Зміст
Різні матеріали нагріваються з різною швидкістю, і підрахунок часу, який знадобиться для підвищення температури предмета на визначену кількість, є загальною проблемою для студентів фізики. Для його обчислення потрібно знати питому теплоємність об’єкта, масу об'єкта, зміну температури, яку ви шукаєте, і швидкість, з якою теплова енергія подається на неї. Перегляньте цей розрахунок, проведений для води, і зрозумійте процес і як він обчислюється в цілому.
TL; DR (Занадто довго; Не читав)
Обчисліть тепло (Q), необхідні за допомогою формули:
Q = мс∆Т
Де м означає масу об'єкта, c означає питому теплоємність і ∆Т - це зміна температури. Затрачений час (т) нагрівати об’єкт при подачі енергії на потужність П задається:
т = Q ÷ П
Формула кількості теплової енергії, необхідної для отримання певної зміни температури, така:
Q = мс∆Т
Де м означає масу об'єкта, c - питома теплоємність матеріалу, з якого він виготовлений, і ∆Т - це зміна температури. Спочатку обчисліть зміну температури за формулою:
∆Т = кінцева температура – початкова температура
Якщо ви нагріваєте щось від 10 ° до 50 °, це дає:
∆Т = 50° – 10°
= 40°
Зауважимо, що хоча Цельсій і Кельвін є різними одиницями (і 0 ° С = 273 К), зміна на 1 ° С дорівнює зміні на 1 К, тому їх можна використовувати взаємозамінно у цій формулі.
Кожен матеріал має унікальну питому теплоємність, яка говорить про те, скільки енергії потрібно для його нагрівання на 1 градус Кельвіна (або на 1 градус Цельсія), для конкретної кількості речовини або матеріалу. Пошук теплоємності для вашого конкретного матеріалу часто вимагає консультацій з онлайн-таблицями (див. Ресурси), але ось деякі значення для c для звичайних матеріалів, в джоулях на кілограм і на Келвін (Дж / кг К):
Алкоголь (вживання алкоголю) = 2400
Алюміній = 900
Вісмут = 123
Латунь = 380
Мідь = 386
Лід (при −10 ° C) = 2050
Скло = 840
Золото = 126
Граніт = 790
Ведуча = 128
Ртуть = 140
Срібло = 233
Вольфрам = 134
Вода = 4,186
Цинк = 387
Виберіть відповідне значення для вашої речовини. У цих прикладах увага буде зосереджена на воді (c = 4,186 Дж / кг К) та свинцю (c = 128 Дж / кг К).
Кінцева кількість у рівнянні дорівнює м на масу об’єкта. Коротше кажучи, для нагрівання більшої кількості матеріалу потрібно більше енергії. Так, для прикладу, уявіть, що ви обчислюєте тепло, необхідне для нагрівання 1 кілограма (кг) води та 10 кг свинцю на 40 К. Формула зазначає:
Q = мс∆Т
Отже, для прикладу води:
Q = 1 кг × 4186 Дж / кг К × 40 К
= 167,440 Дж
= 167,44 кДж
Таким чином, для нагрівання 1 кг води на 40 К або 40 ° С потрібно 167,44 кілоджалів енергії (тобто понад 167 000 джоулей).
Для свинцю:
Q = 10 кг × 128 Дж / кг К × 40 К
= 51 200 Дж
= 51,2 кДж
Таким чином, для нагрівання 10 кг свинцю на 40 К або 40 ° С потрібно 51,2 кДж (51200 джоулів) енергії. Зауважте, що для нагрівання свинцю в десять разів більше, ніж на одну і ту ж кількість, потрібно менше енергії, адже свинцеві нагрівати легше, ніж воду.
Потужність вимірює енергію, що доставляється в секунду, і це дозволяє обчислити час, необхідний для нагрівання відповідного об'єкта. Затрачений час (т) задається:
т = Q ÷ П
Де Q - теплова енергія, обчислена на попередньому етапі і П - потужність у ватах (Вт, тобто, джоулів за секунду). Уявіть, що вода з прикладу нагрівається чайником потужністю 2 кВт (2000 Вт). Результат з попереднього розділу дає:
т = 167440 Дж ÷ 2000 Дж / с
= 83,72 с
Тому потрібно нагріти 1 кг води на 40 К за допомогою чайника потужністю 2 кВт. Якщо енергія подається на 10-кг кг свинцю з однаковою швидкістю, нагрівання зайняло б:
т = 51200 Дж ÷ 2000 Дж / с
= 25,6 с
Таким чином, потрібно 25,6 секунди для нагрівання свинцю, якщо тепло подається з однаковою швидкістю. Знову ж таки, це відображає той факт, що свинець нагрівається легше, ніж вода.