Sisu
Erinevad materjalid kuumenevad erineva kiirusega ja kui arvestada, kui kaua kulub objekti temperatuuri tõstmiseks kindlaksmääratud koguse võrra, on füüsikaüliõpilaste tavaline probleem. Selle arvutamiseks peate teadma objekti konkreetset soojusmahtuvust, objekti massi, otsitava temperatuuri muutust ja soojusenergia tarnimise kiirust. Vaadake seda vee jaoks tehtud arvutust ja saate aru protsessist ja sellest, kuidas seda üldiselt arvutatakse.
TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
Arvutage soojus (Q) nõutav valemi abil:
Q = mc∆T
Kus m - eseme mass, c tähistab spetsiifilist soojusmahtuvust ja ∆T on temperatuuri muutus. Võetud aeg (t) objekti soojendamiseks, kui energiat toidetakse toiteallikaga Lk on andnud:
t = Q ÷ Lk
Teatava temperatuurimuutuse saavutamiseks vajaliku soojusenergia koguse valem on järgmine:
Q = mc∆T
Kus m - eseme mass, c on materjali, millest see on valmistatud, eriline soojusmahtuvus ja ∆T on temperatuuri muutus. Kõigepealt arvutage temperatuurimuutus järgmise valemi abil:
∆T = lõplik temperatuur – algtemperatuur
Kui soojendate midagi 10 ° kuni 50 °, annab see:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Pange tähele, et kuigi Celsiuse ja Kelvini väärtused on erinevad ühikud (ja 0 ° C = 273 K), võrdub muutus 1 ° C muutusega 1 K, nii et neid saab selles valemis kasutada vaheldumisi.
Igal materjalil on ainulaadne spetsiifiline soojusmahtuvus, mis ütleb teile, kui palju energiat kulub selle kuumutamiseks 1 kraadi Kelvini (või 1 kraadi Celsiuse järgi) konkreetse koguse aine või materjali jaoks. Teie konkreetse materjali soojusmahtuvuse leidmiseks tuleb sageli otsida veebitabeleid (vt ressursse), kuid siin on mõned väärtused c tavaliste materjalide puhul džaulides kilogrammi ja kelvini (J / kg K):
Alkohol (joomine) = 2400
Alumiinium = 900
Vismut = 123
Messing = 380
Vask = 386
Jää (temperatuuril –10 ° C) = 2 050
Klaas = 840
Kuld = 126
Graniit = 790
Plii = 128
Elavhõbe = 140
Hõbe = 233
Volfram = 134
Vesi = 4 186
Tsink = 387
Valige oma aine jaoks sobiv väärtus. Nendes näidetes keskendutakse veele (c = 4 186 J / kg K) ja plii (c = 128 J / kg K).
Lõplik kogus võrrandis on m objekti massi jaoks. Lühidalt, suurema koguse materjali soojendamiseks kulub rohkem energiat. Nii kujutage näiteks ette, et arvutate 1 kg (kg) vee ja 10 kg plii soojendamiseks vajaliku soojuse 40 K abil. Valem ütleb:
Q = mc∆T
Nii et vee näide:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167 440 J
= 167,44 kJ
Seega kulub 1 kg vee soojendamiseks 40 K või 40 ° C juures 167,44 kilodžaul energiat (s.o üle 167 000 džauli).
Plii jaoks:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51 200 J
= 51,2 kJ
10 kg plii soojendamiseks 40 K või 40 ° C kulub 51,2 kJ (51 200 džauli) energiat. Pange tähele, et kümme korda suurema koguse plii kuumutamiseks kulub vähem energiat, sest pliid on kergem kuumutada kui vett.
Võimsus mõõdab sekundis tarnitud energiat ja see võimaldab teil arvutada kõnealuse objekti kuumutamiseks kuluvat aega. Aeg kulunud (t) annab:
t = Q ÷ Lk
Kus Q on eelmises etapis arvutatud soojusenergia ja Lk on võimsus vattides (W, s.o džaulides sekundis). Kujutage ette, et näites toodud vett soojendab 2 kW (2000 W) veekeetja. Eelmise jaotise tulemus annab:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Seega kulub 2 kg veekeetja abil 1 kg vee soojendamiseks 40 K võrra vähem kui 84 sekundit. Kui 10-kilogrammisele pliiblokile toide oleks sama kiirusega, kuluks kuumutamisele:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Kui soojust tarnitakse sama kiirusega, kulub plii soojendamiseks 25,6 sekundit. See peegeldab jällegi tõsiasja, et plii kuumeneb kergemini kui vesi.