Diferite materiale se încălzesc la viteze diferite, iar calculul cât timp va dura până la creșterea temperaturii unui obiect cu o cantitate specificată este o problemă obișnuită pentru studenții la fizică. Pentru a-l calcula, trebuie să cunoașteți capacitatea de căldură specifică a obiectului, masa obiectului, modificarea temperaturii pe care o căutați și viteza cu care îi este furnizată energia termică. Vedeți acest calcul efectuat pentru apă și conduceți la înțelegerea procesului și modul în care este calculat în general.
TL; DR (Prea lung; Nu am citit)
Calculați căldura (Î) necesar folosind formula:
Î = mc∆T
Unde m înseamnă masa obiectului, c reprezintă capacitatea specifică de căldură și ∆T este modificarea temperaturii. Timpul luat (t) pentru a încălzi obiectul atunci când energia este furnizată la putere P este dat de:
t= Î ÷ P
Formula pentru cantitatea de energie termică necesară pentru a produce o anumită modificare a temperaturii este:
Î = mc∆T
Unde m înseamnă masa obiectului, c este capacitatea specifică de căldură a materialului din care este fabricat și ∆
T este modificarea temperaturii. Mai întâi, calculați modificarea temperaturii folosind formula:∆T = temperatura finală – temperatura de pornire
Dacă încălziți ceva de la 10 ° la 50 °, acest lucru oferă:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Rețineți că, deși Celsius și Kelvin sunt unități diferite (și 0 ° C = 273 K), o modificare de 1 ° C este egală cu o modificare de 1 K, deci pot fi utilizate în mod alternativ în această formulă.
Fiecare material are o capacitate de căldură specifică unică, care vă arată câtă energie este necesară pentru a-l încălzi cu 1 grad Kelvin (sau 1 grad Celsius), pentru o cantitate specifică de substanță sau material. Găsirea capacității de căldură pentru materialul dvs. specific necesită adesea consultarea tabelelor online (consultați Resurse), dar iată câteva valori pentru c pentru materialele obișnuite, în jouli pe kilogram și pe Kelvin (J / kg K):
Alcool (băut) = 2.400
Aluminiu = 900
Bismut = 123
Alama = 380
Cupru = 386
Gheață (la -10 ° C) = 2.050
Sticlă = 840
Aur = 126
Granit = 790
Plumb = 128
Mercur = 140
Argint = 233
Tungsten = 134
Apă = 4.186
Zinc = 387
Alegeți valoarea corespunzătoare substanței dumneavoastră. În aceste exemple, accentul va fi pus pe apă (c = 4.186 J / kg K) și plumb (c = 128 J / kg K).
Cantitatea finală din ecuație este m pentru masa obiectului. Pe scurt, este nevoie de mai multă energie pentru a încălzi o cantitate mai mare dintr-un material. Deci, pentru exemplu, imaginați-vă că calculați căldura necesară pentru a încălzi 1 kilogram (kg) de apă și 10 kg de plumb cu 40 K. Formula precizează:
Î = mc∆T
Deci, pentru exemplul de apă:
Î = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167.440 J
= 167,44 kJ
Deci este nevoie de 167,44 kilojuli de energie (adică peste 167.000 de juli) pentru a încălzi 1 kg de apă cu 40 K sau 40 ° C.
Pentru plumb:
Î = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Deci este nevoie de 51,2 kJ (51 200 jouli) de energie pentru a încălzi 10 kg de plumb cu 40 K sau 40 ° C. Rețineți că necesită mai puțină energie pentru a încălzi de zece ori mai mult plumb cu aceeași cantitate, deoarece plumbul este mai ușor de încălzit decât apa.
Puterea măsoară energia livrată pe secundă, iar acest lucru vă permite să calculați timpul necesar încălzirii obiectului în cauză. Timp luat (t) este dat de:
t= Î ÷ P
Unde Î este energia termică calculată în pasul anterior și P este puterea în wați (W, adică jouli pe secundă). Imaginați-vă că apa din exemplu este încălzită de un ceainic de 2 kW (2.000 W). Rezultatul din secțiunea anterioară oferă:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Așadar, durează doar mai puțin de 84 de secunde pentru a încălzi 1 kg de apă cu 40 K folosind un ceainic de 2 kW. Dacă s-ar furniza energie blocului de 10 kg de plumb în același ritm, încălzirea ar dura:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Deci, durează 25,6 secunde pentru a încălzi plumbul dacă căldura este furnizată în același ritm. Din nou, acest lucru reflectă faptul că plumbul se încălzește mai ușor decât apa.