Tartalom
A különböző anyagok eltérő sebességgel melegednek fel, és a fizika hallgatói számára gyakori probléma annak kiszámítása, mennyi ideig tart az objektum hőmérsékletének megadott értékkel való megemelése. Ennek kiszámításához meg kell ismernie a tárgy sajátos hőkapacitását, a tárgy tömegét, a keresett hőmérsékleti változást és a hőenergia hozzáadásának sebességét. Tekintse meg ezt a vízre elvégzett számítást, és vegye figyelembe, hogy megértse a folyamatot, és hogy általában hogyan kell kiszámítani.
TL; DR (túl hosszú; nem olvastam)
Számítsa ki a hőt (Q) a képlet használatával szükséges:
Q = mc∆T
Ahol m a tárgy tömege, c a fajlagos hőkapacitás és ∆T a hőmérséklet változása. A szükséges idő (t), hogy felmelegítse a tárgyat, amikor energiát táplálnak be P által adva:
t = Q ÷ P
Az a hőmérséklet-változás, amely egy bizonyos hőmérséklet-változáshoz szükséges, a következő képlettel rendelkezik:
Q = mc∆T
Ahol m a tárgy tömege, c a felhasznált anyag fajlagos hőkapacitása és ∆T a hőmérséklet változása. Először számítsa ki a hőmérséklet változását a következő képlet segítségével:
∆T = végső hőmérséklet – kezdő hőmérséklet
Ha 10 ° -ról 50 ° -ra melegít valamit, ez a következőt adja:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Vegye figyelembe, hogy míg a Celsius és a Kelvin különböző egységek (és 0 ° C = 273 K), az 1 ° C-os változás megegyezik 1 K-os változással, tehát felváltva alkalmazhatók ebben a képletben.
Minden anyagnak egyedi fajlagos hőkapacitása van, amely megmondja, mennyi energia szükséges ahhoz, hogy egy anyag vagy anyag egy adott mennyiségére felmelegedjen 1 Kelvin fok (vagy 1 Celsius fok). Az adott anyag hőkapacitásának megtalálásához gyakran online táblázatokat kell megnézni (lásd a forrásokat), de itt van néhány érték a c közönséges anyagok esetében, džaulban, kilogrammonként és Kelvinben (J / kg K):
Alkohol (ivás) = 2400
Alumínium = 900
Bizmut = 123
Sárgaréz = 380
Réz = 386
Jég (–10 ° C-on) = 2 050
Üveg = 840
Arany = 126
Gránit = 790
Ólom = 128
Higany = 140
Ezüst = 233
Volfrám = 134
Víz = 4 186
Cink = 387
Válassza ki az anyagának megfelelő értéket. Ezekben a példákban a vízre (c = 4 186 J / kg K) és ólom (c = 128 J / kg K).
Az egyenlet végső mennyisége: m a tárgy tömegére. Röviden: nagyobb mennyiségű anyag melegítéséhez több energiára van szükség. Tehát például, képzelje el, hogy kiszámítja az 1 kg (kg) víz és 10 kg ólom melegítéséhez szükséges hőt 40 K-val. A képlet kimondja:
Q = mc∆T
Tehát a víz példájára:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167,440 J
= 167,44 kJ
Tehát 167,44 kilojoule energiára (azaz több mint 167 000 joule) van szükség, hogy 1 kg vizet 40 K vagy 40 ° C-ra felmelegítsen.
Ólom esetében:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51,200 J
= 51,2 kJ
Tehát 51,2 kJ (51 200 joule) energia szükséges 10 kg ólom 40 K vagy 40 ° C-os hőmérsékleten történő hevítéséhez. Vegye figyelembe, hogy kevesebb energiára van szükség ahhoz, hogy ugyanannyi mennyiségű tízezer annyi ólmat hevítsen, mert az ólom könnyebben melegíthető, mint a víz.
A teljesítmény méri a másodpercenként leadott energiát, és ez lehetővé teszi az adott tárgy melegítéséhez szükséges idő kiszámítását. Eltelt idő (t) által adva:
t = Q ÷ P
Ahol Q az előző lépésben kiszámított hőenergia és P a teljesítmény wattban (W, azaz másodpercenként džaulokban). Képzelje el, hogy a példa szerinti vizet 2 kW (2000 W) vízforraló melegíti. Az előző szakasz eredménye:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Tehát alig kevesebb, mint 84 másodperc alatt melegszik fel 1 kg vizet 40 K-val 2 kW-os vízforralóval. Ha a 10 kg-os ólomtömböt ugyanolyan sebességgel táplálják, a melegítés a következőket fogja igénybe venni:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Tehát 25,6 másodpercre van szükség az ólom melegítéséhez, ha a hő ugyanolyan sebességgel történik. Ez ismét azt a tényt tükrözi, hogy az ólom könnyebben melegszik fel, mint a víz.