Q=W.
Учитывая, что работу электрического тока можно выразить различными формулами (см. предыдущий параграф), закон Джоуля — Ленца может быть записан еще и так:
Задача 1. Кипятильник имеет две одинаковые секции. Если обе секции включить в сеть параллельно, он нагреет воду за время = Ю мин. За какое время он нагреет до той же температуры такое же количество воды, если обе секции включить последовательно?
Решение. Количество тепла, необходимое для нагревания воды, определяется формулой
Q.= тс Д*°;
с другой стороны,
где R1— сопротивление кипятильника при параллельно включенных секциях.
D
Если обозначить сопротивление одной секции через R, то Ri-
отсюда находим R:
Р 2Wi mcAt° '
При последовательно включенных секциях
откуда
I2 = 4? t2 = 40 мин:
Ответ. Прн последовательном включении секций время нагре- -вания воды равно 40 мин,
Задача 2. Электрический чайнйк с.бООсл*8 воды при 9°С, сопротивление обмотки которого tJ? = 16 ом, забыли выключить. Через сколько времени после включения чайника вся вода в нем выкипит? Удельная теплота парообразования воды г = 22,6 • IOs дж/кг, напряжение Сети 120 в, к. п. д. чайника і) = 60%. Удельная теплоемкость воды с = 4190 дж/кг ¦ град.
Решение. Количество тепла, идущее на нагревание и испарение воды,
С другой, стороны,
Q=mc(tl-b + mr.
Из этих равенств получаем соотношение
і) — ф + тг,
откуда
mc(t° — t°) + mr
— t— ——¦ ------¦ R; t = 2944 сек х 49 мин.
Ответ. Вся вода выкипит через 49 мин.
§ 87. Электролиз. Законы Фарадея
При пропускании электрического тока через водные растворы кислот, щелочей , и солей идет процесс выделения их составных частей. Впервые химическое действие электрического Тока Наблюдал русский ученый В. В. Петров; он обнаружил, что электрический ток выделяет из подкисленной воды кислород и-водород.
Химическое действие тока можно проследить в таком опыте. Опустим в водный раствор медного купороса CuSQi Две угольные
пластины (К и А) и соединим их с полюсами батареи Б гальванических элементов (рис. 67). В растворе появляется электрический ток. Выи’ув через некоторое время пластины нз раствора, можно установить, что на пластине К, соединенной с отрицательным , полюсом батареи (она называется катодом), выделилась медь. На второй пластине, соединенной с положительным полюсом батареи (аноде), происходит следующее. К ней подходит кислотный остаток SO4; соприкасаясь с водой, SO4 вступает во вторичную реакцию, не связанную с наличием токгу по формуле
2S04 4- 2Нг0 = 2H2S04 + O2;
в растворе появляется сериая кислота, а на аноде выделяется кислород.
Рассмотрим данное явление более подробно. При растворении в воде кислот, щелочей и солей их молекулы распадаются на ионы. Этот процесс распада на ионы называется диссоциацией. Например, диссоциация молекулы серной кислоты происходит по схеме
H2SOil г 2Н+ + SO4—.
Раствор, содержащий диссоциированные на ионы молекулы, называется электролитом. Следовательно, электролитами являются водные раствора кислот, щелочей и солей, а также расплавленные ионные кристаллы.
Если в электролит опустить электроды, соединенные с полюсами батгфеи, то между электродами в растворе возникает электрическое поле, под влиянием которого ионы движутся направленно. Дойдя до электродов, ионы нейтрализуются и в виде нейтральных атомов выделяются на них.
Явление выделения вещества на электродах при прохождении тока через электролит называется электролизом. Оно было тщательно исследовано английским физиком М. Фарадеем, установившим, что масса т вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна полному заряду q, который прошел через электролит:
Рис. 67.
т= k • q.
О)
Этот закон носит название первого закона Фарадея.
Коэффициент к называется электрохимическим эквивалентом. Он определяет массу вещества, выделяемую на электроде при прохождении, через электролит единицы количества электричества. Например, ^дя меди k == 3,2$4 ¦ 10~7 кг/к, для серебра k~ 1,118 • 10~» кг/к, для водорода k— 1,645 ¦ 10-* кг/ к.
