Forskellige materialer varmes op med forskellige hastigheder, og det er et almindeligt problem for fysikstuderende at beregne, hvor lang tid det tager at hæve et objekts temperatur med en bestemt mængde. For at beregne det skal du kende objektets specifikke varmekapacitet, genstandens masse, den temperaturændring, du leder efter, og den hastighed hvormed varmeenergi tilføres det. Se denne beregning udført for vand og føre til forståelse af processen, og hvordan den beregnes generelt.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
Beregn varmen (Q) krævet ved hjælp af formlen:
Q = mc∆T
Hvor m betyder genstandens masse, c står for den specifikke varmekapacitet og ∆T er temperaturændringen. Den tid, der er taget (t) til opvarmning af genstanden, når energi tilføres strøm P er givet af:
t= Q ÷ P
Formlen for den mængde varmeenergi, der kræves for at frembringe en bestemt temperaturændring, er:
Q = mc∆T
Hvor m betyder genstandens masse, c er den specifikke varmekapacitet for det materiale, det er fremstillet af, og ∆T er temperaturændringen. Beregn først temperaturændringen ved hjælp af formlen:
∆T = endelig temperatur – starttemperatur
Hvis du varmer noget fra 10 ° til 50 °, giver dette:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Bemærk, at mens Celsius og Kelvin er forskellige enheder (og 0 ° C = 273 K), er en ændring på 1 ° C lig med en ændring på 1 K, så de kan bruges om hverandre i denne formel.
Hvert materiale har en unik specifik varmekapacitet, som fortæller dig, hvor meget energi det tager at varme det op med 1 grad Kelvin (eller 1 grad Celsius) til en bestemt mængde af et stof eller materiale. At finde varmekapaciteten til dit specifikke materiale kræver ofte konsultation af online-tabeller (se Ressourcer), men her er nogle værdier til c for almindelige materialer i joule pr. kg og pr. Kelvin (J / kg K):
Alkohol (drikke) = 2.400
Aluminium = 900
Vismut = 123
Messing = 380
Kobber = 386
Is (ved -10 ° C) = 2.050
Glas = 840
Guld = 126
Granit = 790
Bly = 128
Kviksølv = 140
Sølv = 233
Wolfram = 134
Vand = 4.186
Zink = 387
Vælg den passende værdi for dit stof. I disse eksempler vil der være fokus på vand (c = 4.186 J / kg K) og bly (c = 128 J / kg K).
Den endelige mængde i ligningen er m for genstandens masse. Kort sagt tager det mere energi at opvarme en større mængde af et materiale. Så for eksempel, forestil dig at du beregner den nødvendige varme til at opvarme 1 kg (kg) vand og 10 kg bly med 40 K. Formlen siger:
Q = mc∆T
Så for vandeksemplet:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167.440 J
= 167,44 kJ
Så det tager 167,44 kilojoule energi (dvs. over 167.000 joule) at opvarme 1 kg vand med 40 K eller 40 ° C.
For bly:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Så det tager 51,2 kJ (51.200 joule) energi at opvarme 10 kg bly med 40 K eller 40 ° C. Bemærk, at det kræver mindre energi at opvarme ti gange så meget bly med samme mængde, fordi bly er lettere at varme end vand.
Effekt måler den leverede energi pr. Sekund, og dette giver dig mulighed for at beregne den tid, det tager at opvarme det pågældende objekt. Tid taget (t) er givet af:
t= Q ÷ P
Hvor Q er den varmeenergi, der blev beregnet i det foregående trin, og P er effekten i watt (W, dvs. joule pr. sekund). Forestil dig, at vandet fra eksemplet opvarmes af en 2 kW (2.000 W) kedel. Resultatet fra forrige afsnit giver:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Så det tager kun mindre end 84 sekunder at opvarme 1 kg vand med 40 K ved hjælp af en 2 kW kedel. Hvis der blev leveret strøm til 10 kg blyblok i samme hastighed, ville opvarmningen tage:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Så det tager 25,6 sekunder at varme ledningen op, hvis der tilføres varme i samme hastighed. Igen, dette afspejler det faktum, at bly opvarmes lettere end vand.
