Conţinut
Diferitele materiale se încălzesc la viteze diferite și calcularea cât timp va dura pentru a crește temperatura unui obiect cu o cantitate specificată este o problemă comună pentru studenții la fizică. Pentru a-l calcula, trebuie să cunoașteți capacitatea specifică de căldură a obiectului, masa obiectului, modificarea temperaturii pe care o căutați și rata de furnizare a energiei termice. Vedeți acest calcul efectuat pentru apă și plumb pentru a înțelege procesul și modul în care este calculat în general.
TL; DR (Prea lung; nu a citit)
Calculați căldura (Q) obligatoriu folosind formula:
Q = mc∆T
Unde m înseamnă masa obiectului, c reprezintă capacitatea specifică de căldură și ∆T este schimbarea temperaturii. Timpul luat (T) pentru a încălzi obiectul atunci când este furnizată energie la energie P este dat de:
T = Q ÷ P
Formula pentru cantitatea de energie termică necesară pentru a produce o anumită modificare a temperaturii este:
Q = mc∆T
Unde m înseamnă masa obiectului, c este capacitatea specifică de căldură a materialului din care este fabricat și ∆T este schimbarea temperaturii. În primul rând, calculați modificarea temperaturii folosind formula:
∆T = temperatura finală – temperatura de pornire
Dacă încălziți ceva de la 10 ° la 50 °, aceasta oferă:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Rețineți că, în timp ce Celsius și Kelvin sunt unități diferite (și 0 ° C = 273 K), o schimbare de 1 ° C este egală cu o schimbare de 1 K, deci pot fi utilizate în mod interschimbabil în această formulă.
Fiecare material are o capacitate de căldură specifică unică, care vă spune câtă energie necesară pentru a-l încălzi cu 1 grad Kelvin (sau 1 grad Celsius), pentru o cantitate specifică de o substanță sau material. Găsirea capacității de căldură pentru materialul dvs. specific necesită adesea consultarea tabelelor online (consultați Resurse), dar iată câteva valori pentru c pentru materiale obișnuite, în jouli pe kilogram și pe Kelvin (J / kg K):
Alcool (băut) = 2.400
Aluminiu = 900
Bismut = 123
Alama = 380
Cupru = 386
Gheață (la –10 ° C) = 2.050
Pahar = 840
Aur = 126
Granit = 790
Plumb = 128
Mercur = 140
Argint = 233
Tungsten = 134
Apa = 4.186
Zinc = 387
Alegeți valoarea corespunzătoare pentru substanța dvs. În aceste exemple, accentul va fi pus pe apă (c = 4.186 J / kg K) și plumb (c = 128 J / kg K).
Cantitatea finală din ecuație este m pentru masa obiectului. Pe scurt, este nevoie de mai multă energie pentru a încălzi o cantitate mai mare de material. De exemplu, imaginați-vă că calculați căldura necesară pentru a încălzi 1 kilogram (kg) de apă și 10 kg de plumb cu 40 K. Formula prevede:
Q = mc∆T
Deci pentru exemplul de apă:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167.440 J
= 167,44 kJ
Deci este nevoie de 167,44 kilojoule de energie (adică peste 167.000 de joule) pentru a încălzi 1 kg de apă cu 40 K sau 40 ° C.
Pentru plumb:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Astfel, este nevoie de 51,2 kJ (51.200 joule) de energie pentru a încălzi 10 kg de plumb cu 40 K sau 40 ° C. Rețineți că necesită mai puțină energie pentru a încălzi de zece ori mai mult plumb cu aceeași cantitate, deoarece plumbul este mai ușor de încălzit decât apa.
Puterea măsoară energia livrată pe secundă și acest lucru vă permite să calculați timpul necesar pentru încălzirea obiectului în cauză. Timp luat (T) este dat de:
T = Q ÷ P
Unde Q este energia termică calculată în etapa anterioară și P este puterea în wați (W, adică, joule pe secundă). Imaginați-vă că apa din exemplul este încălzită cu un ibric de 2 kW (2.000 W). Rezultatul din secțiunea anterioară oferă:
T = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Așadar, este nevoie de puțin mai puțin de 84 de secunde pentru a încălzi 1 kg de apă cu 40 K folosind un ibric de 2 kW. Dacă s-ar furniza energie la un bloc de 10 kg de plumb în aceeași viteză, încălzirea ar lua:
T = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Deci, este nevoie de 25,6 secunde pentru a încălzi plumbul dacă este furnizată căldură la aceeași viteză. Din nou, acest lucru reflectă faptul că plumbul se încălzește mai ușor decât apa.