Kā aprēķināt siltuma jaudu

Ja vērojat, ka netipiski siltajā ziemas pēcpusdienā sasalušā dīķa virsma lēnām kūst, un vērojat to pašu, kas notiek tuvumā esoša laba izmēra saldētas peļķes virsmu, jūs varat novērot, ka ledus katrā no tiem ir pārveidojies par ūdeni apmēram tajā pašā likmi.

Bet ko tad, ja visa saules gaisma, kas nokrīt uz atklātā dīķa virsmas, varbūt akra izmēra, vienlaikus būtu vērsta uz peļķes virsmu?

Jūsu intuīcija, iespējams, jums saka, ka peļķes virsma ļoti ātri izkusīs ūdenī, bet arī visa peļķe pat gandrīz uzreiz var kļūt par ūdens tvaiku, apejot šķidro fāzi, kļūstot ūdeņaina gāze. Bet kāpēc no fizikas zinātnes viedokļa tam vajadzētu būt?

Tā pati intuīcija, visticamāk, jums saka, ka pastāv saistība starp siltumu, masu un ledus, ūdens vai abu temperatūras izmaiņām.

Tā tas notiek, un ideja tiek attiecināta arī uz citām vielām, no kurām katrai ir atšķirīgas "pretestība" siltumam, kas izpaužas dažādās temperatūras izmaiņās, reaģējot uz noteiktu daudzumu, ja tas tiek pievienots karstums. Šīs idejas apvieno, lai piedāvātu īpašs karstums un siltuma jauda.

Siltums ir viena no šķietami neskaitāmajām daudzuma formām, ko fizikā sauc par enerģiju. Enerģijai ir spēka vienības reizes attālums vai ņūtonmetri, bet to parasti sauc par džoulu (J). Dažās lietojumprogrammās kalorija, kas vienāda ar 4,18 J, ir standarta vienība; vēl citās - btu jeb Lielbritānijas tematiskā vienība valda dienu.

Siltumam ir tendence "pārvietoties" no siltākām uz vēsākām vietām, tas ir, uz reģioniem, kuros pašlaik ir mazāk siltuma. Kamēr siltumu nevar noturēt vai redzēt, tā lieluma izmaiņas var izmērīt, mainoties temperatūrai.

Temperatūra ir molekulu kopuma vidējās kinētiskās enerģijas mērījums, piemēram, ūdens vārglāze vai gāzes trauks. Siltuma pievienošana paaugstina šo molekulāro kinētisko enerģiju un līdz ar to arī temperatūru, vienlaikus samazinot - pazemina temperatūru.

Kāpēc džouls ir vienāds ar 4,18 kalorijām? Tā kā kalorija (cal), lai arī tā nav SI siltuma vienība, tiek iegūta no metriskām vienībām un savā ziņā ir būtiska: siltuma daudzumu nepieciešams, lai vienu gramu ūdens istabas temperatūrā paaugstinātu par 1 K vai 1 ° C. (1 grādu izmaiņas Kelvina skalā ir identiskas 1 grāda izmaiņām pēc Celsija skalas; tomēr abas ir nobīdītas par aptuveni 273 grādiem tā, ka 0 K = 273,15 ° C.)

• "Kalorija" uz pārtikas produktu etiķetēm faktiski ir kilokalorija (kcal), kas nozīmē, ka 12 unces bundžā saldā soda satur apmēram 150 000 patieso kaloriju.

Veids, kā eksperimentējot var noteikt šādu lietu, izmantojot ūdeni vai kādu citu vielu, ir noteiktās tā masas ievietošana tvertni, pievieno noteiktu siltuma daudzumu, neļaujot nevienai vielai vai siltumam izkļūt no montāžas, un izmēra izmaiņas temperatūra.

Tā kā jūs zināt vielas masu un varat pieņemt, ka siltums un temperatūra ir vienmērīgi, jūs var ar vienkāršu dalījumu noteikt, cik daudz siltuma mainītu vienības daudzumu, piemēram, 1 gramu, par to pašu temperatūra.

Siltuma jaudas formula ir pieejama dažādās formās, taču tām visām ir viens un tas pats pamatvienādojums:

Q = mCΔT

Šis vienādojums vienkārši norāda, ka slēgtas sistēmas (šķidruma, gāzes vai cietas vielas) siltuma izmaiņas Q materiāls) ir vienāds ar parauga masu m, reizinot temperatūras izmaiņas ΔT ar parametru C sauca īpatnējā siltuma jauda, vai vienkārši īpašs karstums. Jo augstāka ir C vērtība, jo vairāk siltuma sistēma var absorbēt, saglabājot tādu pašu temperatūras pieaugumu.

Siltuma jauda ir siltuma daudzums, kas nepieciešams objekta temperatūras paaugstināšanai par noteiktu daudzumu (parasti 1 K), tāpēc SI vienības ir J / K. Objekts var būt vienveidīgs, vai arī tas nav. Ja jūs, būtu iespējams aptuveni noteikt tādu vielu maisījuma kā dubļi siltuma jaudu zināja tā masu un mēra temperatūras izmaiņas, reaģējot uz to sasildīšanu dažu cilvēku noslēgtā ierīcē kārtot.

Noderīgāks daudzums ir ķīmijā, fizikā un inženierzinātnēs īpatnējā siltuma jauda C, ko mēra siltuma vienībās uz masas vienību. Īpašās siltuma jaudas vienības parasti ir džouli uz gramu kelvīnu vai J / g⋅K, kaut arī kilograms (kg) ir SI masas vienība. Viens iemesls, kāpēc īpašais siltums ir noderīgs, ir tas, ka, ja jums ir zināma viendabīgas vielas masa un zināt tās siltumu jaudu, varat spriest par tā piemērotību kalpošanai kā "siltuma izlietnei", lai izvairītos no ugunsbīstamības dažos eksperimentos situācijās.

Ūdenim faktiski ir ļoti liela siltuma jauda. Ņemot vērā, ka cilvēka ķermenim jāspēj pieļaut ievērojama siltuma daudzuma saskaitīšanu vai atņemšanu, pateicoties Zemes mainoties apstākļiem, tā būtu pamatprasība jebkurai bioloģiskai vienībai, kas lielākoties ir izgatavota no ūdens, tāpat kā gandrīz visas ievērojamās dzīves vietas lietas ir.

Iedomājieties sporta stadionu, kurā var sēdēt 100 000 cilvēku, un vēl vienu pāri pilsētai, kurā ir 50 000 cilvēku. No pirmā acu uzmetiena ir skaidrs, ka pirmā stadiona absolūtā "sēdvietu ietilpība" ir divreiz lielāka nekā otrā. Bet arī iedomājieties, ka otrais stadions ir uzbūvēts tā, ka tas aizņem tikai to viena ceturtā daļa no pirmā apjoma.

Ja jūs darāt algebru, jūs atradīsit, ka mazākajā stadionā faktiski ir divas reizes vairāk cilvēku uz vietas vienību kā lielāks, piešķirot tam divreiz lielāku vērtību par “konkrēto sēdvietu”.

Šajā analoģijā domājiet par atsevišķiem skatītājiem par identiskas lieluma siltuma vienībām, kas ieplūst stadionā un iziet no tā. Lai gan lielāks stadions kopumā var turēt divreiz vairāk "siltuma", mazākajam stadionam faktiski ir divreiz lielāka kapacitāte, lai "uzglabātu" šo "siltuma" versiju uz vietas vienību.

Ja tiek pieņemts, ka katra tāda paša izmēra abu stadiona sekciju pilna spēle rada tādu pašu atkritumu daudzumu pēc spēles, neatkarīgi no tā, cik cilvēku tajā ir, tad mazākais būs divreiz efektīvāks, lai samazinātu pakaišu daudzumu gada individuāls skatītāji; domājiet par to, ka tas ir divreiz izturīgāks pret temperatūras paaugstināšanos uz pievienotās siltuma vienību.

No tā jūs varat redzēt, ka, ja diviem objektiem ar tādu pašu specifisko siltumu ir atšķirīga masa, lielākajam būs lielāka siltuma jauda par summu, kas mērogojas ar to, cik tā ir masīvāka. Salīdzinot dažādu masu un dažādu specifisku karstumu objektus, situācija kļūst sarežģītāka.

Metāla vara īpatnējais siltums ir 0,386 J / g⋅K. Cik daudz siltuma nepieciešams, lai 1 kg (1 000 g vai 2,2 mārciņas) vara temperatūru paaugstinātu no 0 ° C līdz 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.

Kas ir siltuma jauda no šī vara gabala? Lai palielinātu visu masu par 100 K, jums vajag 38 600 J, tāpēc jums vajadzēs 1/100 no tā, lai to virzītu par 1 K. Tādējādi vara siltuma jauda šajā izmērā ir 386 J.