Как да изчислим топлинната мощност

Ако наблюдавате как повърхността на замръзнало езерце бавно се топи в нетипично топъл зимен следобед и наблюдавате как същото се случва на повърхността на близката добре размразена локва, може да наблюдавате как ледът във всяка изглежда се трансформира във вода приблизително по същия начин ставка.

Но какво, ако цялата слънчева светлина, падаща върху откритата повърхност на езерото, може би с площ от декар, бъде едновременно фокусирана върху повърхността на локвата?

Вашата интуиция вероятно ви казва, че не само повърхността на локвата много бързо ще се разтопи във вода, но и цялата локва може дори да стане водна пара почти моментално, заобикаляйки течната фаза, за да стане водниста газ. Но защо, от гледна точка на физическата наука, това трябва да бъде?

Същата тази интуиция вероятно ви казва, че има връзка между топлината, масата и промяната в температурата на лед, вода или и двете.

Случва се така и идеята се разпростира и върху други вещества, всяко от които има различни "устойчивост" към нагряване, което се проявява в различни температурни промени в отговор на дадено количество, ако се добави топлина. Тези идеи се комбинират, за да предложат концепциите на

Топлината е една от привидно безбройните форми на величината, известна като енергия във физиката. Енергията има единици сила, умножена по разстояние, или нютонметър, но това обикновено се нарича джаул (J). В някои приложения калорията, равна на 4.18 J, е стандартната единица; в други пък btu или британската тематична единица управлява деня.

Топлината има тенденция да се "премества" от по-топлите към по-студените зони, т.е. в региони, в които в момента има по-малко топлина. Въпреки че топлината не може да се задържи или види, промените в нейната величина могат да бъдат измерени чрез промени в температурата.

Температурата е мярка за средната кинетична енергия на набор от молекули, като чаша с вода или съд с газ. Добавянето на топлина повишава тази молекулярна кинетична енергия, а оттам и температурата, като същевременно намалява понижава температурата.

Защо джаулът е равен на 4,18 калории? Тъй като калориите (кал), макар и да не са единица топлина SI, се получават от метрични единици и са основни по някакъв начин: количеството топлина необходимо за повишаване на един грам вода със стайна температура с 1 K или 1 ° C. (Промяна от 1 градус по скалата на Келвин е идентична с промяна от 1 градус по скалата на Целзий; обаче двете се компенсират с около 273 градуса, така че 0 K = 273,15 ° C.)

• „Калорията“ на етикетите на храните всъщност е килокалория (ккал), което означава, че една консервирана сода от 12 унции съдържа около 150 000 истински калории.

Начинът, по който човек може да определи такова нещо чрез експериментиране, използвайки вода или друго вещество, е да постави дадена маса от него в контейнер, добавете дадено количество топлина, без да позволявате на някое от веществото или топлината да излезе от комплекта, и измерете промяната в температура.

Тъй като знаете масата на веществото и можете да приемете, че топлината и температурата са еднакви през цялото време, вие може да определи чрез просто разделяне колко топлина би променила единица количество, като 1 грам, на същото температура.

Формулата за топлинен капацитет се предлага в различни форми, но всички те представляват едно и също основно уравнение:

Q = mCΔT

Това уравнение просто заявява, че промяната в топлината Q на затворена система (течност, газ или твърдо вещество материал) е равна на масата на пробата, умножена по температурната промяна ΔT по параметър C Наречен специфичен топлинен капацитет, или просто специфична топлина. Колкото по-висока е стойността на С, толкова повече топлина може да поеме една система, като същевременно се поддържа същото увеличение на температурата.

Топлинният капацитет е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на даден обект с определено количество (обикновено 1 K), така че SI единиците са J / K. Обектът може да е еднороден, а може и да не е. Би било възможно грубо да определите топлинния капацитет на смес от вещества като кал, ако вие знаеше масата му и измерва температурната промяна в отговор на нагряването му в запечатано устройство на някои вид.

По-полезно количество в химията, физиката и инженерството е специфичен топлинен капацитет C, измерено в единици топлина на единица маса. Специфичните единици топлинен капацитет обикновено са джаули на грам-келвин или J / g⋅K, въпреки че килограмът (kg) е SI единица за маса. Една от причините специфичната топлина да е полезна е, че ако имате известна маса на еднородно вещество и знаете топлината му капацитет, можете да прецените годността му да служи като "радиатор", за да се избегнат рисковете от пожар при някои експерименти ситуации.

Водата всъщност има много висок топлинен капацитет. Като се има предвид, че човешкото тяло трябва да може да толерира добавянето или изваждането на значителни количества топлина благодарение на земната при различни условия, това би било основно изискване на всеки биологичен обект, който е направен предимно от вода, тъй като почти всички огромен живот нещата са.

Представете си спортен стадион, който побира 100 000 души, и друг в града, който побира 50 000 души. С един поглед става ясно, че абсолютният „капацитет на седалките“ на първия стадион е два пъти по-голям от този на втория. Но също така си представете, че вторият стадион е построен по такъв начин, че да заема само една четвърт от обема на първия.

Ако направите алгебрата, ще откриете, че по-малкият стадион всъщност побира двойно повече хора на единица пространство като по-големия, като му придава двойно по-голяма стойност от "специфичното място".

В тази аналогия помислете за отделните зрители като единици топлина с идентична величина, които се вливат в и извън стадиона. Докато по-големият стадион може да побере двойно повече "топлина" като цяло, по-малкият стадион всъщност има два пъти капацитет да "съхранява" тази версия на "топлина" на единица пространство.

Ако се предполага, че всяка еднаква по големина секция на двата стадиона произвежда еднакво количество кошче след играта, когато е пълна, независимо от това колко хора побира, тогава по-малкият ще бъде два пъти по-ефективен при намаляване на отпадъците на индивидуален зрители; мислете за това като за двойно по-устойчиво на повишаване на температурата на единица добавена топлина.

От това можете да видите, че ако два обекта с една и съща специфична топлина имат различни маси, по-големият ще има по-голям топлинен капацитет с количество, което се мащабира с това колко по-масивна е тя. Когато се сравняват обекти с различни маси и различни специфични топлини, ситуацията става по-сложна.

Металната мед има специфична топлина от 0,386 J / g⋅K. Колко топлина е необходима, за да се повиши температурата на 1 кг мед от 0 ° С на 100 ° С?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1,000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.

Какво е топлинен капацитет от това парче мед? Трябват ви 38 600 J, за да повдигнете цялата маса със 100 K, така че ще ви трябва 1/100 от това, за да я изтласкате с 1 K. Така топлинният капацитет на медта в този размер е 386 Дж.