Obsah
Rôzne materiály sa zohrievajú rôznymi rýchlosťami a pre študentov fyziky je bežným problémom výpočet, ako dlho bude trvať, kým sa teplota objektu zvýši o určité množstvo. Na jej výpočet musíte poznať špecifickú tepelnú kapacitu objektu, hmotnosť objektu, zmenu teploty, ktorú hľadáte, a rýchlosť, akou sa do neho dodáva tepelná energia. Pozrite si tento výpočet vykonaný pre vodu a viesť k pochopeniu postupu a spôsobu jeho výpočtu vo všeobecnosti.
TL; DR (príliš dlho; neprečítané)
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 (T), aby sa objekt zohrieval, keď sa energia dodáva P je daný:
T = Q ÷ P
Vzorec pre množstvo tepelnej energie potrebnej na vyvolanie 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. Najprv vypočítajte zmenu teploty pomocou vzorca:
∆T = konečná teplota – počiatočná teplota
Ak ohrievate niečo od 10 ° do 50 °, dá sa to takto:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Všimnite si, že zatiaľ čo Celzia a Kelvin sú rôzne jednotky (a 0 ° C = 273 K), zmena o 1 ° C sa rovná zmene o 1 K, takže sa môžu v tomto vzorci používať zameniteľne.
Každý materiál má jedinečnú špecifickú tepelnú kapacitu, ktorá vám povie, koľko energie to potrebuje na zahriatie o 1 stupeň Kelvina (alebo 1 stupňa Celzia) na konkrétne množstvo látky alebo materiálu. Nájdenie tepelnej kapacity pre váš konkrétny materiál často vyžaduje konzultáciu online tabuliek (pozri zdroje), tu sú však niektoré hodnoty C pre bežné materiály v jouloch na kilogram a na Kelvin (J / kg K):
Alkohol (pitie) = 2 400
Hliník = 900
Bizmut = 123
Mosadz = 380
Meď = 386
Ľad (pri -10 ° C) = 2 050
Sklo = 840
Zlato = 126
Žula = 790
Olovo = 128
Ortuť = 140
Striebro = 233
Volfrám = 134
Voda = 4,186
Zinok = 387
Vyberte vhodnú hodnotu pre svoju látku. V týchto príkladoch sa bude klásť dôraz 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 vyžaduje viac energie. Napríklad si predstavte, že vypočítate teplo potrebné na zahriatie 1 kilogramu (kg) vody a 10 kg olova o 40 K. Vzorec uvádza:
Q = mc∆T
Napríklad pre vodu:
Q = 1 kg x 4186 J / kg K x 40 K
= 167,440 J
= 167,44 kJ
Zahrievanie 1 kg vody na 40 K alebo 40 ° C teda vyžaduje 167,44 kilojoulov energie (t. J. Viac ako 167 000 joulov).
Pre olovo:
Q = 10 kg x 128 J / kg K x 40 K
= 51 200 J
= 51,2 kJ
Zahriatie 10 kg olova pri 40 K alebo 40 ° C teda vyžaduje 51,2 kJ (51 200 joulov) energie. Pamätajte na to, že na zahrievanie olova v rovnakom množstve je potrebných desaťkrát toľko energie, že sa olovo ľahšie zohreje ako voda.
Energia meria dodanú energiu za sekundu, čo vám umožňuje vypočítať čas potrebný na zahriatie predmetu. Čas (T) je daný:
T = Q ÷ P
Kde Q je tepelná energia vypočítaná v predchádzajúcom kroku a P je výkon vo wattoch (W, t.j. joulov za sekundu). Predstavte si, že voda z príkladu je zahrievaná rýchlovarnou kanvicou s výkonom 2 kW (2 000 W). Výsledok z predchádzajúcej časti poskytuje:
T = 167440 J = 2000 J / s
= 83,72 s
Zahriatie 1 kg vody o 40 K pomocou rýchlovarnej kanvice s výkonom 2 kW teda trvá len necelých 84 sekúnd. Ak by sa do 10 kg bloku olova priviedla energia rovnakou rýchlosťou, vyhrievanie by trvalo:
T = 51200 J ~ 2000 J / s
= 25,6 s
Zahrievanie elektródy teda trvá 25,6 sekundy, ak je teplo dodávané rovnakou rýchlosťou. Opäť to odráža skutočnosť, že olovo sa zahrieva ľahšie ako voda.