Содержание
Различные материалы нагреваются с разной скоростью, и расчет времени, необходимого для повышения температуры объекта на определенную величину, является обычной проблемой для студентов-физиков. Чтобы рассчитать его, вам нужно знать удельную теплоемкость объекта, массу объекта, изменение температуры, которое вы ищете, и скорость, с которой тепловая энергия подается на него. Посмотрите, как это вычисление выполнено для воды, и вы поймете, как и в целом рассчитывается процесс
TL; DR (слишком долго; не читал)
Рассчитать тепло (Q) требуется по формуле:
Q = тс∆T
где м означает массу объекта, с обозначает удельную теплоемкость и ΔT это изменение температуры. Время заняло (T) нагревать объект, когда энергия подается на мощность п дан кем-то:
T = Q ÷ п
Формула для количества тепловой энергии, необходимой для определенного изменения температуры:
Q = тс∆T
где м означает массу объекта, с удельная теплоемкость материала, из которого он изготовлен, и ∆T это изменение температуры. Сначала рассчитаем изменение температуры по формуле:
∆T = конечная температура – начальная температура
Если вы нагреваете что-то от 10 ° до 50 °, это дает:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Обратите внимание, что хотя градусы Цельсия и Кельвина являются разными единицами (и 0 ° C = 273 К), изменение на 1 ° C равняется изменению на 1 К, поэтому они могут использоваться взаимозаменяемо в этой формуле.
Каждый материал обладает уникальной удельной теплоемкостью, которая говорит вам, сколько энергии требуется, чтобы нагреть его на 1 градус Кельвина (или 1 градус Цельсия), для определенного количества вещества или материала. Для определения теплоемкости вашего конкретного материала часто требуются онлайн-таблицы (см. Ресурсы), но вот некоторые значения для с для обычных материалов в джоулях на килограмм и на Кельвин (Дж / кг К):
Алкоголь (питье) = 2400
Алюминий = 900
Висмут = 123
Латунь = 380
Медь = 386
Лед (при -10 ° C) = 2050
Стекло = 840
Золото = 126
Гранит = 790
Lead = 128
Меркурий = 140
Серебро = 233
Вольфрам = 134
Вода = 4 186
Цинк = 387
Выберите подходящее значение для вашего вещества. В этих примерах основное внимание будет уделено воде (с = 4186 Дж / кг К) и свинца (с = 128 Дж / кг К).
Конечная величина в уравнении м для массы объекта. Короче говоря, требуется больше энергии для нагрева большего количества материала. Например, представьте, что вы рассчитываете тепло, необходимое для нагрева 1 килограмма (кг) воды и 10 кг свинца на 40 К. Формула гласит:
Q = тс∆T
Итак, для примера с водой:
Q = 1 кг × 4186 Дж / кг К × 40 К
= 167,440 Дж
= 167,44 кДж
Таким образом, для нагрева 1 кг воды на 40 К или 40 ° С требуется 167,44 кДж энергии (то есть более 167 000 Дж).
Для свинца:
Q = 10 кг × 128 Дж / кг К × 40 К
= 51 200 Дж
= 51,2 кДж
Поэтому для нагревания 10 кг свинца на 40 К или 40 ° С требуется 51,2 кДж (51 200 Дж). Обратите внимание: для нагрева свинца в 10 раз больше свинца на столько же, потому что свинец нагревается легче, чем вода.
Мощность измеряет энергию, передаваемую в секунду, и это позволяет вам рассчитать время, необходимое для нагрева рассматриваемого объекта. Затраченное время (T) дан кем-то:
T = Q ÷ п
где Q тепловая энергия, рассчитанная на предыдущем этапе и п представляет собой мощность в ваттах (Вт, то есть в джоулях в секунду). Представьте, что вода из примера нагревается с помощью 2-киловаттного (2000 Вт) чайника. Результат из предыдущего раздела дает:
T = 167440 Дж ÷ 2000 Дж / с
= 83,72 с
Таким образом, требуется всего менее 84 секунд, чтобы нагреть 1 кг воды на 40 К с помощью чайника мощностью 2 кВт. Если бы мощность подавалась на 10-килограммовый свинцовый блок с той же скоростью, нагрев потребовался бы:
T = 51200 Дж ÷ 2000 Дж / с
= 25,6 с
Таким образом, нагревание провода занимает 25,6 секунды, если тепло подается с той же скоростью. Опять же, это отражает тот факт, что свинец нагревается легче, чем вода.