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Los diferentes materiales se calientan a diferentes velocidades, y calcular cuánto tiempo llevará elevar la temperatura de un objeto en una cantidad específica es un problema común para los estudiantes de física. Para calcularlo, debe conocer la capacidad de calor específica del objeto, la masa del objeto, el cambio de temperatura que está buscando y la velocidad a la que se le suministra energía térmica. Vea este cálculo realizado para el agua y el plomo para comprender el proceso y cómo se calcula en general.
TL; DR (demasiado largo; no leído)
Calcule el calor (Q) requerido usando la fórmula:
Q = mc∆T
Dónde metro significa la masa del objeto, C representa la capacidad calorífica específica y ∆T es el cambio de temperatura El tiempo que lleva (t) para calentar el objeto cuando la energía se suministra al poder PAGS es dado por:
t = Q ÷ PAGS
La fórmula para la cantidad de energía térmica requerida para producir un cierto cambio de temperatura es:
Q = mc∆T
Dónde metro significa la masa del objeto, C es la capacidad calorífica específica del material del que está hecho y ∆T es el cambio de temperatura Primero, calcule el cambio de temperatura usando la fórmula:
∆T = temperatura final – temperatura inicial
Si está calentando algo de 10 ° a 50 °, esto da:
∆T = 50° – 10°
= 40°
Tenga en cuenta que si bien Celsius y Kelvin son unidades diferentes (y 0 ° C = 273 K), un cambio de 1 ° C equivale a un cambio de 1 K, por lo que se pueden usar indistintamente en esta fórmula.
Cada material tiene una capacidad calorífica específica única, que le indica cuánta energía se necesita para calentarlo en 1 grado Kelvin (o 1 grado Celsius), para una cantidad específica de una sustancia o material. Encontrar la capacidad de calor para su material específico a menudo requiere consultar tablas en línea (ver Recursos), pero aquí hay algunos valores para C para materiales comunes, en julios por kilogramo y por Kelvin (J / kg K):
Alcohol (bebida) = 2,400
Aluminio = 900
Bismuto = 123
Latón = 380
Cobre = 386
Hielo (a −10 ° C) = 2,050
Vidrio = 840
Oro = 126
Granito = 790
Plomo = 128
Mercurio = 140
Plata = 233
Tungsteno = 134
Agua = 4,186
Zinc = 387
Elija el valor apropiado para su sustancia. En estos ejemplos, la atención se centrará en el agua (C = 4,186 J / kg K) y plomo (C = 128 J / kg K).
La cantidad final en la ecuación es metro para la masa del objeto. En resumen, se necesita más energía para calentar una mayor cantidad de material. Entonces, por ejemplo, imagine que está calculando el calor requerido para calentar 1 kilogramo (kg) de agua y 10 kg de plomo por 40 K. La fórmula establece:
Q = mc∆T
Entonces, para el ejemplo del agua:
Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K
= 167,440 J
= 167,44 kJ
Por lo tanto, se requieren 167.44 kilojulios de energía (es decir, más de 167,000 julios) para calentar 1 kg de agua en 40 K o 40 ° C.
Para plomo:
Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K
= 51,200 J
= 51,2 kJ
Por lo tanto, se necesitan 51,2 kJ (51.200 julios) de energía para calentar 10 kg de plomo en 40 K o 40 ° C. Tenga en cuenta que se requiere menos energía para calentar diez veces más plomo en la misma cantidad, porque el plomo es más fácil de calentar que el agua.
La potencia mide la energía entregada por segundo, y esto le permite calcular el tiempo necesario para calentar el objeto en cuestión. Tiempo tomado (t) es dado por:
t = Q ÷ PAGS
Dónde Q es la energía térmica calculada en el paso anterior y PAGS es la potencia en vatios (W, es decir, julios por segundo). Imagine que el agua del ejemplo está siendo calentada por un hervidor de agua de 2 kW (2,000 W). El resultado de la sección anterior da:
t = 167440 J ÷ 2000 J / s
= 83,72 s
Por lo tanto, lleva menos de 84 segundos calentar 1 kg de agua por 40 K con una tetera de 2 kW. Si se suministrara energía al bloque de plomo de 10 kg a la misma velocidad, el calentamiento tomaría:
t = 51200 J ÷ 2000 J / s
= 25,6 s
Por lo tanto, se tarda 25,6 segundos en calentar el plomo si el calor se suministra a la misma velocidad. Nuevamente, esto refleja el hecho de que el plomo se calienta más fácilmente que el agua.