Různé materiály se zahřívají různými rychlostmi a výpočet, jak dlouho bude trvat, než se zvýší teplota objektu o určité množství, je běžným problémem studentů fyziky. Chcete-li to vypočítat, potřebujete znát měrnou tepelnou kapacitu objektu, hmotnost objektu, změnu teploty, kterou hledáte, a rychlost, jakou se do něj dodává tepelná energie. Podívejte se na tento výpočet provedený pro vodu a pochopte proces a způsob jeho výpočtu obecně.
TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)
Vypočítejte teplo (Q) povinné pomocí vzorce:
Q = mc∆T
Kde m znamená hmotnost předmětu, C znamená měrnou tepelnou kapacitu a ∆T je změna teploty. Čas potřebný (t) k ohřátí objektu, když je energie dodávána na energii P darováno:
t= Q ÷ P
Vzorec pro množství tepelné energie potřebné k vytvoření určité změny teploty je:
Q = mc∆T
Kde m znamená hmotnost předmětu, C je měrná tepelná kapacita materiálu, ze kterého je vyroben, a ∆T je změna teploty. Nejprve vypočítáme změnu teploty pomocí vzorce:
∆T = konečná teplota – počáteční teplota
Pokud ohříváte něco od 10 ° do 50 °, dává to:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Všimněte si, že zatímco Celsius a Kelvin jsou různé jednotky (a 0 ° C = 273 K), změna o 1 ° C se rovná změně o 1 K, takže je lze v tomto vzorci použít zaměnitelně.
Každý materiál má jedinečnou specifickou tepelnou kapacitu, která vám řekne, kolik energie je potřeba k jeho zahřátí o 1 stupeň Kelvina (nebo 1 stupeň Celsia) na konkrétní množství látky nebo materiálu. Nalezení tepelné kapacity pro váš konkrétní materiál často vyžaduje prostudování online tabulek (viz Zdroje), ale zde jsou některé hodnoty pro C pro běžné materiály v joulech na kilogram a na Kelvin (J / kg K):
Alkohol (pití) = 2400
Hliník = 900
Vizmut = 123
Mosaz = 380
Měď = 386
Led (při -10 ° C) = 2050
Sklo = 840
Zlato = 126
Žula = 790
Olovo = 128
Rtuť = 140
Stříbro = 233
Wolfram = 134
Voda = 4 186
Zinek = 387
Vyberte vhodnou hodnotu pro svou látku. V těchto příkladech bude důraz kladen na vodu (C = 4 186 J / kg K) a olovo (C = 128 J / kg K).
Konečné množství v rovnici je m pro hmotnost objektu. Stručně řečeno, k zahřátí většího množství materiálu je zapotřebí více energie. Představte si například, že počítáte teplo potřebné k ohřátí 1 kilogramu (kg) vody a 10 kg olova o 40 K. Vzorec uvádí:
Q = mc∆T
Například pro vodu:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K.
= 167 440 J
= 167,44 kJ
Zahřátí 1 kg vody o 40 K nebo 40 ° C tedy vyžaduje 167,44 kilojoulů energie (tj. Více než 167 000 joulů).
Pro olovo:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K.
= 51 200 J.
= 51,2 kJ
K ohřátí 10 kg olova o 40 K nebo 40 ° C je tedy zapotřebí energie 51,2 kJ (51 200 joulů). Pamatujte, že k zahřátí desetkrát většího množství olova na stejné množství vyžaduje méně energie, protože olovo se ohřívá snadněji než voda.
Síla měří energii dodanou za sekundu, což vám umožňuje vypočítat čas potřebný k zahřátí dotyčného objektu. Čas potřebný (t) darováno:
t= Q ÷ P
Kde Q je tepelná energie vypočítaná v předchozím kroku a P je výkon ve wattech (W, tj. joulech za sekundu). Představte si, že vodu z příkladu ohřívá rychlovarná konvice s výkonem 2 kW (2 000 W). Výsledek z předchozí části dává:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Zahřívání 1 kg vody o 40 K pomocí rychlovarné konvice tedy trvá jen necelých 84 sekund. Pokud by byla do 10 kg bloku olova dodávána energie stejnou rychlostí, zahřívání by trvalo:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Zahřívání elektrody tedy trvá 25,6 sekundy, pokud je teplo dodáváno stejnou rychlostí. To opět odráží skutečnost, že olovo se ohřívá snadněji než voda.