Бесплатные калькуляторы
⌕ Поиск

Примеры запросов: процентыипотекаплощадьВсе калькуляторы бесплатны

ХИМИЯ · ОНЛАЙН

Закон охлаждения Ньютона для реакционной смеси

Калькулятор применяет закон охлаждения Ньютона к раствору или реакционной смеси. Нужно ввести начальную температуру, постоянную температуру среды, коэффициент охлаждения в обратных единицах времени и время; результат показывает температуру, к которой смесь придёт в момент t.

✓ Бесплатно⌁ С пояснением✦ Без регистрации
▦
КАЛЬКУЛЯТОР

Введите данные

Температура в момент t = 0; допустимо от −273,15 до 3000.
Постоянная температура окружающего воздуха или термостата.
Определяется опытом; от 0 до 100 в тех же единицах времени, что и t.
Время с начала наблюдения в тех же единицах, что и коэффициент k.
✓ Исходные значения передаются серверу только для выполнения расчёта. Регистрация не нужна.
ВАШ РЕЗУЛЬТАТ✓ Вычислено

Охлаждение по Ньютону

Температура в момент t56,39184

«Копировать картинку» помещает изображение результата в буфер обмена без сохранения файла — его можно сразу вставить в мессенджер или документ. Картинка и PDF содержат ссылку на calc-calc.ru.

Идеальная модель постоянной температуры среды и постоянного коэффициента охлаждения; не учитывает фазовые переходы.

Был ли калькулятор полезен?Одно касание — и мы поймём, какие инструменты улучшать.
ПОДРОБНЫЙ РАЗБОР · ФОРМУЛЫ И ПРИМЕРЫ

Закон охлаждения Ньютона: расчёт температуры раствора и реакционной смеси через время

После экзотермической реакции или кипячения раствор остывает, и температура падает быстро только вначале: чем меньше разность с окружающей средой, тем медленнее идёт теплообмен. Эту картину описывает закон охлаждения Ньютона, один из самых полезных практических законов в лабораторной работе.

Калькулятор вычисляет температуру смеси в заданный момент по начальной температуре, температуре среды и коэффициенту охлаждения. Далее разобраны формула, способ определения коэффициента по двум измерениям, обратная задача о времени остывания и связь с калориметрическими поправками.

Уравнение и его решение

Согласно закону Ньютона, скорость изменения температуры пропорциональна разности температуры тела и среды: dT/dt = −k(T − T_ср). Коэффициент k имеет размерность обратного времени и характеризует скорость теплообмена конкретной установки.

Решение имеет вид T(t) = T_ср + (T₀ − T_ср)·e^(−kt). Через время ln 2 / k избыток температуры над средой уменьшается вдвое. При k = 0,05 мин⁻¹ этот промежуток составляет 13,86 мин, независимо от того, горячим был раствор или тёплым.

Числовые примеры

Раствор при 80 °C поместили в комнату при 20 °C, k = 0,05 мин⁻¹. Через 10 мин разность 60 °C умножается на e^(−0,5) ≈ 0,6065, поэтому температура равна 20 + 36,39 = 56,39 °C. Через 30 мин температура составит уже около 33,4 °C.

Закон работает и при нагреве: смесь, охлаждённая до 5 °C и внесённая в помещение с 25 °C, при k = 0,1 мин⁻¹ достигнет за 15 мин 20,54 °C. При k = 0 теплообмена нет и температура остаётся прежней, а при равенстве начальной температуры и температуры среды ничего не меняется при любом k.

Как определить коэффициент k

Коэффициент нельзя взять из таблицы: он зависит от формы сосуда, количества раствора, перемешивания и обдува. Достаточно двух измерений температуры T₁ и T₂ с промежутком Δt при известной температуре среды: k = ln((T₁ − T_ср)/(T₂ − T_ср)) / Δt.

Для 80 и 56,39 °C при 20 °C и промежутке 10 мин получаем ln(60/36,39)/10 ≈ 0,050 мин⁻¹. Надёжнее взять несколько точек и построить график ln(T − T_ср) от времени: для закона Ньютона он прямолинеен, а его наклон равен −k. Если точки отклоняются от прямой, закон неприменим.

Обратная задача: сколько ждать

Чтобы узнать время остывания до заданной температуры T, решите уравнение относительно t: t = ln((T₀ − T_ср)/(T − T_ср)) / k. Для остывания с 80 до 40 °C при температуре среды 20 °C и k = 0,05 мин⁻¹ получается ln 3 / 0,05 ≈ 21,97 мин.

Достичь самой температуры среды за конечное время невозможно, поэтому на практике задают допустимое отличие, например 1 °C. Для 60 °C начальной разности и k = 0,05 мин⁻¹ время до разности в один градус равно ln 60 / 0,05 ≈ 82 мин. Чтобы проверить такой результат в калькуляторе, введите время и сверьте температуру.

Связь с калориметрией и ограничения

В калориметрии теплообмен с окружением искажает измеряемый подъём температуры, поэтому график температуры от времени до и после реакции экстраполируют к моменту смешения. Закон Ньютона даёт теоретическую основу такой экстраполяции: на послереакционном участке температура затухает по экспоненте.

Модель предполагает однородную температуру в объёме и постоянную температуру среды. Она не учитывает испарение, кипение, кристаллизацию и тепловыделение продолжающейся реакции. При больших разностях температур, когда существенны излучение и конвекция, коэффициент k перестаёт быть постоянным и результат носит оценочный характер.

Формула расчёта

ОСНОВНАЯ ФОРМУЛА

T(t) = T_ср + (T₀ − T_ср) · e^(−k·t)

Проверенные примеры

Остывание горячего раствора

Раствор при 80 °C стоит в комнате при 20 °C, k = 0,05 мин⁻¹. Какова температура через 10 мин?

Разность 60 °C уменьшается в e^(−0,5) ≈ 0,6065 раз: T = 20 + 60 · 0,6065 ≈ 56,39 °C.

Нагрев холодной смеси

Охлаждённая смесь при 5 °C помещена в помещение с 25 °C, k = 0,1 мин⁻¹. Какова температура через 15 мин?

T = 25 + (5 − 25) · e^(−1,5) = 25 − 20 · 0,2231 ≈ 20,54 °C.

Как пользоваться онлайн-калькулятором

  1. Измерьте начальную температуру смеси и температуру среды в градусах Цельсия.
  2. Введите коэффициент охлаждения k; если он неизвестен, оцените его по двум измерениям температуры, как описано в статье.
  3. Укажите время в тех же единицах, что и в коэффициенте k, и нажмите «Рассчитать».
ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Частые вопросы

Как оценить коэффициент k по двум измерениям?

Измерьте температуры T₁ и T₂ в моменты, разделённые промежутком Δt, и температуру среды T_ср. Тогда k = ln((T₁ − T_ср)/(T₂ − T_ср)) / Δt. Для 80 и 56,39 °C при 20 °C и Δt = 10 мин получается k ≈ 0,05 мин⁻¹.

Через какое время раствор остынет до заданной температуры?

Решите уравнение относительно времени: t = ln((T₀ − T_ср)/(T − T_ср)) / k. Остывание с 80 до 40 °C при 20 °C и k = 0,05 мин⁻¹ занимает ln 3 / 0,05 ≈ 21,97 мин.

Почему раствор не охладится ниже температуры среды?

Скорость теплообмена пропорциональна разности температур и обращается в ноль при их равенстве. Поэтому T(t) стремится к температуре среды, но не пересекает её.

Похожие калькуляторы

ПОДЕЛИТЬСЯ ИНСТРУМЕНТОМ

Встроить на свой сайт

Вставьте этот код в HTML-блок на своём сайте. Посетители смогут пользоваться калькулятором без перехода.

Прямая ссылка: https://calc-calc.ru/embed/calc_050008/

Предварительный просмотр