Erinevad materjalid kuumenevad erineva kiirusega ja arvutamine, kui kaua võtab aega objekti temperatuuri tõstmine kindlaksmääratud summa võrra, on füüsikaõpilaste jaoks tavaline probleem. Selle arvutamiseks peate teadma objekti konkreetset soojusmahtu, eseme massi, otsitava temperatuuri muutust ja soojusenergia tarnimise kiirust. Vaadake seda vee ja plii jaoks tehtud arvutust, et mõista protsessi ja selle arvutamist üldiselt.
TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)
Arvutage soojus (Q) nõutav valem:
Q = mc∆T
Kus m tähendab objekti massi, c tähistab erisoojusvõimsust ja ∆T on temperatuuri muutus. Kulutatud aeg (t) objekti soojendamiseks, kui energiat tarnitakse võimsusel P annab:
t= Q ÷ P
Teatud temperatuurimuutuse tekitamiseks vajaliku soojusenergia koguse valem on:
Q = mc∆T
Kus m tähendab objekti massi, c on materjali erisoojusvõimsus, millest see on valmistatud, ja ∆T on temperatuuri muutus. Kõigepealt arvutage temperatuuri muutus järgmise valemi abil:
∆T = lõpptemperatuur – algtemperatuur
Kui soojendate midagi vahemikus 10–50 °, annab see:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Pange tähele, et kuigi Celsiuse ja Kelvini väärtused on erinevad (ja 0 ° C = 273 K), võrdub 1 ° C muutus 1 K muutusega, nii et neid saab selles valemis kasutada vaheldumisi.
Igal materjalil on ainulaadne spetsiifiline soojusvõimsus, mis ütleb teile, kui palju energiat kulub selle kuumutamiseks 1 Kelvini kraadi (või 1 Celsiuse kraadi) võrra konkreetse aine või materjali koguse jaoks. Konkreetse materjali soojusvõimsuse leidmine nõuab sageli veebipõhiste tabelite kasutamist (vt Ressursid), kuid siin on mõned väärtused c tavaliste materjalide puhul džaulides kilogrammi ja kelvinite kohta (J / kg K):
Alkohol (joomine) = 2400
Alumiinium = 900
Vismut = 123
Messing = 380
Vask = 386
Jää (temperatuuril –10 ° C) = 2050
Klaas = 840
Kuld = 126
Graniit = 790
Plii = 128
Elavhõbe = 140
Hõbe = 233
Volfram = 134
Vesi = 4186
Tsink = 387
Valige ainele sobiv väärtus. Nendes näidetes keskendutakse veele (c = 4,186 J / kg K) ja plii (c = 128 J / kg K).
Lõplik suurus võrrandis on m eseme massi jaoks. Lühidalt, suurema hulga materjali kuumutamiseks kulub rohkem energiat. Näiteks kujutage ette, et arvutate 1 kg (kg) vee ja 10 kg plii 40 K kuumutamiseks vajaliku soojuse. Valem ütleb:
Q = mc∆T
Nii et veenäide:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167 440 J
= 167,44 kJ
Niisiis kulub 1 kg vee soojendamiseks 40 K või 40 ° C võrra 167,44 kilodžauli energiat (st üle 167 000 džauli).
Plii jaoks:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K.
= 51 200 J
= 51,2 kJ
10 kg plii kuumutamiseks 40 K või 40 ° C võrra kulub seega 51,2 kJ (51 200 džauli) energiat. Pange tähele, et kümme korda suurema plii kuumutamiseks sama koguse jaoks on vaja vähem energiat, kuna pliid on kergem kuumutada kui vett.
Võimsus mõõdab sekundis tarnitud energiat ja see võimaldab teil arvutada aja, mis kulub kõnealuse objekti soojendamiseks. Võetud aeg (t) annab:
t= Q ÷ P
Kus Q on eelmises etapis arvutatud soojusenergia ja P on võimsus vattides (W, st džaulides sekundis). Kujutage ette, et näite vett kuumutatakse 2 kW (2000 W) veekeetja abil. Eelmise jaotise tulemus annab:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Nii et 1 kg vee soojendamine 40 K võrra 2 kW võimsusega veekeetja abil võtab aega vähem kui 84 sekundit. Kui 10 kg kaaluvale pliiplokile tarnitakse elektrit sama kiirusega, kuluks kütmiseks:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Seega kulub plii kuumutamiseks 25,6 sekundit, kui soojust tarnitakse sama kiirusega. See peegeldab jällegi fakti, et plii soojeneb kergemini kui vesi.