วิธีการคำนวณเวลาในการทำให้วัตถุร้อน

สูตรสำหรับปริมาณพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการสร้างการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิคือ:

Q = mc∆ตู่

ที่ไหน ม หมายถึง มวลของวัตถุ ค คือความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุที่ทำขึ้น และ ∆ตู่ คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ขั้นแรก คำนวณการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิโดยใช้สูตร:

∆ตู่ = อุณหภูมิสุดท้าย – อุณหภูมิเริ่มต้น

หากคุณกำลังให้ความร้อนบางสิ่งตั้งแต่ 10° ถึง 50° สิ่งนี้จะช่วยให้:

∆ตู่ = 50° – 10°

= 40°

โปรดทราบว่าในขณะที่เซลเซียสและเคลวินเป็นหน่วยที่แตกต่างกัน (และ 0 °C = 273 K) การเปลี่ยนแปลง 1 °C เท่ากับการเปลี่ยนแปลง 1 K ดังนั้นจึงสามารถใช้แทนกันได้ในสูตรนี้

วัสดุทุกชนิดมีความจุความร้อนจำเพาะเฉพาะ ซึ่งจะบอกคุณว่าต้องใช้พลังงานเท่าใดในการทำให้ร้อนขึ้น 1 องศาเคลวิน (หรือ 1 องศาเซลเซียส) สำหรับปริมาณสารหรือวัสดุเฉพาะ การหาความจุความร้อนสำหรับวัสดุเฉพาะของคุณมักจะต้องปรึกษาตารางออนไลน์ (ดูแหล่งข้อมูล) แต่นี่คือค่าบางส่วนสำหรับ ค สำหรับวัสดุทั่วไป ในหน่วยจูลต่อกิโลกรัมและต่อเคลวิน (J/kg K):

แอลกอฮอล์ (ดื่ม) = 2,400

อลูมิเนียม = 900

บิสมัท = 123

ทองเหลือง = 380

ทองแดง = 386

น้ำแข็ง (ที่ -10 ° C) = 2,050

แก้ว = 840

ทอง = 126

หินแกรนิต = 790

ตะกั่ว = 128

ปรอท = 140

เงิน = 233

ทังสเตน = 134

น้ำ = 4,186

สังกะสี = 387

เลือกค่าที่เหมาะสมสำหรับสารของคุณ ในตัวอย่างเหล่านี้ จะเน้นที่น้ำ (ค = 4,186 J/kg K) และตะกั่ว (ค = 128 จูล/กก.

ปริมาณสุดท้ายในสมการคือ ม สำหรับมวลของวัตถุ ในระยะสั้นจะใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อให้ความร้อนกับวัสดุจำนวนมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ลองจินตนาการว่าคุณกำลังคำนวณความร้อนที่ต้องใช้ในการให้ความร้อนกับน้ำ 1 กิโลกรัม (กก.) และตะกั่ว 10 กก. คูณ 40 K สูตรระบุว่า:

Q = mc∆ตู่

สำหรับตัวอย่างน้ำ:

Q = 1 กก. × 4186 J/กก. K × 40 K

= 167,440 J

= 167.44 kJ

ดังนั้นจึงต้องใช้พลังงาน 167.44 กิโลจูล (เช่น มากกว่า 167,000 จูล) ในการทำให้น้ำ 1 กก. ร้อน 40 K หรือ 40 °C

สำหรับตะกั่ว:

Q = 10 กก. × 128 J/กก. K × 40 K

= 51,200 J

= 51.2 kJ

จึงต้องใช้พลังงาน 51.2 kJ (51,200 จูล) ในการทำให้ตะกั่ว 10 กก. ร้อนขึ้น 40 K หรือ 40 °C โปรดทราบว่าต้องใช้พลังงานน้อยกว่าในการให้ความร้อนแก่ตะกั่วมากเป็นสิบเท่าด้วยปริมาณเท่ากัน เนื่องจากตะกั่วให้ความร้อนได้ง่ายกว่าน้ำ

กำลังวัดพลังงานที่ส่งต่อวินาที และสิ่งนี้ทำให้คุณสามารถคำนวณเวลาที่ใช้ในการทำให้วัตถุร้อนขึ้น เวลาที่ใช้ (t) มอบให้โดย:

t= Q ÷ พี

ที่ไหน Q คือพลังงานความร้อนที่คำนวณในขั้นตอนที่แล้วและ พี คือกำลังไฟฟ้าเป็นหน่วยวัตต์ (W คือ จูลต่อวินาที) ลองนึกภาพว่าน้ำจากตัวอย่างถูกทำให้ร้อนด้วยกาต้มน้ำขนาด 2 กิโลวัตต์ (2,000 วัตต์) ผลลัพธ์จากส่วนก่อนหน้าให้:

t= 167440 J ÷ 2000 J/s

= 83.72 วิ

ดังนั้นจึงใช้เวลาน้อยกว่า 84 วินาทีในการอุ่นน้ำ 1 กก. โดย 40 K โดยใช้กาต้มน้ำขนาด 2 กิโลวัตต์ หากจ่ายพลังงานให้กับบล็อกตะกั่วขนาด 10 กก. ในอัตราเดียวกัน การให้ความร้อนจะใช้:

t= 51200 J ÷ 2000 J/s

= 25.6 วินาที

ดังนั้นจะใช้เวลา 25.6 วินาทีในการให้ความร้อนแก่ตะกั่วหากให้ความร้อนในอัตราเดียวกัน อีกครั้งนี้สะท้อนให้เห็นถึงความจริงที่ว่าตะกั่วร้อนขึ้นได้ง่ายกว่าน้ำ