Različiti materijali zagrijavaju se različitom brzinom, a izračunavanje koliko će biti potrebno da se temperatura objekta povisi za određenu količinu čest je problem studenata fizike. Da biste ga izračunali, morate znati specifični toplinski kapacitet predmeta, masu predmeta, promjenu temperature koju tražite i brzinu kojom se toplinska energija do njega dovodi. Pogledajte ovaj izračun izveden za vodu i uvod kako biste razumjeli postupak i kako se izračunava općenito.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Izračunajte toplinu (P) potrebno pomoću formule:
P = mc∆T
Gdje m znači masu predmeta, c predstavlja specifični toplinski kapacitet i ∆T je promjena temperature. Potrebno vrijeme (t) za zagrijavanje predmeta kada se energija opskrbljuje snagom Str daje:
t= P ÷ Str
Formula za količinu toplinske energije potrebne za stvaranje određene promjene temperature je:
P = mc∆T
Gdje m znači masu predmeta, c je specifični toplinski kapacitet materijala od kojeg je izrađen i ∆T je promjena temperature. Prvo izračunajte promjenu temperature pomoću formule:
∆T = konačna temperatura – početna temperatura
Ako zagrijavate nešto od 10 ° do 50 °, to daje:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Imajte na umu da dok su Celzijus i Kelvin različite jedinice (i 0 ° C = 273 K), promjena od 1 ° C jednaka je promjeni od 1 K, pa se u ovoj formuli mogu koristiti naizmjenično.
Svaki materijal ima jedinstveni specifični toplinski kapacitet, koji vam govori koliko je energije potrebno za njegovo zagrijavanje za 1 stupanj Kelvina (ili 1 Celzijev stupanj), za određenu količinu tvari ili materijala. Pronalaženje toplinskog kapaciteta za vaš određeni materijal često zahtijeva konzultiranje mrežnih tablica (pogledajte Resursi), ali ovdje su neke vrijednosti za c za uobičajene materijale, u džulima po kilogramu i po Kelvinima (J / kg K):
Alkohol (pijenje) = 2.400
Aluminij = 900
Bizmut = 123
Mjed = 380
Bakar = 386
Led (na -10 ° C) = 2.050
Staklo = 840
Zlato = 126
Granit = 790
Olovo = 128
Živa = 140
Srebro = 233
Volfram = 134
Voda = 4.186
Cink = 387
Odaberite odgovarajuću vrijednost za svoju tvar. U ovim primjerima fokus će biti na vodi (c = 4.186 J / kg K) i olova (c = 128 J / kg K).
Konačna veličina u jednadžbi je m za masu predmeta. Ukratko, potrebno je više energije za zagrijavanje veće količine materijala. Dakle, za primjer, zamislite da računate toplinu potrebnu za zagrijavanje 1 kilograma (kg) vode i 10 kg olova za 40 K. Formula navodi:
P = mc∆T
Dakle, za primjer vode:
P = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167.440 J
= 167,44 kJ
Dakle, potrebno je 167,44 kilodžula energije (tj. Preko 167 000 džula) da bi se 1 kg vode zagrijalo za 40 K ili 40 ° C.
Za olova:
P = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Dakle, za zagrijavanje 10 kg olova na 40 K ili 40 ° C potrebno je 51,2 kJ (51.200 džula) energije. Imajte na umu da je potrebno manje energije za zagrijavanje deset puta veće količine olova za istu količinu, jer se olovo lakše zagrijava od vode.
Snaga mjeri isporučenu energiju u sekundi, a to vam omogućuje izračunavanje vremena potrebnog za zagrijavanje predmetnog predmeta. Potrebno vrijeme (t) daje:
t= P ÷ Str
Gdje P je toplinska energija izračunata u prethodnom koraku i Str je snaga u vatima (W, tj. džula u sekundi). Zamislite da se voda iz primjera zagrijava kotlom od 2 kW (2.000 W). Rezultat iz prethodnog odjeljka daje:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Dakle, potrebno je nešto manje od 84 sekunde da se 1 kg vode zagrije sa 40 K pomoću kotla od 2 kW. Kada bi se napajao blok olova od 10 kg istim brzinom, zagrijavanje bi trajalo:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Dakle, potrebno je 25,6 sekundi da se olovo zagrije ako se toplina isporučuje istom brzinom. Opet, to odražava činjenicu da se olovo zagrijava lakše od vode.