В XIX веке независимо друг от друга, англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников электрическим током и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Силами других учёных было выяснено, что это утверждение справедливо для любых проводников: твёрдых, жидких, газообразных. Поэтому закономерность получила название закон Джоуля-Ленца:

Справа показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально проверить закон Джоуля–Ленца. Разделив напряжение на силу тока, по формуле R=U/I вычисляют сопротивление. Термометром измеряют повышение температуры воды. По формулам Q=I²Rt и Q=cmΔt° вычисляют количества теплоты, которые должны быть равны друг другу (с учётом погрешностей).

Для тех, кто интересуется физикой более глубоко, специально заметим, что закон Джоуля–Ленца можно получить не только экспериментально, но и вывести теоретическим путём, используя знакомые нам формулы.

Мы получили сразу две новые формулы; выясним их физический смысл.

1. Какие опыты проводили Ленц и Джоуль? Они ...
2. Какой научный факт был ими обнаружен?
3. Закон Джоуля-Ленца применим (выполняется) ...
4. Произведение в правой части равенства представляет собой ...
5. Закон Джоуля-Ленца всегда можно ...
6. Сопротивление спирали в калориметре находят, ...
7. Термометр служит, чтобы измерить ...
8. Формулы Q=I²Rt и Q=cmΔt° служат, чтобы рассчитать ...
9. Закон Джоуля-Ленца можно получить не только опытным, но и ...
10. Применив закон Ома и формулу для работы тока, ...

Левая формула A=I²Rt похожа на формулу закона Джоуля–Ленца, однако в левой её части стоит работа тока, а не количество теплоты. Что даст нам право считать эти величины равными? Для этого мы вспомним первый закон термодинамики (см. § 6-з) и выразим из него работу.

ΔU  =  Q + A       следовательно       A  =  ΔU – Q

Здесь ΔU – это изменение внутренней энергии нагреваемого током проводника; Q – количество теплоты, отданное проводником (на это указывает знак «–» впереди); A – работа, совершённая над проводником. Выясним, что это за работа.

Сам проводник неподвижен, но внутри него движутся электроны, наталкиваясь на ионы кристаллической решётки и передавая им часть своей кинетической энергии. Чтобы поток электронов не ослабевал, силы электрического поля должны постоянно совершать работу. Поэтому A – работа электрического поля по перемещению электронов проводника.

Обсудим теперь величину ΔU применительно к проводнику, в котором начинает идти ток. Проводник будет нагреваться, и его внутренняя энергия будет увеличиваться. По мере нагрева будет возрастать разность между температурами проводника и окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона (см. § 6-л), будет расти мощность теплоотдачи. Вскоре это приведёт к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться. И с этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина ΔU станет равной нулю.

Первый закон термодинамики для этого состояния запишется: A = –Q. Словами: если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту. Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в других видах:

Эти формулы мы пока будем считать равноправными. Позднее мы узнаем, что средняя формула справедлива всегда (поэтому и носит название закона), а две крайние – только при определённых условиях (которые мы сформулируем в старших классах).

11. Поскольку в формулах не Q, а A, нужно обоснование, чтобы ...
12. Таким обоснованием для нас послужит ...
13. В равенстве A=ΔU–Q последнее слагаемое – это ...
14. В левой части этого же равенства стоит ...
15. Работа, совершённая над проводником, – это ...
16. После включения в цепи тока любой её ...
17. Нарастание мощности теплоотдачи проводника ...
18. Поэтому изменение внутренней энергии обратится в ноль, то есть ...
19. Запись A = –Q первого закона термодинамики означает: ...
20. Мы обосновали замену A на Q и сообщаем на будущее, что ...