İçerik
Farklı malzemeler farklı oranlarda ısınır ve bir nesnenin sıcaklığını belirli bir miktarda artırmanın ne kadar süreceğini hesaplamak fizik öğrencileri için yaygın bir sorundur. Bunu hesaplamak için, nesnenin özgül ısı kapasitesini, nesnenin kütlesini, aradığınız sıcaklıktaki değişimi ve ısı enerjisinin kendisine verildiği hızı bilmeniz gerekir. Su için yapılan bu hesaplamaya bakın ve bu süreci ve genel olarak nasıl hesaplandığını anlayın.
TL; DR (Çok Uzun; Okumadı)
Isıyı hesapla (S) aşağıdaki formülü kullanarak gerekli:
S = mc∆T
Nerede m nesnenin kütlesi anlamına gelir, c özgül ısı kapasitesi anlamına gelir veT sıcaklıktaki değişim. Alınan zaman (t) enerji beslendiğinde nesneyi ısıtmak P tarafından verilir:
t = S ÷ P
Sıcaklıkta belirli bir değişiklik üretmek için gereken ısı enerjisi miktarı için formül:
S = mc∆T
Nerede m nesnenin kütlesi anlamına gelir, c 'den yapılan malzemenin özgül ısı kapasitesi veT sıcaklıktaki değişim. İlk önce, aşağıdaki formülü kullanarak sıcaklıktaki değişimi hesaplayın:
∆T = son sıcaklık – başlangıç sıcaklığı
10 ° ile 50 ° arasında bir şeyi ısıtıyorsanız, bu size verir:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Santigrat ve Kelvin farklı birimler olmasına rağmen (ve 0 ° C = 273 K), 1 ° C'lik bir değişimin 1 K'lik bir değişikliğe eşit olduğunu, bu nedenle bu formülde birbirlerinin yerine kullanılabileceğini unutmayın.
Her malzemenin belirli bir madde veya malzemenin belirli bir miktarı için 1 derece Kelvin (veya 1 derece Santigrat) kadar ısıtılması için ne kadar enerji harcadığını söyleyen benzersiz bir özel ısı kapasitesi vardır. Özel materyaliniz için ısı kapasitesini bulmak genellikle çevrimiçi tablolara danışmanızı gerektirir (bkz. Kaynaklar), ancak burada bazı değerler c ortak malzemeler için, kilogram başına ve Kelvin başına joule cinsinden (J / kg K):
Alkol (içme) = 2,400
Alüminyum = 900
Bizmut = 123
Pirinç = 380
Bakır = 386
Buz (-10 ° C'de) = 2,050
Cam = 840
Altın = 126
Granit = 790
Kurşun = 128
Civa = 140
Gümüş = 233
Tungsten = 134
Su = 4,186
Çinko = 387
Maddeniz için uygun değeri seçin. Bu örneklerde, odak su üzerinde olacaktır (c = 4,186 J / kg K) ve kurşun (c = 128 J / kg K).
Denklemdeki son miktar m Nesnenin kütlesi için. Kısacası, daha fazla miktarda malzemeyi ısıtmak daha fazla enerji harcar. Örneğin, 1 kilogram (kg) su ve 10 kg kurşun ısıtmak için gereken ısıyı 40 K ile hesapladığınızı düşünün.
S = mc∆T
Yani su örneği için:
S = 1 kg x 4186 J / kg K × 40 K
= 167,440 J
= 167.44 kJ
Bu yüzden 1 kg suyu 40 K veya 40 ° C'ye ısıtmak için 167.44 kilojoule enerji (yani 167.000 joule'den fazla) gerekir.
Kurşun için:
S = 10 kg x 128 J / kg K x 40 K
= 51,200 J
= 51,2 kJ
Bu nedenle, 10 kg kurşun 40 K veya 40 ° C'ye ısıtıldığında 51,2 kJ (51,200 joule) enerji gerekir. Kurşun suya göre ısıtmak daha kolaydır, çünkü aynı miktarda kurşun on kat daha az enerji gerektirdiğini unutmayın.
Güç, saniye başına verilen enerjiyi ölçer ve bu, söz konusu nesneyi ısıtmak için harcanan zamanı hesaplamanıza olanak sağlar. Geçen süre (t) tarafından verilir:
t = S ÷ P
Nerede S önceki adımda hesaplanan ısı enerjisi P watt cinsinden güçtür (W, yani saniyede joule). Örnekteki suyun 2 kW (2,000 W) su ısıtıcısı tarafından ısıtıldığını hayal edin. Önceki bölümden sonuç verir:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Bu nedenle, 2 kW'lık bir su ısıtıcısı kullanarak 1 K suyu 40 K ile ısıtmak sadece 84 saniyeden az sürer. 10 kg'lık kurşun bloğuna aynı oranda güç sağlanmışsa, ısıtma aşağıdakileri yapacaktır:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Bu nedenle, aynı oranda ısı verilirse, kurşunun ısıtılması 25.6 saniye sürer. Yine bu, kurşunun sudan daha kolay ısındığı gerçeğini yansıtıyor.