Di Lee Johnson — Aggiornato il 30 agosto 2022
I calcoli del trasferimento di calore sono un punto fermo in fisica e ingegneria. Sapere quanto tempo è necessario per aumentare la temperatura di un oggetto di una determinata quantità richiede solo alcuni dati chiave:la capacità termica specifica del materiale, la sua massa, la variazione di temperatura desiderata e la potenza della fonte di calore. Di seguito, percorriamo i passaggi utilizzando acqua e piombo come esempi illustrativi.
Per prima cosa calcola l'energia termica necessaria:Q =mcΔT , dove m è la massa, c è la capacità termica specifica e ΔT è la variazione di temperatura. Determinare quindi il tempo di riscaldamento:t =Q ÷ P , con P la potenza in watt.
La variazione di temperatura è semplicemente la differenza tra la temperatura finale e quella iniziale:
ΔT =T_finale – T_iniziale
Ad esempio, riscaldando una sostanza da 10°C a 50°C si ottiene ΔT=40°C. Poiché una variazione di 1°C equivale a una variazione di 1K, puoi lavorare in entrambe le unità.
Ogni materiale ha una capacità termica specifica caratteristica che indica quanta energia è necessaria per sollevare 1 kg di quel materiale di 1 K. I valori comuni (Jkg⁻¹K⁻¹) includono:
Per questo tutorial utilizzeremo acqua (c=4,186Jkg⁻¹K⁻¹) e piombo (c=128Jkg⁻¹K⁻¹).
Con m in chilogrammi, c in Jkg⁻¹K⁻¹ e ΔT in K, l'energia termica è:
Q =mcΔT
Esempio di acqua:1 kg × 4.186 Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =167.440 J =167,44 kJ.
Esempio principale:10 kg × 128 Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =51.200 J =51,2 kJ.
Si noti che, poiché il calore specifico del piombo è inferiore, è necessaria meno energia per aumentare la sua temperatura della stessa quantità.
La potenza (P) è la velocità di erogazione dell'energia (1W=1Js⁻¹). Il tempo di riscaldamento segue da:
t =Q ÷ P
Utilizzando un bollitore da 2 kW (2.000 W) per l'acqua:
t =167.440J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 83,7s.
Per il bozzello di piombo da 10 kg alla stessa potenza:
t =51.200J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 25,6s.
Il piombo si riscalda più rapidamente a causa della sua minore capacità termica specifica.
Queste formule semplici ti consentono di prevedere i tempi di riscaldamento per qualsiasi materiale:basta inserire i valori appropriati.
