การคำนวณการแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบปิด

โดย Steven Holzner

ในวิชาฟิสิกส์ คุณสามารถคำนวณว่าต้องใช้พลังงานความร้อนเท่าใดในการยกวัตถุที่มีมวลจำนวนหนึ่งขึ้นโดยใช้อุณหภูมิที่กำหนด สิ่งที่คุณต้องมีคือความร้อนจำเพาะของวัตถุ



ที่อุณหภูมิที่กำหนด วัสดุที่แตกต่างกันสามารถเก็บพลังงานความร้อนในปริมาณที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น หากคุณอุ่นมันฝรั่ง มันฝรั่งจะเก็บความร้อนได้นาน (ดังที่ลิ้นของคุณสามารถพิสูจน์ได้) มากกว่าวัสดุที่เบากว่า เช่น ลูกอม ทำไม? เนื่องจากมันฝรั่งเก็บพลังงานความร้อนได้มากกว่าเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ดังนั้นความร้อนจะต้องไหลเพื่อให้มันฝรั่งเย็นกว่าที่จำเป็นเพื่อทำให้ขนมสายไหมเย็น การวัดว่าต้องใช้ความร้อนเท่าใดในการทำให้อุณหภูมิของวัตถุในมวลหนึ่งสูงขึ้นตามจำนวนองศาที่กำหนดเรียกว่า ความร้อนจำเพาะ.



คีเลตแมกนีเซียม vs แมกนีเซียม

สมมติว่าคุณเห็นคนทำหม้อกาแฟ คุณตวงกาแฟที่ชงแล้ว 1.0 กิโลกรัมในหม้อ จากนั้นคุณวัดขนาดจริง คุณพบว่าคุณต้องการพลังงานความร้อน 4,186 จูลเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของกาแฟ 1 องศาเซลเซียส แต่คุณต้องการเพียง 840 จูลเพื่อเพิ่มแก้ว 1.0 กิโลกรัมขึ้น 1 องศาเซลเซียส กาแฟและแก้วมีความร้อนจำเพาะต่างกัน พลังงานความร้อนจะเข้าสู่สารที่ถูกทำให้ร้อน ซึ่งเก็บพลังงานไว้เป็นพลังงานภายในจนกว่าจะรั่วไหลออกมาอีกครั้ง ( บันทึก: หากคุณต้องการ 4,186 จูลเพื่อเพิ่มกาแฟ 1.0 กิโลกรัมขึ้น 1 องศาเซลเซียส คุณต้องเพิ่มเป็นสองเท่าคือ 8,372 จูล เพื่อยกระดับกาแฟ 2.0 กิโลกรัมขึ้น 1 องศาเซลเซียส หรือเพื่อเพิ่มกาแฟ 1.0 กิโลกรัมขึ้น 2 องศาเซลเซียส)

สมการต่อไปนี้เกี่ยวข้องกับปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการทำให้อุณหภูมิของวัตถุสูงขึ้นตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและปริมาณของมวลที่เกี่ยวข้อง:



image0.png

ที่นี่ คิว คือปริมาณพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังวัตถุ (วัดเป็นจูลหากคุณใช้ MKS หรือระบบเมตรกิโลกรัมวินาที) คือมวลของวัตถุ

image1.png



(วัดเป็นองศาเซลเซียสหรือเคลวิน) และ เป็นค่าคงที่ที่เรียกว่า ความร้อนจำเพาะ, ซึ่งวัดเป็นจูลต่อกิโลกรัม-องศาเซลเซียส

image2.png

โดยปกติ นักฟิสิกส์จะคำนวณความร้อนจำเพาะผ่านการทดลอง ดังนั้นปัญหาส่วนใหญ่จึงทำให้คุณ หรืออ้างอิงถึงตารางค่าความร้อนจำเพาะสำหรับวัสดุต่างๆ

คุณสามารถใช้สมการความร้อนเพื่อดูว่าอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อคุณผสมของเหลวที่มีอุณหภูมิต่างกัน สมมติว่าคุณมีกาแฟ 45 กรัมในถ้วย แต่กาแฟจะเย็นลงในขณะที่คุณกำลังหาความร้อนจำเพาะของกาแฟ คุณโทรหาโฮสต์ของคุณ กาแฟมีอุณหภูมิ 45 องศาเซลเซียส แต่คุณชอบที่ 65 องศาเซลเซียส เจ้าบ้านลุกไปเทเพิ่ม แค่นาทีที่คุณพูด กาแฟในหม้อมีอุณหภูมิ 95 องศาเซลเซียส รอจนกว่าฉันจะคำนวณว่าคุณต้องเทเท่าไหร่

สมการต่อไปนี้แทนความร้อนที่สูญเสียไปโดยมวลกาแฟใหม่ 1:

image3.png

ผลข้างเคียงจากการยิงเยื่อหุ้มสมองอักเสบ

และนี่คือความร้อนที่ได้จากกาแฟที่มีอยู่ มวล สอง:

image4.png

สมมติว่าคุณมีแก้วกาแฟที่มีฉนวนป้องกันความร้อนสูง ไม่มีพลังงานออกจากระบบออกไปข้างนอก และเนื่องจากพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ พลังงานจึงถูกอนุรักษ์ไว้ภายในระบบปิดดังกล่าว ดังนั้นความร้อนที่สูญเสียไปโดยกาแฟใหม่คือความร้อนที่กาแฟที่มีอยู่ได้รับ ดังนั้น

image5.png

ดังนั้น คุณสามารถพูดได้ดังนี้:

ซม 1( ตู่ - ตู่ 1.0) = - ซม สอง( ตู่ - ตู่ 2.0)

ฉันทานแอสไพรินกับไลซิโนพริลได้ไหม

หารทั้งสองข้างด้วยความร้อนจำเพาะของกาแฟ และการใส่ตัวเลขจะทำให้คุณได้สิ่งต่อไปนี้:

image6.png

ต้องการ 0.03 กิโลกรัม หรือ 30 กรัม พอใจแล้ว คุณวางเครื่องคิดเลขแล้วพูดว่า ขอกาแฟนั้นให้ฉัน 30 กรัม