Ako vypočítať čas na zahriatie objektu

Rôzne materiály sa zahrievajú rôznymi rýchlosťami a výpočet, ako dlho bude trvať, kým sa teplota objektu zvýši o určené množstvo, predstavuje pre študentov fyziky častý problém. Aby ste to mohli vypočítať, musíte poznať konkrétnu tepelnú kapacitu objektu, hmotnosť objektu, zmenu teploty, ktorú hľadáte, a rýchlosť, akou sa mu dodáva tepelná energia. Pozrite sa na tento výpočet vykonaný pre vodu, ktorý vedie k pochopeniu procesu a spôsobu, akým sa všeobecne počíta.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Vypočítajte teplo (Q) požadované pomocou vzorca:

Q = mcT

Kde m znamená hmotnosť predmetu, c znamená špecifickú tepelnú kapacitu a ∆T je zmena teploty. Čas potrebný (t) na zahriatie objektu, keď sa energia dodáva na energiu P je daný:

t= Q ÷ P

Vzorec pre množstvo tepelnej energie potrebnej na vytvorenie určitej zmeny teploty je:

Q = mcT

Kde m znamená hmotnosť predmetu, c je špecifická tepelná kapacita materiálu, z ktorého je vyrobený, a ∆T je zmena teploty. Najskôr vypočítajte zmenu teploty pomocou vzorca:

T = konečná teplotapočiatočná teplota

Ak ohrievate niečo od 10 ° do 50 °, znamená to:

T = 50° – 10°

= 40°

Všimnite si, že zatiaľ čo Celsius a Kelvin sú rôzne jednotky (a 0 ° C = 273 K), zmena o 1 ° C sa rovná zmene o 1 K, takže v tomto vzorci sa dajú zameniť.

Každý materiál má jedinečnú špecifickú tepelnú kapacitu, ktorá informuje o tom, koľko energie je potrebné na jeho zohriatie o 1 stupeň Kelvina (alebo 1 stupeň Celzia) na konkrétne množstvo látky alebo materiálu. Nájdenie tepelnej kapacity pre váš konkrétny materiál často vyžaduje prezeranie online tabuliek (pozri Zdroje), tu je však niekoľko hodnôt c pre bežné materiály v jouloch na kilogram a na Kelvin (J / kg K):

Alkohol (pitie) = 2 400

Hliník = 900

Vizmut = 123

Mosadz = 380

Meď = 386

Ľad (pri -10 ° C) = 2 050

Sklo = 840

Zlato = 126

Žula = 790

Vedenie = 128

Ortuť = 140

Striebro = 233

Volfrám = 134

Voda = 4 186

Zinok = 387

Vyberte vhodnú hodnotu pre svoju látku. V týchto príkladoch sa pozornosť zameria na vodu (c = 4 186 J / kg K) a olovo (c = 128 J / kg K).

Konečné množstvo v rovnici je m pre hmotnosť objektu. Stručne povedané, na zahriatie väčšieho množstva materiálu je potrebných viac energie. Napríklad si predstavte, že počítate teplo potrebné na zohriatie 1 kilogramu (kg) vody a 10 kg olova o 40 K. Vzorec uvádza:

Q = mcT

Napríklad pre vodu:

Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K.

= 167 440 J

= 167,44 kJ

Na zohriatie 1 kg vody o 40 K alebo 40 ° C teda treba 167,44 kilojoulov energie (tj. Viac ako 167 000 joulov).

Pre olovo:

Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K

= 51 200 J

= 51,2 kJ

Na zohriatie 10 kg olova o 40 K alebo 40 ° C teda je potrebných 51,2 kJ (51 200 joulov) energie. Upozorňujeme, že na ohrev desaťkrát väčšieho množstva olova v rovnakom množstve vyžaduje menej energie, pretože olovo sa ľahšie ohrieva ako voda.

Výkon meria energiu dodanú za sekundu a umožňuje vám tak vypočítať čas potrebný na zahriatie predmetného objektu. Čas potrebný (t) je daný:

t= Q ÷ P

Kde Q je tepelná energia vypočítaná v predchádzajúcom kroku a P je výkon vo wattoch (W, t. j. za sekundu). Predstavte si, že voda z príkladu je ohrievaná rýchlovarnou kanvicou s výkonom 2 kW (2 000 W). Výsledok z predchádzajúcej časti poskytuje:

t= 167440 J ÷ 2 000 J / s

= 83,72 s

Zahriatie 1 kg vody o 40 K pomocou kanvice s výkonom 2 kW teda trvá iba necelých 84 sekúnd. Ak by sa do 10-kilogramového bloku olova dodávala energia rovnakou rýchlosťou, kúrenie by trvalo:

t= 51200 J ÷ 2 000 J / s

= 25,6 s

Zahriatie elektródy teda trvá 25,6 sekundy, ak je teplo dodávané rovnakou rýchlosťou. To opäť odráža skutočnosť, že olovo sa ohrieva ľahšie ako voda.

  • Zdieľam
instagram viewer