Szerkesztő:Valkais/Joule fűtés

Tekercses fűtőelem egy elektromos kenyérpirítóból, vöröstől sárgáig izzó fényben

  A Joule-fűtés, más néven rezisztív, ellenállás- vagy ohmos fűtés olyan folyamat, amelynek során a vezetőn áthaladó elektromos áram hőt termel.

Az első Joule-törvény (vagy csak Joule-törvény), amelyet a volt Szovjetunió országaiban Joule–Lenz-törvényként is ismernek, kimondja, hogy az elektromos vezető által generált fűtési teljesítmény egyenlő az ellenállása és a rajta átfolyó áram négyzetének szorzatával. :

$$P=I^{2}R$$

Vagy másként, az Ohm-törvény alapján:

$$P=U^{2}/R$$

A Joule-fűtés az egész elektromos vezetőt érinti, ellentétben a Peltier-effektussal, amely egyik elektromos csomópontból a másikba viszi át a hőt.

Története

James Prescott Joule először 1840 decemberében tett közzé egy összefoglalót a Proceedings of the Royal Society folyóiratban, amelyben arra utalt, hogy elektromos árammal hőt lehet előállítani. Joule adott tömegű vízbe merített egy hosszú vezetéket, és 30 percig mérte a a vezetéken átfolyó ismert áram által létrehozott hőmérséklet-emelkedést. Az áramerősség és a vezeték hosszának (ellenállásának) változtatásával arra a következtetésre jutott, hogy a termelt hő arányos az áram és a bemerült vezeték elektromos ellenállásának szorzatával.

1841-ben és 1842-ben a későbbi kísérletek kimutatták, hogy a termelt hő mennyisége arányos volt az áramot adó Volta-oszlopban felhasznált kémiai energiával. Ez arra késztette Joule-t, hogy elutasítsa az akkoriban leginkább elfogadott kalóriaelméletet és inkább a hő mechanikai elmélete mellett álljon ki, amely szerint a hővel közölt energiának van mozgási energia megfelelője.

Az ellenállásos fűtést, tőle függetlenül Heinrich Lenz is tanulmányozta 1842-ben.

Az SI energia mértékegységét ezt követően joule-nak nevezték el, és J-vel jelölték. A teljesítmény mértékegysége, a watt másodpercenként egy joule-nak felel meg.

Mikroszkópos leírás

A Joule fűtést a töltéshordozók (általában elektronok) és a vezető anyag közötti kölcsönhatások okozzák.

A vezető két pontja közötti potenciálkülönbség (feszültség) olyan elektromos teret hoz létre, amely a töltéshordozókat az elektromos tér irányában gyorsítja, mozgási energiát adva nekik. Amikor a töltött részecskék ütköznek a vezetőben lévő kvázi részecskékkel (ezek kvantált, ionos rácsrezgések, a kristály harmonikus közelítésében) az elektronokból energia adódik át a rácsnak (ami további rácsrezgéseket gerjeszt). Az ionok rezgései jelentik a sugárzás ("hőenergia") eredetét, amelyet egy tipikus kísérlet során mérünk. Azért idézőjeles a kifejezés, mert a termodinamika szerint maga a hő nem energia, csak az energiaterjedés egy formája.

Teljesítmény-veszteség és zaj

A Joule-fűtést ohmos fűtésnek vagy ellenállásos fűtésnek is nevezik, mert kapcsolatban van az Ohm-törvénnyel. Ez képezi az alapját az elektromos fűtéssel kapcsolatos számos gyakorlati alkalmazásnak. Azonban azokban az alkalmazásokban, ahol a melegedés az áramhasználat nem kívánt velejárója (pl. terhelési veszteségek a transzformátorokban), ezt gyakran ellenállásveszteségnek nevezik. A nagyfeszültségek elektromos távvezeték rendszerekben történő alkalmazását kifejezetten arra tervezték, hogy csökkentsék az ilyen, kábeleken létrejövő veszteségeket azáltal, hogy arányosan alacsonyabb áramerősséggel működnek. Az Egyesült Királyság otthonaiban két párhuzamos vezetéken, juttatják el az áramot a konnektorokhoz , így csökkentve a Joule-melegedést a vezetékekben. Szupravezető anyagokban Joule-melegedés nem fordul elő, mivel ezeknek az anyagoknak szupravezető állapotban nulla az elektromos ellenállása.

Az ellenállások elektromos zajt keltenek, ezt nevezik Johnson-Nyquist (vagy másnéven, termikus) zajnak. Szoros kapcsolat van a Johnson–Nyquist-zaj és a Joule-fűtés között, amit a fluktuáció-disszipáció elmélet magyaráz.

Képletek

Egyenáram

A Joule-fűtés legalapvetőbb képlete az általánosított teljesítményegyenlet:

$$P=I(U_{A}-U_{B})$$

ahol

• P a teljesítmény (időegységre eső energia), amelyet elektromos energiából hővé alakul át,
• $I$ az ellenálláson vagy más elemen áthaladó áram,
• $U_{A}-U_{B}$ az adott áramköri elemen kialakuló feszültségesés.

 

Feltéve, hogy az áramköri elem tökéletes ellenállásként viselkedik, vagyis rajta a teljesítmény teljesen hővé alakul a képlet átalakítható, az Ohm törvény alapján, $U=IR$

$$P=UI=I^{2}R=U^{2}/R$$

ahol R az ellenállás.

Váltakozó áram

$$P(t)=U(t)I(t)$$

ahol t az idő és P az elektromos energiából hővé alakított pillanatnyi teljesítmény. Sokkal gyakrabban az átlagteljesítmény fontosabb, mint a pillanatnyi

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

ahol az "avg" egy vagy több ciklus átlagát, az "rms" pedig a négyzetes átlagot jelöli.

Ezek a képletek egy ideális ellenállásra érvényesek, nulla reaktanciával . Ha a reaktancia nem nulla, a képletek módosulnak:

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

ahol $\phi$ az áram és a feszültség közötti fáziskülönbség, $\operatorname {Re}$ valós részt jelent, Z a komplex impedancia, Y* pedig az vezetőképesség (admittancia) komplex konjugáltja ($Y^{*}=1/Z^{*}$).

Differenciális alakja

A Joule-hő a tér egy adott helyén is kiszámítható. A Joule-hő egyenletének differenciálformája az egységnyi térfogatra jutó teljesítményt adja meg.

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

Itt, $\mathbf {J}$ az elektromos áramsűrűség $\mathbf {E}$ az elektromos tér. A $\sigma$Vezetőképességű anyag esetén, $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$ ( differenciális Ohm-törvény) és ezért

$${\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} \rho ={\frac {1}{\sigma }}J^{2}$$

ahol $\rho =1/\sigma$ az elektromos ellenállás. Ez a "$I^{2}R$" a makroszkopikus forma differenciális megfelelője.

Harmonikus esetben, ahol minden térmennyiség az $\omega$ körfrekvenciával így változik: $e^{-\mathrm {i} \omega t}$ a komplex értékű és fázorokat vezetnek be, ${\hat {\mathbf {J} }}$ az áramsűrűségre, illetve ${\hat {\mathbf {E} }}$ az elektromos térerősségre vonatkozik. Ekkor a Joule-hő így írható fel:

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

ahol $^{*}$ kitevő a komplex konjugáltat jelöli.

Nagyfeszültségű váltakozó áramú villamosenergia- átvitel

A légvezetékek a villamos energiát a villamosenergia-előállítóktól a fogyasztókhoz továbbítják. Ezek az elektromos vezetékek nem nulla ellenállásúak, ezért Joule-fűtés jelentkezik rajtu, ami átviteli veszteséget okoz.

A teljesítmény megoszlása az átviteli veszteségek (joule fűtés a távvezetékekben) és a terhelés (a fogyasztóhoz szállított hasznos energia) között feszültségosztóval közelíthető. Az átviteli veszteségek minimalizálása érdekében a vezetékek ellenállásának a terheléséhez (a fogyasztó készülékeinek ellenállása) képest a lehető legkisebbnek kell lennie. A vonalellenállást minimálisra csökkenthető átállva rézvezetékekre, de a fogyasztói készülékek ellenállása és tápellátási igényük nem változtatható.

Általában egy transzformátort helyeznek a vezetékek és a fogyasztás közé. Ha a primer áramkörben (a transzformátor bemenetén) egy nagyfeszültségű, kis intenzitású áramot a szekunder körben (a transzformátor kimenetén) kisfeszültségű, nagy intenzitású árammá alakítanak át, akkor a szekunder áramkör egyenértékű ellenállása megnő és az átviteli veszteségek ennek arányában csökkennek.

Az áramok háborúja során (mikor még még nem dőlt el, hogy egyen- vagy váltóáramúak lesznek a távvezetékek) a váltakozó áramú létesítmények transzformátorokat használhattak a Joule-fűtés okozta vezetékveszteségek csökkentésére, az átviteli vezetékek az egyenáramú berendezésekénél magasabb feszültségének árán. Az egyenáramot Thomas Edison, míg a váltóáramot, alkalmazottja Nikola Tesla szorgalmazta, aki később átment George Westinghousehoz.

Alkalmazások

A Joule-hőt, vagy az ellenállásos fűtést több eszközben és ipari folyamatban alkalmazzák. Azt a részt, amely az elektromosságot hővé alakítja ,fűtőelemnek nevezzük.

Néhány, a sok gyakorlati felhasználásai közül:

• Egy izzólámpa világít, amikor az izzószálat Joule-fűtéssel melegítik a hősugárzás (más néven feketetest-sugárzás) miatt.
• Az elektromos biztosítékokat túláram kivédésére használják, ha túlságosan nagy áram folyik rajtuk felmelegíti és megolvasztja bennük a vezetéket, megszakítva az áramkört.
• Az elektromos cigaretták Joule melegítéssel párologtatják el a propilénglikolt és a növényi glicerint.
• Több fűtőberendezés használja a Joule fűtést, például elektromos fűtőtestek, forrasztópákák.
• Egyes élelmiszeriparban alkalmazott berendezések hőkezelésre használják a Joule-fűtést: az élelmiszeranyagon (amely elektromos ellenállásként viselkedik) átfolyó áram hőt termelve felmelegíti őket. A váltakozó elektromos áram az élelmiszer ellenállásával párosulva hőképződést okoz. A nagyobb ellenállás növeli a termelt hőt. Az ohmos fűtés lehetővé teszi az élelmiszerek gyors és egyenletes melegítését, amely megőrzi a minőséget. A részecskéket tartalmazó termékek gyorsabban felmelegszenek (a hagyományos hőkezeléshez képest) a nagyobb ellenállás miatt.

Élelmiszer feldolgozás

A Joule-fűtés egy gyorspasztőrözés (más néven "high-temperature short-time" (HTST)) fertőtlenítő folyamat, amely 50-60 Hz-es váltakozó árammal működik, ezt vezetik át az élelmiszeren. A hő az élelmiszer elektromos ellenállásán keletkezik. A termék hőmérsékletével lineárisan (azzal egyenes arányban) az elektromos vezetőképessége is növekszik. A magasabb áram frekvencia a legjobb, mivel ekkor minimális az oxidáció és a fémszennyeződés. Ez a melegítési mód azoknál az élelmiszereknél a legmegfelelőbb, amelyek gyenge sótartalmú közegben szuszpendált részecskékből állnak nagy ellenállásuk miatt.

Anyagszintézis, kinyerés és feldolgozás

Gyors joule fűtést (tranziens, magas hőmérsékletű elektrotermikus melegítés, FJH) a szén allotrópjainak (például a grafén és a gyémánt) szintetizálására alkalmaztak. Különféle szilárd szén alapanyagokat (korom, szén, kávézacc stb.) hevítettek ~3000 K hőmérsékletre, 10-150 ezredmásodpercig, ami turbosztratikus grafénpelyheket eredményezett. Az FJH-t a modern elektronikában használt ritkaföldfém elemek ipari hulladékokból történő visszanyerésére is használták. Fluorozott szénforrásból kiindulva fluorozott aktív szenet, fluorozott nanogyémántot, koncentrikus szenet (szénhéj a nanogyémánt-mag körül) és fluorozott flash-grafént lehet szintetizálni.

• 
  Az izzólámpa szála fényt bocsájt ki
• Az izzólámpa infravörös - hőkamerás képe
  Az izzólámpa infravörös - hőkamerás képe
• Villanykörte izzószálának elektronmikroszkópos képe
  Villanykörte izzószálának elektronmikroszkópos képe
• 30kW-os ellenállásfűtés tekercsek
  30kW-os ellenállásfűtés tekercsek
• 
  Elektromos Electric radiative space heater
• Háztartási merülőforraló, 500 W
  Háztartási merülőforraló, 500 W
• 
  Folded tubular heating element from espresso machine
• 
  Laboratory water bath used for reactions at warm temperatures
• 
  Electric tabletop hotplate
• 
  Laboratory hot plate used for reactions at high temperatures
• 
  Clothes iron used to remove wrinkles from clothes
• 
  Soldering iron, used to melt solder in electronic work
• 
  Portable fan heater, used to heat a room
• 
  Hair dryer, produces hot air flow
• 
  Cartridge heater glowing red-hot
• 
  Flexible PTC heater made of conductive rubber

Fűtési hatékonyság

Fűtési technológiaként a Joule-fűtés hatásfoka pontosan 1, ami azt jelenti, hogy az összes betáplált elektromos energiából hőt termel. Ezzel szemben a hőszivattyú együtthatója (jósági foka) 1-nél nagyobb, mert több hőt mozgat a környezetből a fűtött helyre, mint amennyi elektromos energiát ehhez felhasznál.

A fűtési folyamat hatékonyságának meghatározásához meg kell határozni a figyelembe vett rendszer határait. Épület fűtésekor a teljes hatásfok más (jobb) lesz akkor, ha a villanyórával mért, leadott egységnyi villamos energia fűtési hatását vesszük figyelembe, mint akkor, ha az erőműben és az energiaátvitelben bekövetkező veszteségeket is beleszámoljuk.

Hidraulikus egyenérték

A talajvíz áramlásának energiamérlegében a Joule-törvény hidraulikai megfelelőjét alkalmazzák:

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

ahol:

Lásd még

[[Kategória:Termodinamika]] [[Kategória:Elektromosság]]