Περιεχόμενο
Τα διαφορετικά υλικά θερμαίνονται με διαφορετικούς ρυθμούς και ο υπολογισμός του χρόνου που θα χρειαστεί για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός αντικειμένου κατά ένα συγκεκριμένο ποσό είναι ένα κοινό πρόβλημα για τους μαθητές φυσικής. Για να το υπολογίσετε, πρέπει να γνωρίζετε τη συγκεκριμένη θερμική χωρητικότητα του αντικειμένου, τη μάζα του αντικειμένου, τη μεταβολή της θερμοκρασίας που ψάχνετε και τον ρυθμό με τον οποίο τροφοδοτείται η θερμότητα. Δείτε αυτόν τον υπολογισμό που εκτελείται για το νερό και οδηγεί στην κατανόηση της διαδικασίας και του τρόπου με τον οποίο υπολογίζεται γενικά.
TL · DR (Πολύ μακρύ;
Υπολογίστε τη θερμότητα (Q) που απαιτούνται χρησιμοποιώντας τον τύπο:
Q = mc∆Τ
Που Μ η μάζα του αντικειμένου, ντο σημαίνει την ειδική θερμική χωρητικότητα και ΔΤ είναι η αλλαγή της θερμοκρασίας. Ο χρόνος που απαιτείται (t) για τη θέρμανση του αντικειμένου όταν τροφοδοτείται ενέργεια κατά την τροφοδοσία Π δίνεται από:
t = Q ÷ Π
Ο τύπος για την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να προκαλέσει κάποια αλλαγή στη θερμοκρασία είναι:
Q = mc∆Τ
Που Μ η μάζα του αντικειμένου, ντο είναι η ειδική θερμότητα του υλικού που κατασκευάζεται από και ΔΤ είναι η αλλαγή της θερμοκρασίας. Αρχικά, υπολογίστε τη μεταβολή της θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας τον τύπο:
∆Τ = τελική θερμοκρασία – αρχική θερμοκρασία
Εάν θερμαίνετε κάτι από 10 ° έως 50 °, αυτό δίνει:
∆Τ = 50° – 10°
= 40°
Σημειώστε ότι ενώ ο Κελσίου και ο Κέλβιν είναι διαφορετικές μονάδες (και 0 ° C = 273 K), μια αλλαγή του 1 ° C ισούται με μια αλλαγή του 1 K, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά σε αυτόν τον τύπο.
Κάθε υλικό έχει μια μοναδική ειδική θερμότητα, η οποία σας λέει πόση ενέργεια χρειάζεται για να τον θερμαίσετε κατά 1 βαθμός Kelvin (ή 1 βαθμός Κελσίου), για μια συγκεκριμένη ποσότητα μιας ουσίας ή υλικού. Η εύρεση της θερμικής χωρητικότητας για το συγκεκριμένο υλικό σας συχνά απαιτεί διαβουλεύσεις σε ηλεκτρονικούς πίνακες (βλ. Πόροι), αλλά εδώ υπάρχουν μερικές τιμές ντο για κοινά υλικά, σε ζεύγη ανά χιλιόγραμμο και ανά κελίνο (J / kg K):
Αλκοόλ (κατανάλωση) = 2.400
Αλουμίνιο = 900
Βισμούθιο = 123
Brass = 380
Χαλκός = 386
Πάγος (στους -10 ° C) = 2,050
Γυαλί = 840
Χρυσός = 126
Γρανίτης = 790
Μόλυβδος = 128
Υδράργυρος = 140
Ασημένιο = 233
Βολφράμιο = 134
Νερό = 4,186
Ψευδάργυρος = 387
Επιλέξτε την κατάλληλη τιμή για την ουσία σας. Στα παραδείγματα αυτά, θα δοθεί έμφαση στο νερό (ντο = 4,186 J / kg Κ) και μόλυβδος (ντο = 128 J / kg Κ).
Η τελική ποσότητα στην εξίσωση είναι Μ για τη μάζα του αντικειμένου. Εν ολίγοις, χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για τη θέρμανση μεγαλύτερης ποσότητας υλικού. Έτσι, για παράδειγμα, φανταστείτε ότι υπολογίζετε τη θερμότητα που απαιτείται για να θερμάνετε 1 κιλό (kg) νερού και 10 kg μολύβδου κατά 40 K. Ο τύπος αναφέρει:
Q = mc∆Τ
Έτσι για το παράδειγμα του νερού:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167,440 J
= 167,44 kJ
Επομένως, απαιτούνται 167,44 kilojoules ενέργειας (δηλαδή, πάνω από 167,000 joules) για να θερμανθούν 1 kg νερού κατά 40 K ή 40 ° C.
Για το μόλυβδο:
Q = 10 kg × 128 J / kg Κ Χ 40 Κ
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Συνεπώς, χρειάζονται 51,2 kJ (51,200 Joules) ενέργειας για τη θέρμανση 10 kg μολύβδου κατά 40 K ή 40 ° C. Σημειώστε ότι απαιτεί λιγότερη ενέργεια για να θερμανθεί δέκα φορές περισσότερο από το μόλυβδο από την ίδια ποσότητα, επειδή το μόλυβδο είναι πιο εύκολο στη θέρμανση από το νερό.
Η ισχύς μετρά την ενέργεια που παρέχεται ανά δευτερόλεπτο και αυτό σας επιτρέπει να υπολογίσετε το χρόνο που απαιτείται για τη θέρμανση του εν λόγω αντικειμένου. Χρόνος που έχει ληφθεί (t) δίνεται από:
t = Q ÷ Π
Που Q είναι η θερμική ενέργεια που υπολογίστηκε στο προηγούμενο βήμα και Π είναι η ισχύς σε βατ (W, δηλ., ζεύγη ανά δευτερόλεπτο). Φανταστείτε ότι το νερό από το παράδειγμα θερμαίνεται από βραστήρα 2 kW (2.000 W). Το αποτέλεσμα από την προηγούμενη ενότητα δίνει:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83.72 s
Επομένως, χρειάζονται μόλις λιγότερο από 84 δευτερόλεπτα για να θερμάνετε 1 κιλό νερό κατά 40 K χρησιμοποιώντας έναν βραστήρα 2 kW. Εάν η παροχή τροφοδοτήθηκε στο μπλοκ μολύβδου των 10 kg με τον ίδιο ρυθμό, η θέρμανση θα έπαιρνε:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Επομένως διαρκεί 25,6 δευτερόλεπτα για να θερμανθεί το ηλεκτρόδιο αν τροφοδοτηθεί θερμότητα με τον ίδιο ρυθμό. Και πάλι, αυτό αντανακλά το γεγονός ότι το μόλυβδο θερμαίνεται πιο εύκολα από το νερό.