物質が異なれば加熱速度も異なります。物体の温度が指定された量だけ上昇するのにかかる時間を計算することは、物理学の学生にとって一般的な問題です。それを計算するには、オブジェクトの比熱容量、オブジェクトの質量、探している温度の変化、および熱エネルギーがそれに供給される速度を知る必要があります。水に対して実行されたこの計算を見て、プロセスと一般的な計算方法を理解してください。
TL;DR (長すぎる; 読んでいない)
熱を計算します (Q ) 式を使用する必要があります:
Q =mc △T
どこで m オブジェクトの質量、c を意味します は比熱容量を表し、ΔT 温度変化です。かかった時間 (t ) 電力 P でエネルギーが供給されたときにオブジェクトを加熱する によって与えられます:
t =Q ÷ P
<オール>特定の温度変化を生成するために必要な熱エネルギー量の公式は次のとおりです。
Q =mc △T
どこで m オブジェクトの質量、c を意味します は材料の比熱容量であり、ΔT 温度変化です。まず、次の式を使用して温度の変化を計算します:
△T =最終温度 – 開始温度
何かを 10° から 50° に加熱している場合、次のようになります。
△T =50° – 10°
=40°
摂氏とケルビンは異なる単位ですが (0 °C =273 K)、1 °C の変化は 1 K の変化に等しいため、この式ではこれらを同じ意味で使用できます。
すべての材料には固有の比熱容量があり、特定の量の物質または材料を 1 ケルビン (または摂氏 1 度) だけ加熱するのに必要なエネルギーを示します。特定の材料の熱容量を見つけるには、多くの場合、オンラインの表 (「参考文献」を参照) を参照する必要がありますが、c の値をいくつか示します。 一般的な材料の場合、1 キログラムあたりのジュールと 1 ケルビンあたりのジュール (J/kg K):
アルコール（飲酒） =2,400
アルミニウム =900
ビスマス =123
ブラス =380
銅 =386
氷 (-10° C) =2,050
ガラス =840
ゴールド =126
花崗岩 =790
リード =128
水星 =140
シルバー =233
タングステン =134
水 =4,186
亜鉛 =387
物質に適切な値を選択してください。これらの例では、水に焦点を当てます (c =4,186 J/kg K) および鉛 (c =128 J/kg K).
方程式の最終量は m です オブジェクトの質量。つまり、より多くの材料を加熱するには、より多くのエネルギーが必要です。たとえば、1 キログラム (kg) の水と 10 kg の鉛を 40 K で加熱するのに必要な熱を計算しているとします。式は次のように述べています。
Q =mc △T
水の例:
Q =1 kg × 4186 J/kg K × 40 K
=167,440円
=167.44kJ
したがって、1 kg の水を 40 K または 40 °C 加熱するには、167.44 キロジュールのエネルギー (つまり、167,000 ジュール以上) が必要です。
リードの場合:
Q =10 kg × 128 J/kg K × 40 K
=51,200円
=51.2kJ
したがって、10 kg の鉛を 40 K または 40 °C 加熱するには、51.2 kJ (51,200 ジュール) のエネルギーが必要です。鉛は水よりも加熱しやすいため、同じ量の鉛を 10 倍加熱するのに必要なエネルギーは少ないことに注意してください。
電力は、1 秒あたりに供給されるエネルギーを測定します。これにより、問題のオブジェクトを加熱するのにかかる時間を計算できます。かかった時間 (t ) は次のように与えられます:
t =Q ÷ P
どこで Q 前のステップで計算された熱エネルギーと P はワット単位の電力です (W、つまり 1 秒あたりのジュール)。この例の水が 2 kW (2,000 W) のケトルで加熱されていると想像してください。前のセクションの結果は次のとおりです。
t =167440 J ÷ 2000 J/s
=83.72 秒
したがって、2 kW のケトルを使用して 1 kg の水を 40 K 加熱するのにかかる時間は 84 秒未満です。 10 kg の鉛ブロックに同じ速度で電力が供給された場合、加熱には次の時間がかかります:
t =51200 J ÷ 2000 J/s
=25.6 秒
したがって、熱が同じ速度で供給される場合、リードを加熱するのに 25.6 秒かかります。繰り返しますが、これは鉛が水よりも簡単に熱くなるという事実を反映しています.
