Como Calcular Joules

Assim chamado em homenagem ao físico inglês James Edward Joule, o joule (J) é uma das unidades básicas do sistema métrico internacional. O joule é usado como unidade de trabalho, energia e calor, além de ser amplamente usado em aplicações científicas. Para obter uma resposta em joules, use sempre unidades científicas padrão. A "libra-pé" ou a "unidade térmica inglesa" ainda são usadas em alguns campos, mas não aparecem no seu dever de casa de física.

Fórmulas

Joules são uma unidade de energia. Aqui estão as fórmulas para as situações mais comuns que exigem o cálculo de energia. Desde que você utilize as unidades listadas abaixo de cada fórmula, sua resposta será em Joules.

Trabalho = Força x Distância
- → joules = newtons x metros
Energia = Potência x Tempo
- → joules = watts x segundos
Energia Cinética = 1/2 x Massa x Velocidade^2
- → joules = 1/2 x quilos x ({metros}/{segundos})^2
Mudança em Temperatura = Massa x Capacidade Específica de Calor x Mudança na Temperatura
- → joules = gramas x c x ΔT
- T = temperatura em termos de °C ou kelvins
- Capacidade específica de calor c depende do material aquecido. Suas unidades são ^joules/_gramasºC.
Energia Elétrica = Potência x Tempo = Corrente^2 x Resistência x Tempo
- → joules = watts x segundos = amperes^2 x ohms x segundos

Método 1

Método 1 de 5:

Calculando trabalho em joules

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Entenda o que trabalho significa em física. Você realiza trabalho quando, por exemplo, empurra uma caixa por uma sala. O mesmo ocorre quando você a ergue. Há duas qualidades importantes envolvidas no conceito de "trabalho":
- Você está aplicando força constante.
- A força está fazendo o objeto se mover na direção dela.
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Defina trabalho. É fácil calcular trabalho. Multiplique a quantidade de força utilizada pela distância percorrida. Normalmente, cientistas medem a força em Newtons e a distância em metros. Ao usar tais unidades, a resposta será o trabalho em Joules.
- Sempre que ler um problema sobre trabalho, pare e pense onde a força está sendo aplicada. Ao erguer uma caixa, você está empurrando-a para cima: a distância, neste caso, envolve o quão alto ela chegou. Porém, se você andar para frente carregando a caixa, não há mais trabalho envolvido. Afinal, se você continuar segurando a caixa, impedindo-a de cair, ela não estará se movendo mais para cima.
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Encontre a massa do objeto que está sendo movido. A massa de um objeto é imprescindível para calcular a força necessária para movê-lo. No nosso exemplo, digamos que o peso tenha uma massa de 10 quilogramas (kg).
- Evite usar libras ou outras unidades fora do padrão, caso contrário a resposta final não será em joules.
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Calcule a força. Força = massa x aceleração. No nosso exemplo, erguer um peso, a aceleração à qual estamos nos opondo se deve à gravidade, que, em condições normais, acelera objetos para baixo à velocidade de 9,8 metros/segundo². Calcule a força necessária para mover nosso peso para cima multiplicando (10 kg) x (9,8 m/s²) = 98 kg m/s² = 98 newtons (N).
- Se o objeto estiver sendo movido na horizontal, a gravidade será irrelevante. O problema poderá pedir a você para calcular a força necessária para superar a fricção. Se o problema informar a aceleração do objeto quando empurrado, você poderá multiplicar a aceleração pela massa.
Por exemplo, digamos que o peso esteja sendo erguido por 1,5 metro (m). A distância deve ser medida em metros ou a resposta final não será expressa em joules.
Para erguer um peso de 98 newtons por 1,5 metro, você precisará exercer 98 x 1,5 = 147 joules de trabalho.
Nosso exemplo acima era simples: alguém exercia uma força para cima sobre o objeto e o objeto se movia para cima. Às vezes, a direção da força e o movimento do objeto não são iguais, devido a várias forças que agem sobre esse objeto. No próximo exemplo, vamos calcular a quantidade de joules necessária para um menino arrastar um trenó por 25 metros de superfície lisa puxando-o por uma corda a um ângulo de 30° para cima. Nesse cenário, trabalho = força x cosseno (θ) x distância. O símbolo θ é a letra grega "teta" e descreve o ângulo entre a direção da força e a direção do movimento.^{[1]XFonte de pesquisa}
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Descubra a força total aplicada. Nesse problema, digamos que o menino esteja puxando a corda com uma força de 10 newtons.
- Se o problema fornecer a "força para a direita", a "força para cima" ou a "força na direção do movimento", significa que a parte do problema "força x cosseno (θ)" já foi calculada, e você pode passar para a multiplicação dos valores
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Calcule a força relevante. Somente parte da força está empurrando o trenó para frente. Como a corda está em ângulo para cima, o restante da força está empurrando o trenó para cima, contra a gravidade. Calcule a força aplicada na direção do movimento:
- No exemplo, o ângulo θ entre a neve lisa e a corda é de 30º.
- Calcule cos(θ) X cos(30º) = (√3)/2 = cerca de 0,866. Você pode usar uma calculadora para descobrir esse valor, mas verifique se a calculadora está definida para a mesma unidade que a medida de ângulo (graus ou radianos).
- Multiplique a força total x cos(θ). No exemplo, 10 N x 0,866 = 8,66 N de força na direção do movimento.
Agora que sabemos a quantidade de força que está realmente sendo aplicada na direção do movimento, podemos calcular o trabalho como sempre fazemos. Nosso problema informa que o trenó se moveu 20 metros para frente, portanto calcule 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de trabalho.
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Método 2

Método 2 de 5:

Calculando Joules de Watts

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Watts são uma medida de "potência", ou o quão rápido a energia é usada ao longo de um tempo. Joules é uma medida de "energia". Para converter de watts para joules, você precisa especificar um período de tempo. Quanto mais uma corrente fluir, mais energia será usada.
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Multiplique watts por segundos para obter joules. Um dispositivo de 1 Watt consome 1 Joule de energia a cada segundo. Se você multiplicar o número de watts pelo número de segundos, terá joules como resultado. Para descobrir quanta energia uma lâmpada de 60W consome em 120 segundos, simplesmente multiplique (60 watts) x (120 segundos) = 7200 Joules.^{[2]XFonte de pesquisa}
- Esta fórmula serve para qualquer forma de potência medida em watts, mas costuma-se utilizá-la para medir eletricidade.
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Método 3

Método 3 de 5:

Calculando energia cinética em joules

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Entenda o que é energia cinética. A energia cinética é a quantidade de energia na forma de movimento. Como qualquer unidade de energia, ela pode ser expressa em unidades de joules.
- A energia cinética é equivalente à quantidade de trabalho executado para acelerar um objeto parado a determinada velocidade. Assim que o objeto tiver atingido essa velocidade, ele reterá a quantidade de energia cinética até que esta se transforme em calor (da fricção), energia potencial gravitacional (do movimento contra a gravidade) ou outros tipos de energia.
Por exemplo, podemos medir a energia cinética de uma bicicleta e de um ciclista. Digamos que o ciclista tenha uma massa de 50 kg e a bicicleta tenha uma massa de 20 kg, perfazendo uma massa total m de 70 kg. Podemos tratá-los como um objeto de 70 kg, pois eles estarão se movimentando juntos à mesma velocidade.
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Calcule a rapidez. Se você já sabe a velocidade ou rapidez do ciclista, apenas anote-a e siga em frente. Se você precisa calculá-la, use um dos métodos a seguir. Observe que estamos preocupados com a rapidez, não com a velocidade (que é a rapidez em determinada direção), embora a abreviação v seja usada com frequência. Ignore qualquer curva que o ciclista faça e finja que toda a distância percorrida é constituída por uma linha reta.
- Se o ciclista se moveu a uma taxa constante (não acelerou), meça a distância que o ciclista percorreu em metros e divida pelo número de segundos necessários para percorrer essa distância. Esse cálculo fornece a rapidez média, que, neste cenário, é igual à rapidez em qualquer momento.
- Se o ciclista estiver se movendo a uma aceleração constante e não mudar de direção, calcule a rapidez dele no tempo t com a fórmula "rapidez no tempo t = (aceleração)(t) + rapidez inicial. Use segundos para medir o tempo, metros/segundo para medir a rapidez e m/s² para medir a aceleração.
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Insira esses números na seguinte fórmula: Energia cinética = (1/2)m'v². Por exemplo, se o ciclista estiver se movendo a 15 m/s, sua energia cinética K = (1/2)(70 kg)(15 m/s)² = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm²/s² = 7875 newton-metros = 7875 joules.
- A fórmula da energia cinética pode ser derivada da definição de trabalho, W = FΔs, e da equação cinética v² = v₀² + 2aΔs.^{[3]XFonte de pesquisa} em que Δs refere-se à "mudança de posição" ou à distância percorrida.
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Método 4

Método 4 de 5:

Calculando o calor em joules

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Descubra a massa do objeto que está sendo aquecido. Use uma balança ou uma balança de mola. Se o objeto for líquido, pese primeiro o recipiente vazio do líquido e descubra sua massa. Você precisará subtrair esse valor da massa do recipiente e do líquido juntos para descobrir a massa do líquido. Nesse exemplo, vamos supor que o objeto tenha 500 gramas de água.
- Use gramas, não outra unidade qualquer, ou o resultado não será em joules. Para objetos grandes,
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Descubra a capacidade de calor específico do objeto. Essa informação pode ser encontrada em uma referência de química, seja um livro ou um site. Para a água, a capacidade de calor específico c é de 4,19 joules por grama para cada grau Celsius de aquecimento – ou 4,1855, se você precisa ser muito exato.^{[4]XFonte de pesquisa}
- A capacidade de calor específico varia um pouco com base em temperatura e pressão. Organizações e livros distintos usam "temperaturas padrão" diferentes, portanto você poderá encontrar a capacidade de calor específico da água listada como 4,179.
- Você pode usar a escala Kelvin em vez de Celsius, pois a diferença de temperatura é a mesma nas duas unidades (aquecer algo 3ºC é o mesmo que aquecer 3 Kelvin). Não use a escala Fahrenheit ou o resultado não será em joules.
Se o objeto for um líquido, você pode usar um termômetro de bulbo. Para alguns objetos, talvez você precise de um termômetro com sonda.
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Aqueça o objeto e meça a temperatura novamente. Assim você pode medir a quantidade de calor que está sendo adicionada ao objeto durante o aquecimento.
- Se você deseja medir a quantidade total de energia armazenada na forma de calor, finja que a temperatura inicial era zero absoluto: 0 Kelvin ou -273,15 °C. Essa medida não costuma ser útil.
Esse cálculo produzirá a mudança em graus de temperatura no objeto. Supondo que a água estava originalmente a 15 graus Celsius e foi aquecida até 35 graus Celsius, a mudança de temperatura será de 20 graus Celsius.
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Multiplique a massa do objeto por sua capacidade de calor específico e pelo valor de mudança de temperatura. Essa fórmula é expressa como H = mcΔT, em que ΔT significa "mudança de temperatura". Nesse exemplo, seria 500g x 4,19 x 20 ou 41.900 joules.
- O calor costuma ser expresso no sistema métrico em termos de calorias ou quilocalorias. Uma caloria é definida como a quantidade de calor necessário para aumentar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius, enquanto uma quilocaloria é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 quilograma de água em 1 grau Celsius. No exemplo acima, elevar 500 gramas de água em 20 graus Celsius despende 10.000 calorias ou 10 quilocalorias.
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Método 5

Método 5 de 5:

Calculando joules como energia elétrica

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Os passos abaixo são um exemplo prático, mas você também pode usar o método para entender problemas físicos. Primeiro, calcularemos a potência P usando a fórmula P = I² x R, em que I é a corrente em amperes (amps) e R é a resistência em ohms.^{[5]XFonte de pesquisa} Essas unidades fornecem a potência em watts, portanto, a partir daí, podemos usar a fórmula no passo anterior para calcular a energia em joules.
Os resistores são classificados em ohms, sendo a classificação indicada diretamente por etiqueta ou por uma série de faixas coloridas. Você também pode testar a resistência de um resistor conectando-o a um medidor de ohms ou multímetro. Nesse exemplo, usaremos um resistor de 10 ohms.
Conecte os fios ao resistor com clipes fahnestock ou jacaré ou conecte o resistor a um quadro de teste.
Neste exemplo, usaremos um período de 10 segundos.
Faça isso com um amperímetro ou multímetro. A corrente da maioria dos lares é de miliamperes ou milésimos de um ampere, portanto vamos supor que a corrente seja de 100 miliamperes ou 0,1 ampere.
Para descobrir a potência, multiplique o quadrado da corrente pela resistência. Esse cálculo resulta na saída da potência em watts. O quadrado de 0,1 é 0,01 que, multiplicado por 10, resulta em uma saída de potência de 0,1 watt ou 100 miliwatts.
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Multiplique a potência pelo tempo decorrido. Esse cálculo fornece a saída da energia em joules: 0,1 watt x 10 segundos é igual a 1 joule de energia elétrica.
- Como joules são unidades pequenas e como aparelhos elétricos costumam usar watts, miliwatts e quilowatts para indicar a potência em que trabalham, as empresas de energia medem a saída de energia em quilowatts-hora. Um watt é igual a 1 joule por segundo ou 1 joule é igual a 1 watt-segundo; um quilowatt é igual a 1 quilojoule por segundo e um quilojoule é igual a 1 quilowatt-segundo. Como há 3.600 segundos em uma hora, 1 quilowatt-hora é igual a 3.600 quilowatts-segundo, 3.600 quilojoules ou 3.600.000 joules.
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Dicas

Existe outra unidade métrica de trabalho e energia relacionada ao joule denominada erg; 1 erg é igual a 1 dina de força vezes a distância de 1 cm. Um joule é igual a 10.000.000 ergs.

Avisos

Embora os termos "joule" e "newton-metro" descrevam a mesma unidade, na prática, o "joule" é usado para representar qualquer forma de energia e para trabalho executado em linha reta, como no exemplo acima de subir correndo um lance de escadas. Para medir torque, a aplicação de força na rotação de um objeto, o termo "newton-metro" é preferido.

Materiais Necessários

Trabalho ou energia cinética:

Cronômetro
Balança
Calculadora com função cosseno (somente para trabalho, nem sempre necessária)

Energia elétrica:

Resistor
Fios ou quadro de teste
Multímetro (ou ohmímetro e amperímetro separados)
Clipes fahnestock ou jacaré

Calor:

Objeto a aquecer
Fonte de calor (como um bico de Bunsen)
Termômetro (termômetro de bulbo ou com sonda)
Livro de referência química (para descobrir a capacidade de calor específico do objeto que está sendo aquecido)