Različni materiali se segrevajo z različnimi hitrostmi in izračun, koliko časa bo trajalo, da se temperatura predmeta zviša za določeno količino, je pogosta težava študentov fizike. Za izračun morate poznati specifično toplotno zmogljivost predmeta, maso predmeta, spremembo temperature, ki jo iščete, in hitrost dovajanja toplotne energije. Oglejte si ta izračun za vodo in vodilo, da boste razumeli postopek in kako se izračuna na splošno.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Izračunajte toploto (V), ki se zahteva po formuli:
V = mc∆T
Kje m pomeni maso predmeta, c pomeni specifično toplotno zmogljivost in ∆T je sprememba temperature. Potrebni čas (t) za ogrevanje predmeta, ko se energija napaja P podaja:
t= V ÷ P
Formula za količino toplotne energije, potrebne za določeno spremembo temperature, je:
V = mc∆T
Kje m pomeni maso predmeta, c je specifična toplotna zmogljivost materiala, iz katerega je izdelan in ∆T je sprememba temperature. Najprej izračunajte spremembo temperature po formuli:
∆T = končna temperatura – začetna temperatura
Če ogrevate nekaj od 10 ° do 50 °, dobite:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Upoštevajte, da čeprav sta Celzija in Kelvina različni enoti (in 0 ° C = 273 K), je sprememba za 1 ° C enaka spremembi za 1 K, zato jih je mogoče v tej formuli uporabljati medsebojno.
Vsak material ima edinstveno specifično toplotno kapaciteto, ki vam pove, koliko energije je potrebno, da se za določeno količino snovi ali materiala segreje za 1 stopinjo Kelvina (ali 1 stopinjo Celzija). Iskanje toplotne zmogljivosti za vaš določen material pogosto zahteva pregled spletnih tabel (glejte Viri), vendar je tukaj nekaj vrednosti za c za običajne materiale, v džulih na kilogram in na Kelvine (J / kg K):
Alkohol (pitje) = 2.400
Aluminij = 900
Bizmut = 123
Medenina = 380
Baker = 386
Led (pri −10 ° C) = 2.050
Steklo = 840
Zlato = 126
Granit = 790
Svinec = 128
Živo srebro = 140
Srebro = 233
Volfram = 134
Voda = 4.186
Cink = 387
Izberite ustrezno vrednost za svojo snov. V teh primerih bo poudarek na vodi (c = 4.186 J / kg K) in svinec (c = 128 J / kg K).
Končna količina v enačbi je m za maso predmeta. Skratka, za ogrevanje večje količine materiala je potrebno več energije. Za primer si predstavljamo, da računate toploto, potrebno za ogrevanje 1 kilograma (kg) vode in 10 kg svinca za 40 K. Formula navaja:
V = mc∆T
Torej za primer vode:
V = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167.440 J
= 167,44 kJ
Torej je za ogrevanje 1 kg vode za 40 K ali 40 ° C potrebnih 167,44 kilodžulov energije (tj. Več kot 167 000 džuljev).
Za svinec:
V = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Torej je za ogrevanje 10 kg svinca za 40 K ali 40 ° C potrebno 51,2 kJ (51.200 džuljev) energije. Upoštevajte, da za segrevanje desetkrat toliko svinca za enako količino potrebuje manj energije, ker je svinec lažje ogreti kot vodo.
Moč meri dobavljeno energijo na sekundo in to vam omogoča izračun časa, potrebnega za ogrevanje zadevnega predmeta. Potrebni čas (t) podaja:
t= V ÷ P
Kje V je toplotna energija, izračunana v prejšnjem koraku in P je moč v vatih (W, tj. džul na sekundo). Predstavljajte si, da vodo iz primera segreva kotliček z močjo 2 kW (2.000 W). Rezultat iz prejšnjega oddelka daje:
t= 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Torej traja nekaj manj kot 84 sekund, da se 1 kg vode segreje na 40 K z grelnikom vode z močjo 2 kW. Če bi na 10-kilogramski blok svinca napajali enako hitro, bi ogrevanje trajalo:
t= 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Torej traja 25,6 sekunde, da se svinec segreje, če se toplota dovaja z enako hitrostjo. To spet odraža dejstvo, da se svinec segreje lažje kot voda.
