Los diferentes materiales se calientan a diferentes velocidades, y calcular cuánto tiempo llevará elevar la temperatura de un objeto en una cantidad específica es un problema común para los estudiantes de física. Para calcularlo, necesita conocer la capacidad calorífica específica del objeto, la masa del objeto, el cambio de temperatura que está buscando y la velocidad a la que se le suministra energía térmica. Vea este cálculo realizado para el agua y conduzca a comprender el proceso y cómo se calcula en general.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
Calcule el calor (Q) requerido usando la fórmula:
Q = mc∆T
Dónde metro significa la masa del objeto, C representa la capacidad calorífica específica y ∆T es el cambio de temperatura. El tiempo tomado (t) para calentar el objeto cuando la energía se suministra en potencia PAG es dado por:
t= Q ÷ PAG
La fórmula de la cantidad de energía térmica necesaria para producir un cierto cambio de temperatura es:
Q = mc∆T
Dónde metro significa la masa del objeto,
C es la capacidad calorífica específica del material del que está hecho y ∆T es el cambio de temperatura. Primero, calcule el cambio de temperatura usando la fórmula:∆T = temperatura final – temperatura inicial
Si está calentando algo de 10 ° a 50 °, esto da:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Tenga en cuenta que, si bien Celsius y Kelvin son unidades diferentes (y 0 ° C = 273 K), un cambio de 1 ° C equivale a un cambio de 1 K, por lo que se pueden usar indistintamente en esta fórmula.
Cada material tiene una capacidad calorífica específica única, que le indica cuánta energía se necesita para calentarlo en 1 grado Kelvin (o 1 grado Celsius), para una cantidad específica de una sustancia o material. Encontrar la capacidad de calor para su material específico a menudo requiere consultar tablas en línea (ver Recursos), pero aquí hay algunos valores para C para materiales comunes, en julios por kilogramo y por Kelvin (J / kg K):
Alcohol (beber) = 2400
Aluminio = 900
Bismuto = 123
Latón = 380
Cobre = 386
Hielo (a −10 ° C) = 2050
Vidrio = 840
Oro = 126
Granito = 790
Plomo = 128
Mercurio = 140
Plata = 233
Tungsteno = 134
Agua = 4,186
Zinc = 387
Elija el valor apropiado para su sustancia. En estos ejemplos, la atención se centrará en el agua (C = 4.186 J / kg K) y plomo (C = 128 J / kg K).
La cantidad final en la ecuación es metro para la masa del objeto. En resumen, se necesita más energía para calentar una mayor cantidad de un material. Entonces, para el ejemplo, imagina que estás calculando el calor necesario para calentar 1 kilogramo (kg) de agua y 10 kg de plomo en 40 K. La fórmula dice:
Q = mc∆T
Entonces, para el ejemplo del agua:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167,440 J
= 167,44 kJ
Por lo tanto, se necesitan 167,44 kilojulios de energía (es decir, más de 167.000 julios) para calentar 1 kg de agua a 40 K o 40 ° C.
Para el plomo:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Por tanto, se necesitan 51,2 kJ (51.200 julios) de energía para calentar 10 kg de plomo a 40 K o 40 ° C. Tenga en cuenta que se requiere menos energía para calentar diez veces más plomo en la misma cantidad, porque el plomo es más fácil de calentar que el agua.
La potencia mide la energía entregada por segundo y esto le permite calcular el tiempo necesario para calentar el objeto en cuestión. Tiempo tomado (t) es dado por:
t= Q ÷ PAG
Dónde Q es la energía térmica calculada en el paso anterior y PAG es la potencia en vatios (W, es decir, julios por segundo). Imagine que el agua del ejemplo se calienta con una tetera de 2 kW (2000 W). El resultado de la sección anterior da:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Por lo tanto, se necesitan menos de 84 segundos para calentar 1 kg de agua a 40 K con un hervidor de 2 kW. Si se suministrara energía al bloque de plomo de 10 kg a la misma velocidad, el calentamiento requeriría:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Por lo tanto, se necesitan 25,6 segundos para calentar el plomo si se suministra calor a la misma velocidad. Nuevamente, esto refleja el hecho de que el plomo se calienta más fácilmente que el agua.