Como calcular o tempo para aquecer um objeto

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Autor: Judy Howell
Data De Criação: 25 Julho 2021
Data De Atualização: 1 Julho 2024
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MABA FÍSICA - CALORIMETRIA - PARTE 03 - CALOR ESPECÍFICO - Profª Patricia Freitas
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Diferentes materiais esquentam a taxas diferentes e calcular quanto tempo levará para elevar a temperatura de um objeto em uma quantidade especificada é um problema comum para estudantes de física. Para calculá-lo, é necessário conhecer a capacidade térmica específica do objeto, a massa do objeto, a mudança de temperatura que você está procurando e a taxa na qual a energia térmica é fornecida a ele. Veja este cálculo realizado para a água e leve a entender o processo e como é calculado em geral.

TL; DR (muito longo; não leu)

Calcular o calor (Q) necessário usando a fórmula:

Q = mcT

Onde m significa a massa do objeto, c significa a capacidade térmica específica e ∆T é a mudança de temperatura. O tempo gasto (t) para aquecer o objeto quando a energia é fornecida na potência P É dado por:

t = Q ÷ P

    A fórmula para a quantidade de energia térmica necessária para produzir uma certa mudança de temperatura é:

    Q = mcT

    Onde m significa a massa do objeto, c é a capacidade térmica específica do material de que é feito eT é a mudança de temperatura. Primeiro, calcule a mudança de temperatura usando a fórmula:

    T = temperatura finaltemperatura inicial

    Se você está aquecendo algo entre 10 ° e 50 °, isso fornece:

    T = 50° – 10°

    = 40°

    Observe que, enquanto Celsius e Kelvin são unidades diferentes (e 0 ° C = 273 K), uma mudança de 1 ° C é igual a uma mudança de 1 K, para que possam ser usados ​​alternadamente nesta fórmula.

    Todo material possui uma capacidade térmica específica única, que informa a quantidade de energia necessária para aquecê-lo em 1 grau Kelvin (ou 1 grau Celsius), para uma quantidade específica de uma substância ou material. Encontrar a capacidade de aquecimento para seu material específico geralmente requer consulta a tabelas on-line (consulte Recursos), mas aqui estão alguns valores para c para materiais comuns, em joules por quilograma e por Kelvin (J / kg K):

    Álcool (beber) = 2.400

    Alumínio = 900

    Bismuto = 123

    Latão = 380

    Cobre = 386

    Gelo (a -10 ° C) = 2.050

    Vidro = 840

    Ouro = 126

    Granito = 790

    Chumbo = 128

    Mercúrio = 140

    Prata = 233

    Tungstênio = 134

    Água = 4.186

    Zinco = 387

    Escolha o valor apropriado para sua substância. Nestes exemplos, o foco estará na água (c = 4.186 J / kg K) e chumbo (c = 128 J / kg K).

    A quantidade final na equação é m para a massa do objeto. Em resumo, é preciso mais energia para aquecer uma quantidade maior de material. Então, por exemplo, imagine que você está calculando o calor necessário para aquecer 1 kg (kg) de água e 10 kg de chumbo em 40 K. A fórmula afirma:

    Q = mcT

    Então, para o exemplo da água:

    Q = 1 kg × 4186 J / kg K × 40 K

    = 167.440 J

    = 167,44 kJ

    Portanto, são necessários 167,44 quilojoules de energia (ou seja, mais de 167.000 joules) para aquecer 1 kg de água a 40 K ou 40 ° C.

    Para chumbo:

    Q = 10 kg × 128 J / kg K × 40 K

    = 51.200 J

    = 51,2 kJ

    Portanto, são necessários 51,2 kJ (51.200 joules) de energia para aquecer 10 kg de chumbo em 40 K ou 40 ° C. Observe que requer menos energia para aquecer dez vezes mais chumbo na mesma quantidade, porque o chumbo é mais fácil de aquecer do que a água.

    A energia mede a energia fornecida por segundo e isso permite calcular o tempo necessário para aquecer o objeto em questão. Tempo gasto (t) É dado por:

    t = Q ÷ P

    Onde Q é a energia térmica calculada na etapa anterior e P é a potência em watts (W, isto é, joules por segundo). Imagine que a água do exemplo está sendo aquecida por uma chaleira de 2 kW (2.000 W). O resultado da seção anterior fornece:

    t = 167440 J ÷ 2000 J / s

    = 83,72 s

    Portanto, leva apenas menos de 84 segundos para aquecer 1 kg de água a 40 K usando uma chaleira de 2 kW. Se fosse fornecida energia ao bloco de 10 kg de chumbo na mesma taxa, o aquecimento levaria:

    t = 51200 J ÷ 2000 J / s

    = 25,6 s

    Portanto, são necessários 25,6 segundos para aquecer o chumbo se o calor for fornecido na mesma taxa. Novamente, isso reflete o fato de que o chumbo esquenta mais facilmente que a água.