Различные материалы нагреваются с разной скоростью, и подсчет времени, необходимого для повышения температуры объекта на заданную величину, является общей проблемой для студентов-физиков. Чтобы рассчитать его, вам нужно знать удельную теплоемкость объекта, массу объекта, изменение температуры, которое вы ищете, и скорость, с которой к нему подводится тепловая энергия. Посмотрите, как этот расчет выполняется для воды, и вы сможете понять процесс и то, как он рассчитывается в целом.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Рассчитайте тепло (Q) требуется по формуле:
Q = MC∆Т
Где м означает массу объекта, c обозначает удельную теплоемкость, а ∆Т изменение температуры. Затраченное время (т) для обогрева объекта при подаче энергии на п дан кем-то:
т= Q ÷ п
Формула количества тепловой энергии, необходимой для определенного изменения температуры:
Q = MC∆Т
Где м означает массу объекта, c - удельная теплоемкость материала, из которого он сделан; ∆Т изменение температуры. Сначала рассчитайте изменение температуры по формуле:
∆Т = конечная температура – начальная температура
Если вы нагреваете что-либо от 10 ° до 50 °, это дает:
∆Т = 50° – 10°
= 40°
Обратите внимание, что, хотя градусы Цельсия и Кельвина являются разными единицами измерения (и 0 ° C = 273 K), изменение на 1 ° C равняется изменению на 1 K, поэтому в этой формуле они могут использоваться как взаимозаменяемые.
Каждый материал имеет уникальную удельную теплоемкость, которая показывает, сколько энергии требуется, чтобы нагреть его на 1 градус Кельвина (или 1 градус Цельсия) для определенного количества вещества или материала. Для определения теплоемкости вашего конкретного материала часто требуется обратиться к онлайн-таблицам (см. Ресурсы), но вот некоторые значения для c для обычных материалов в джоулях на килограмм и на Кельвин (Дж / кг · К):
Алкоголь (распитие) = 2400
Алюминий = 900
Висмут = 123
Латунь = 380
Медь = 386
Лед (при −10 ° C) = 2,050
Стекло = 840
Золото = 126
Гранит = 790
Свинец = 128
Меркурий = 140
Серебро = 233
Вольфрам = 134
Вода = 4186
Цинк = 387
Выберите подходящее значение для вашего вещества. В этих примерах основное внимание будет уделено воде (c = 4,186 Дж / кг · К) и свинца (c = 128 Дж / кг · К).
Конечная величина в уравнении м на массу объекта. Короче говоря, для нагрева большего количества материала требуется больше энергии. В качестве примера представьте, что вы рассчитываете количество тепла, необходимое для нагрева 1 килограмма (кг) воды и 10 кг свинца на 40 К. Формула гласит:
Q = MC∆Т
Итак, для примера с водой:
Q = 1 кг × 4186 Дж / кг К × 40 К
= 167 440 Дж
= 167,44 кДж
Таким образом, для нагрева 1 кг воды на 40 K или 40 ° C требуется 167,44 килоджоулей энергии (т.е. более 167 000 джоулей).
Для свинца:
Q = 10 кг × 128 Дж / кг К × 40 К
= 51 200 Дж
= 51,2 кДж
Таким образом, для нагрева 10 кг свинца на 40 К или 40 ° C требуется 51,2 кДж (51 200 джоулей) энергии. Обратите внимание, что для нагрева в десять раз больше свинца на такое же количество требуется меньше энергии, потому что свинец легче нагреть, чем воду.
Мощность измеряет энергию, поставляемую в секунду, и это позволяет вам рассчитать время, необходимое для нагрева рассматриваемого объекта. Затраченное время (т) дан кем-то:
т= Q ÷ п
Где Q - тепловая энергия, рассчитанная на предыдущем шаге, и п мощность в ваттах (Вт, т. е. джоули в секунду). Представьте, что воду из примера нагревает чайник мощностью 2 кВт (2000 Вт). Результат из предыдущего раздела дает:
т= 167440 Дж ÷ 2000 Дж / с
= 83,72 с
Таким образом, для нагрева 1 кг воды на 40 К с помощью чайника мощностью 2 кВт требуется менее 84 секунд. Если бы к 10-килограммовому блоку свинца с такой же скоростью подали электроэнергию, то на нагрев потребовалось бы:
т= 51200 Дж ÷ 2000 Дж / с
= 25,6 с
Таким образом, нагрев кабеля занимает 25,6 секунды, если тепло подается с той же скоростью. Опять же, это отражает тот факт, что свинец нагревается легче, чем вода.