Различните материали се загряват с различна скорост и изчисляването на това колко време ще отнеме повишаването на температурата на даден обект с определено количество е често срещан проблем за студентите по физика. За да го изчислите, трябва да знаете специфичния топлинен капацитет на обекта, масата на обекта, промяната в температурата, която търсите, и скоростта, с която се подава топлинна енергия към него. Вижте това изчисление, извършено за вода и насочете, за да разберете процеса и как се изчислява като цяло.
TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)
Изчислете топлината (Въпрос:) се изисква с помощта на формулата:
Въпрос: = mc∆T
Където м означава масата на обекта, ° С означава специфичния топлинен капацитет и ∆T е промяната в температурата. Отнемането на време (T) за нагряване на обекта, когато енергията се подава на мощност P се дава от:
T= Въпрос: ÷ P
Формулата за количеството топлинна енергия, необходимо за постигане на определена промяна в температурата, е:
Въпрос: = mc∆T
Където м означава масата на обекта,
∆T = крайна температура – начална температура
Ако загрявате нещо от 10 ° до 50 °, това дава:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Имайте предвид, че докато Целзий и Келвин са различни единици (и 0 ° C = 273 K), промяната от 1 ° C се равнява на промяна от 1 K, така че те могат да се използват взаимозаменяемо в тази формула.
Всеки материал има уникален специфичен топлинен капацитет, който ви казва колко енергия е необходима, за да се нагрее с 1 градус по Келвин (или 1 градус по Целзий), за определено количество вещество или материал. Намирането на топлинния капацитет за вашия конкретен материал често изисква справка с онлайн таблици (вж. Ресурси), но ето някои стойности за ° С за обикновени материали, в джаули за килограм и за Келвин (J / kg K):
Алкохол (пиене) = 2 400
Алуминий = 900
Бисмут = 123
Месинг = 380
Мед = 386
Лед (при −10 ° C) = 2050
Стъкло = 840
Злато = 126
Гранит = 790
Олово = 128
Меркурий = 140
Сребро = 233
Волфрам = 134
Вода = 4,186
Цинк = 387
Изберете подходящата стойност за вашето вещество. В тези примери акцентът ще бъде върху водата (° С = 4,186 J / kg K) и олово (° С = 128 J / kg K).
Крайното количество в уравнението е м за масата на обекта. Накратко, отнема повече енергия за нагряване на по-голямо количество материал. Така че, например, представете си, че изчислявате топлината, необходима за нагряване на 1 килограм (кг) вода и 10 кг олово с 40 К. Формулата гласи:
Въпрос: = mc∆T
Така че за примера с водата:
Въпрос: = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167 440 J
= 167,44 kJ
Така че са необходими 167,44 килоджаула енергия (т.е. над 167 000 джаула), за да се загрее 1 кг вода с 40 K или 40 ° C.
За олово:
Въпрос: = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51,200 Дж
= 51,2 kJ
Така че отнема 51,2 kJ (51 200 джаула) енергия, за да се загреят 10 kg олово с 40 K или 40 ° C. Имайте предвид, че е необходимо по-малко енергия, за да се загрее десет пъти повече олово със същото количество, тъй като оловото се загрява по-лесно от водата.
Мощността измерва доставената енергия в секунда и това ви позволява да изчислите времето, необходимо за нагряване на въпросния обект. Отнема време (T) се дава от:
T= Въпрос: ÷ P
Където Въпрос: е топлинната енергия, изчислена в предходната стъпка и P е мощността във ватове (W, т.е. джаули в секунда). Представете си, че водата от примера се загрява от кана с мощност 2 kW (2000 W). Резултатът от предишния раздел дава:
T= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Така че отнема малко по-малко от 84 секунди, за да загреете 1 кг вода с 40 K с помощта на 2-кВт чайник. Ако захранването към 10-килограмовия блок олово се извършва със същата скорост, отоплението ще отнеме:
T= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Така че отнема 25,6 секунди за нагряване на оловото, ако топлината се подава със същата скорост. Отново това отразява факта, че оловото се загрява по-лесно от водата.