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 = mc∆T
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 = mc∆T
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 teplota – počiatočná 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 = mc∆T
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.