Skirtingos medžiagos kaista skirtingu greičiu, ir apskaičiuoti, kiek laiko reikės pakelti objekto temperatūrą nurodytu dydžiu, yra dažna fizikos studentų problema. Norėdami jį apskaičiuoti, turite žinoti konkretų objekto šiluminį pajėgumą, objekto masę, ieškomos temperatūros pokytį ir šilumos tiekimo greitį. Peržiūrėkite šį vandens ir švino skaičiavimą, kad suprastumėte procesą ir kaip jis apskritai apskaičiuojamas.
TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)
Apskaičiuokite šilumą (Klausimas) reikalaujama pagal formulę:
Klausimas = mc∆T
Kur m reiškia objekto masę, c reiškia savitąją šiluminę galią ir ∆T yra temperatūros pokytis. Užtruko laikas (t) šildyti objektą, kai energija tiekiama galia P suteikia:
t= Klausimas ÷ P
Šilumos energijos kiekio, reikalingo tam tikram temperatūros pokyčiui sukelti, formulė yra:
Klausimas = mc∆T
Kur m reiškia objekto masę, c yra specifinė medžiagos, iš kurios ji pagaminta, šiluminė talpa ir ∆T yra temperatūros pokytis. Pirmiausia apskaičiuokite temperatūros pokytį pagal formulę:
∆T = galutinė temperatūra – pradinė temperatūra
Jei šildote nuo 10 ° iki 50 °, tai duoda:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Atkreipkite dėmesį, kad nors Celsijaus ir Kelvino vienetai yra skirtingi (ir 0 ° C = 273 K), 1 ° C pokytis yra lygus 1 K pokyčiui, todėl šioje formulėje juos galima naudoti kaip pakaitomis.
Kiekviena medžiaga turi unikalią savitąją šiluminę talpą, kuri nurodo, kiek energijos reikia jai pašildyti 1 laipsniu Kelvino (arba 1 laipsniu Celsijaus) tam tikram medžiagos ar medžiagos kiekiui. Norint rasti konkrečios medžiagos šilumos talpą, dažnai reikia ieškoti internetinių lentelių (žr. Ištekliai), tačiau čia pateikiamos kelios vertės c įprastų medžiagų atveju, džauliais už kilogramą ir už Kelvinus (J / kg K):
Alkoholis (geriamasis) = 2400
Aliuminis = 900
Bismutas = 123
Žalvaris = 380
Varis = 386
Ledas (esant –10 ° C) = 2 050
Stiklas = 840
Auksas = 126
Granitas = 790
Švinas = 128
Gyvsidabris = 140
Sidabras = 233
Volframas = 134
Vanduo = 4,186
Cinkas = 387
Pasirinkite tinkamą medžiagos vertę. Šiuose pavyzdžiuose didžiausias dėmesys bus skiriamas vandeniui (c = 4,186 J / kg K) ir švinas (c = 128 J / kg K).
Galutinis lygties dydis yra m objekto masei. Trumpai tariant, didesniam medžiagos kiekiui pašildyti reikia daugiau energijos. Pavyzdžiui, įsivaizduokite, kad skaičiuojate šilumą, reikalingą 1 kg (kg) vandens ir 10 kg švino sušildyti 40 K. Formulėje nurodoma:
Klausimas = mc∆T
Taigi vandens pavyzdžiui:
Klausimas = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167 440 J
= 167,44 kJ
Taigi, norint sušildyti 1 kg vandens 40 K arba 40 ° C, reikia 167,44 kilodžaulių energijos (t. Y. Daugiau nei 167 000 džaulių).
Švinui:
Klausimas = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51 200 J
= 51,2 kJ
Taigi 10 kg švino 40 K arba 40 ° C temperatūrai pašildyti reikia 51,2 kJ (51 200 džaulių) energijos. Atkreipkite dėmesį, kad dešimteriopai daugiau švino už tą patį kiekį pašildyti reikia mažiau energijos, nes šviną lengviau pašildyti nei vandenį.
Galia matuoja per sekundę tiekiamą energiją, ir tai leidžia apskaičiuoti laiką, per kurį reikia pašildyti atitinkamą objektą. Paimtas laikas (t) pateikia:
t= Klausimas ÷ P
Kur Klausimas yra ankstesniame etape apskaičiuota šilumos energija ir P yra galia vatais (W, t. y. džauliais per sekundę). Įsivaizduokite, kad pavyzdžio vanduo šildomas 2 kW (2 000 W) virduliu. Ankstesnio skyriaus rezultatas suteikia:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Taigi, norint sušildyti 1 kg vandens 40 K, naudojant 2 kW virdulį, reikia vos mažiau nei 84 sekundės. Jei maitinimas į 10 kg švino bloką būtų tiekiamas tokiu pačiu greičiu, šildymas užtruks:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Taigi švino pašildymas užtrunka 25,6 sekundes, jei šiluma tiekiama tokiu pačiu greičiu. Tai vėlgi atspindi faktą, kad švinas kaista lengviau nei vanduo.