תוֹכֶן
חומרים שונים מתחממים בקצבים שונים וחישוב כמה זמן ייקח להעלות את הטמפרטורה של אובייקט בכמות מוגדרת זו בעיה נפוצה עבור סטודנטים לפיזיקה. כדי לחשב את זה אתה צריך לדעת את יכולת החום הספציפית של האובייקט, את מסת האובייקט, את שינוי הטמפרטורה שאתה מחפש ואת הקצב שאליו מסופקת אנרגיה חום. ראה חישוב זה שבוצע עבור מים והביא להבנת התהליך וכיצד הוא מחושב באופן כללי.
TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
חשב את החום (ש) נדרש באמצעות הנוסחה:
ש = mc∆ט
איפה M פירושו המסה של האובייקט, ג מייצג את קיבולת החום הספציפית ∆ט הוא שינוי הטמפרטורה. הזמן שלקח (t) כדי לחמם את האובייקט כאשר האנרגיה מסופקת באמצעות חשמל ע ניתן ע"י:
t = ש ÷ ע
הנוסחה לכמות אנרגיית החום הדרושה לייצור שינוי מסוים בטמפרטורה היא:
ש = mc∆ט
איפה M פירושו המסה של האובייקט, ג הוא קיבולת החום הספציפית של החומר ממנו הוא עשוי ∆ט הוא שינוי הטמפרטורה. ראשית, חשב את שינוי הטמפרטורה באמצעות הנוסחה:
∆ט = טמפרטורה סופית – טמפרטורת התחלה
אם אתה מחמם משהו מ- 10 ° ל- 50 °, זה נותן:
∆ט = 50° – 10°
= 40°
שימו לב שבעוד צלזיוס וקלווין הם יחידות שונות (ו- 0 ° C = 273 K), שינוי של 1 ° C שווה לשינוי של 1 K, כך שניתן להשתמש בהם להחלפה בנוסחה זו.
לכל חומר יש יכולת חום ספציפית ייחודית, המספרת כמה אנרגיה נדרשת כדי לחמם אותו על ידי קלווין אחד (או מעלה אחת צלזיוס), לכמות מסוימת של חומר או חומר. מציאת קיבולת החום של החומר הספציפי שלך דורשת לעיתים קרובות טבלאות מקוונות (ראה משאבים), אך הנה כמה ערכים עבורם ג עבור חומרים נפוצים, בג'ואלים לקילוגרם ולקלווין (J / kg K):
אלכוהול (שתייה) = 2,400
אלומיניום = 900
ביסמוט = 123
פליז = 380
נחושת = 386
קרח (-10 מעלות צלזיוס) = 2,050
זכוכית = 840
זהב = 126
גרניט = 790
עופרת = 128
כספית = 140
כסף = 233
טונגסטן = 134
מים = 4,186
אבץ = 387
בחר בערך המתאים לחומר שלך. בדוגמאות אלה המיקוד יהיה על מים (ג = 4,186 J / kg K) ועופרת (ג = 128 J / kg K).
הכמות הסופית במשוואה היא M למסת האובייקט. בקיצור, דרוש יותר אנרגיה כדי לחמם כמות גדולה יותר של חומר. אז לדוגמא, דמיין שאתה מחשב את החום הנדרש לחימום של 1 קילוגרם (ק"ג) מים ו -10 ק"ג עופרת על ידי 40 K. הנוסחה קובעת:
ש = mc∆ט
אז לדוגמא המים:
ש = 1 ק"ג × 4186 J / ק"ג K × 40 K
= 167,440 J
= 167.44 ק"ג
אז זה לוקח 167.44 קילוג'ול אנרגיה (כלומר מעל 167,000 ג'ול) כדי לחמם 1 ק"ג מים על 40 ק"ג או 40 מעלות צלזיוס.
לעופרת:
ש = 10 ק"ג × 128 J / ק"ג K × 40 K
= 51,200 J
= 51.2 ק"ג
אז זה לוקח 51.2 ק"ג (51,200 ג'ול) אנרגיה כדי לחמם 10 ק"ג של עופרת על ידי 40 קילוגרם או 40 מעלות צלזיוס. שימו לב, הדבר דורש פחות אנרגיה כדי לחמם עשרה פעמים עופרת באותה כמות, מכיוון שעופרת קלה יותר לחום מאשר מים.
כוח מודד את האנרגיה המועברת בשנייה, וזה מאפשר לך לחשב את הזמן שנדרש לחימום האובייקט המדובר. זמן נלקח (t) ניתן ע"י:
t = ש ÷ ע
איפה ש היא אנרגיית החום המחושבת בשלב הקודם ע הוא הספק בוואט (W, כלומר ג'ול לשנייה). דמיין שהמים מהדוגמא מתחממים על ידי קומקום של 2 קילוואט (2,000 וואט). התוצאה מהסעיף הקודם נותנת:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83.72 ש '
לכן לוקח פחות מ- 84 שניות לחמם 1 קילוגרם מים על 40 קילוגרם באמצעות קומקום של 2 קילוואט. אם הכוח היה מסופק לבלוק העופרת של 10 ק"ג באותו קצב, החימום היה לוקח:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25.6 ש '
לכן לוקח 25.6 שניות לחמם את המוליכה אם החום מסופק באותו קצב. שוב, הדבר משקף את העובדה שהעופרת מתחממת ביתר קלות מאשר מים.