Calculus · real student question

กาแฟที่เพิ่งรินมีอุณหภูมิ 90 องศาเซลเซียส วางไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส หลังผ่านไป 10 นาที กาแฟเย็นลงเหลือ 65 องศาเซลเซียส จงหาอุณหภูมิหลังผ่านไป 20 นาที และหาว่าใช้เวลานานเท่าใดจึงจะถึง 30 องศาเซลเซียส

Question

กาแฟที่เพิ่งรินถ้วยหนึ่งมีอุณหภูมิ 90C90^\circ\text{C} วางไว้บนโต๊ะในห้องที่มีอุณหภูมิ 20C20^\circ\text{C} หลังผ่านไป 1010 นาที กาแฟเย็นลงเหลือ 65C65^\circ\text{C}

  1. หลังผ่านไป 2020 นาที กาแฟจะมีอุณหภูมิเท่าใด
  2. กาแฟจะใช้เวลานานเท่าใดจึงจะเย็นลงถึง 30C30^\circ\text{C}

Step-by-step solution

  1. ตั้งสมการเชิงอนุพันธ์ กฎการเย็นตัวของนิวตันบอกว่าอัตราการเย็นตัวเป็นสัดส่วนกับระยะที่วัตถุร้อนกว่าสิ่งแวดล้อม ไม่ใช่สัดส่วนกับอุณหภูมิของมันเอง

    dTdt=k(TTa),Ta=20C\frac{dT}{dt}=-k\,(T-T_a),\qquad T_a=20^\circ\text{C}

    แยกตัวแปรแล้วอินทิเกรตได้ผลเฉลยมาตรฐาน

    T(t)=Ta+(T0Ta)ekt=20+70ektT(t)=T_a+(T_0-T_a)e^{-kt}=20+70e^{-kt}

    เพราะ T0Ta=9020=70T_0-T_a=90-20=70

  2. ใช้ค่าที่วัดได้ที่นาทีที่ 10 หาค่า kk นี่คือตัวไม่รู้ค่าตัวเดียวในแบบจำลอง และข้อมูลจุดเดียวก็ตรึงมันไว้ได้

    65=20+70e10k    e10k=4570=91465=20+70e^{-10k}\;\Longrightarrow\;e^{-10k}=\frac{45}{70}=\frac{9}{14}

    k=110ln914=110ln1490.04418 min1k=-\frac{1}{10}\ln\frac{9}{14}=\frac{1}{10}\ln\frac{14}{9}\approx0.04418\ \text{min}^{-1}

  3. หาอุณหภูมิที่นาทีที่ 20 โดยไม่ต้องใช้ค่าทศนิยมของ kk เลย เนื่องจาก 20=2×1020=2\times10 ตัวเลขชี้กำลังจึงแค่ยกกำลังสอง

    e20k=(e10k)2=(914)2=81196e^{-20k}=\left(e^{-10k}\right)^{2}=\left(\frac{9}{14}\right)^{2}=\frac{81}{196}

    T(20)=20+7081196=20+40514=20+28.93=48.93CT(20)=20+70\cdot\frac{81}{196}=20+\frac{405}{14}=20+28.93=48.93^\circ\text{C}

    การเก็บเศษส่วนที่แน่นอนไว้ช่วยเลี่ยงความคลาดเคลื่อนสะสมจากการปัดเศษที่เกิดจาก 70e0.0442×2070e^{-0.0442\times20}

  4. แก้หาเวลาที่ใช้เย็นลงถึง 30C30^\circ\text{C} ให้ T(t)=30T(t)=30

    30=20+70ekt    ekt=1070=17    kt=ln730=20+70e^{-kt}\;\Longrightarrow\;e^{-kt}=\frac{10}{70}=\frac{1}{7}\;\Longrightarrow\;kt=\ln 7

    t=ln7k=10ln7ln(14/9)=19.4590.4418344.0 นาทีt=\frac{\ln 7}{k}=\frac{10\ln 7}{\ln(14/9)}=\frac{19.459}{0.44183}\approx44.0\ \text{นาที}

  5. ตรวจคำตอบทั้งสองเทียบกันเอง กาแฟเสียอุณหภูมิ 2525^\circ ใน 10 นาทีแรก แต่เสียเพียงราว 1616^\circ ใน 10 นาทีถัดมา (6548.965\to48.9) การที่การสูญเสียลดลงเรื่อย ๆ คือสิ่งที่การเข้าสู่อุณหภูมิห้องแบบเลขชี้กำลังทำนายไว้พอดี และ 30C30^\circ\text{C} สูงกว่าอุณหภูมิห้องเพียง 1010^\circ จึงควรต้องใช้เวลาหางยาว ๆ กว่าจะไปถึง ค่า 4444 นาทีจึงสอดคล้องกัน อนึ่ง กาแฟจะไม่มีวันเย็นถึง 20C20^\circ\text{C} ในเวลาจำกัด เพราะ ekt>0e^{-kt}>0 สำหรับทุก tt

Answer

T(20)=20+70(914)248.9C,t=10ln7ln(14/9)44 นาทีT(20)=20+70\left(\tfrac{9}{14}\right)^{2}\approx48.9^\circ\text{C},\qquad t=\frac{10\ln 7}{\ln(14/9)}\approx44\ \text{นาที}

Need to solve a different problem like this? Open the solver →