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Materiali diversi si riscaldano a velocità diverse e calcolare il tempo necessario per aumentare la temperatura di un oggetto di una quantità specificata è un problema comune per gli studenti di fisica. Per calcolarlo, devi conoscere la capacità termica specifica dell'oggetto, la massa dell'oggetto, il cambiamento di temperatura che stai cercando e la velocità con cui l'energia termica viene fornita ad esso. Vedi questo calcolo eseguito per l'acqua e porta a capire il processo e come viene calcolato in generale.
TL; DR (Too Long; Didnt Read)
Calcola il calore (Q) richiesto utilizzando la formula:
Q = mc∆T
Dove m indica la massa dell'oggetto, c indica la capacità termica specifica e ∆T è il cambiamento di temperatura. Il tempo impiegato (t) per riscaldare l'oggetto quando viene fornita energia alla potenza P è dato da:
t = Q ÷ P
La formula per la quantità di energia termica richiesta per produrre un certo cambiamento di temperatura è:
Q = mc∆T
Dove m indica la massa dell'oggetto, c è la capacità termica specifica del materiale di cui è composta e ∆T è il cambiamento di temperatura. Innanzitutto, calcola la variazione di temperatura usando la formula:
∆T = temperatura finale – temperatura iniziale
Se stai riscaldando qualcosa da 10 ° a 50 °, questo dà:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Si noti che mentre Celsius e Kelvin sono unità diverse (e 0 ° C = 273 K), una variazione di 1 ° C equivale a una variazione di 1 K, quindi possono essere utilizzate in modo intercambiabile in questa formula.
Ogni materiale ha una capacità termica specifica unica, che ti dice quanta energia ci vuole per riscaldarlo di 1 grado Kelvin (o 1 grado Celsius), per una quantità specifica di una sostanza o materiale. Trovare la capacità termica per il tuo materiale specifico spesso richiede la consultazione di tabelle online (vedi Risorse), ma qui ci sono alcuni valori per c per materiali comuni, in joule per chilogrammo e per Kelvin (J / kg K):
Alcol (bere) = 2.400
Alluminio = 900
Bismuto = 123
Ottone = 380
Rame = 386
Ghiaccio (a -10 ° C) = 2.050
Vetro = 840
Oro = 126
Granito = 790
Piombo = 128
Mercurio = 140
Argento = 233
Tungsteno = 134
Acqua = 4.186
Zinco = 387
Scegli il valore appropriato per la tua sostanza. In questi esempi, l'attenzione sarà rivolta all'acqua (c = 4.186 J / kg K) e piombo (c = 128 J / kg K).
La quantità finale nell'equazione è m per la massa dell'oggetto. In breve, ci vuole più energia per riscaldare una maggiore quantità di materiale. Quindi, per esempio, immagina di calcolare il calore necessario per riscaldare 1 chilogrammo (kg) di acqua e 10 kg di piombo per 40 K. La formula afferma:
Q = mc∆T
Quindi per l'esempio dell'acqua:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167.440 J
= 167,44 kJ
Quindi sono necessari 167,44 chilojoule di energia (cioè oltre 167.000 joule) per riscaldare 1 kg di acqua di 40 K o 40 ° C.
Per piombo:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51.200 J
= 51,2 kJ
Quindi sono necessari 51,2 kJ (51.200 joule) di energia per riscaldare 10 kg di piombo da 40 K o 40 ° C. Si noti che richiede meno energia per riscaldare dieci volte più piombo della stessa quantità, perché il piombo è più facile da riscaldare dell'acqua.
La potenza misura l'energia erogata al secondo e ciò consente di calcolare il tempo impiegato per riscaldare l'oggetto in questione. Tempo preso (t) è dato da:
t = Q ÷ P
Dove Q è l'energia termica calcolata nel passaggio precedente e P è la potenza in watt (W, cioè joule al secondo). Immagina che l'acqua dell'esempio sia riscaldata da un bollitore da 2 kW (2.000 W). Il risultato della sezione precedente fornisce:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Quindi ci vogliono solo meno di 84 secondi per riscaldare 1 kg di acqua da 40 K usando un bollitore da 2 kW. Se l'alimentazione fosse fornita al blocco di piombo da 10 kg alla stessa velocità, il riscaldamento richiederebbe:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Quindi occorrono 25,6 secondi per riscaldare il piombo se il calore viene fornito alla stessa velocità. Ancora una volta, questo riflette il fatto che il piombo si riscalda più facilmente dell'acqua.