Увсех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, — это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). в случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. однако при изучении явления фотоэффекта — выбивания светом электронов из металла — обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, — но только если частота превышает некоторый порог. оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна e = hν, где h = 4·10–15 эв·с = 6·10–34 дж·с — постоянная планка, еще одна величина, определяющая свойства нашего мира. с отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. давний спор о природе света — волны это или поток частиц — разрешился в пользу своеобразного синтеза. одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие — представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя — максом планком и альбертом эйнштейном. энергию квантов в принято выражать в электрон-вольтах. это внесистемная единица измерения энергии. один электрон-вольт (1 эв) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. это небольшая величина, в единицах системы си 1 эв = 1,6·10–19 дж. но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина.от энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс. немного забегая вперед, примеры. энергии свч-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды. энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах. этим определяется, например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. кванты видимого света имеют энергию 2–3 эв — этого достаточно для нарушения связей и провоцирования некоторых реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза. ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные связи, а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. это делает ультрафиолет опасным для жизни. рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.
N - мощность горелки,
t - искомое время,
Q - затраченное количество теплоты.
Разберемся поэтапно с Q.
На что наша горелка будет затрачивать энергию?
- плавление льда: λ m(л)
- нагрев образовавшейся воды до температуры кипения от начальной - нуля: c m(л) (100 - 0) = 100 c m(л)
- нагрев воды, которая уже находилась в сосуде: c m(в) (100 - 0) = 100 с m(в)
Таким образом, Q = λ m(л) + 100 c m(л) + 100 с m(в).
Запишем найденную формулу Q в формулу мощности:
N = ( λ m(л) + 100 c m(л) + 100 с m(в) ) / t,
откуда искомое время t:
t = ( λ m(л) + 100 c m(л) + 100 с m(в) ) / N.
Упростим выражение (выносим сотню и удельную теплоемкость воды за скобки):
t = ( λ m(л) + 100 c (m(л) + m(в)) ) / N,
t = ( 335*10^3 * 35*10^-2 + 10^2 * 42*10^2 * 9*10^-1) / 1,5*10^3,
t = (117250 + 378000) / 1,5*10^3,
t = (117,25 + 378) / 1,5 ≈ 330,16 c ≈ 5,5 мин