امتصاص الحرارة: الصيغ وكيفية حسابها وحل التمارين - جسدي - بدني - 2026

تُعرَّف الحرارة الممتصة بأنها نقل الطاقة بين جسمين عند درجات حرارة مختلفة. الشخص ذو درجة الحرارة المنخفضة يمتص حرارة الشخص ذو درجة الحرارة الأعلى. عندما يحدث هذا ، تزداد الطاقة الحرارية للمادة التي تمتص الحرارة ، وتهتز الجسيمات التي تتكون منها بسرعة أكبر ، مما يرفع طاقتها الحركية.

هذا يمكن أن يؤدي إلى زيادة في درجة الحرارة أو تغيير في الحالة. على سبيل المثال ، انتقل من الحالة الصلبة إلى السائلة ، مثل الثلج عندما يذوب عند ملامسته للماء أو الصودا في درجة حرارة الغرفة.

تمتص الملعقة المعدنية الحرارة من القهوة الساخنة. المصدر: Pixabay.

بفضل الحرارة ، من الممكن أيضًا للأشياء تغيير أبعادها. التمدد الحراري هو مثال جيد على هذه الظاهرة. عندما يتم تسخين معظم المواد ، فإنها تميل إلى الزيادة في الحجم.

استثناء لهذا هو الماء. تزيد نفس كمية الماء السائل من حجمه عندما يبرد أقل من 4 درجات مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للتغيرات في درجة الحرارة أن تشهد أيضًا تغيرات في كثافتها ، وهو أمر يمكن ملاحظته أيضًا في حالة الماء.

ما تتكون منه والصيغ

في حالة الطاقة العابرة ، فإن وحدات الحرارة الممتصة هي جول. ومع ذلك ، لفترة طويلة كان للحرارة وحداتها الخاصة: السعرات الحرارية.

حتى اليوم ، تُستخدم هذه الوحدة لقياس محتوى الطاقة في الطعام ، على الرغم من أن سعرًا حراريًا واحدًا في الواقع يتوافق مع كيلو كالوري واحد من الحرارة.

سعرات حراريه

السعرات الحرارية ، والمختصرة بالجير ، هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية.

في القرن التاسع عشر ، أجرى السير جيمس بريسكوت جول (1818 - 1889) تجربة شهيرة تمكن من خلالها من تحويل العمل الميكانيكي إلى حرارة ، وحصل على التكافؤ التالي:

في الوحدات البريطانية ، تسمى وحدة الحرارة Btu (وحدة حرارية بريطانية) ، والتي تُعرّف على أنها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء بمقدار 1 درجة فهرنهايت.

التكافؤ بين الوحدات هو كما يلي:

مشكلة هذه الوحدات القديمة هي أن كمية الحرارة تعتمد على درجة الحرارة. أي أن المطلوب للانتقال من 70 درجة مئوية إلى 75 درجة مئوية ليس هو نفسه المطلوب لتسخين الماء من 9 درجات مئوية إلى 10 درجات مئوية ، على سبيل المثال.

هذا هو السبب في أن التعريف يفكر في نطاقات محددة جيدًا: من 14.5 إلى 15.5 درجة مئوية ومن 63 إلى 64 درجة فهرنهايت للسعرات الحرارية و Btu على التوالي.

على ماذا تعتمد كمية الحرارة الممتصة؟

تعتمد كمية الحرارة الممتصة التي تلتقطها المادة على عدة عوامل:

- كتلة. كلما زادت الكتلة ، زادت الحرارة التي يمكن أن تمتصها.

- خصائص المادة. هناك مواد قادرة ، حسب تركيبها الجزيئي أو الذري ، على امتصاص حرارة أكثر من غيرها.

- درجة الحرارة. إضافة المزيد من الحرارة مطلوب للحصول على درجة حرارة أعلى.

كمية الحرارة ، المشار إليها Q ، تتناسب مع العوامل الموصوفة. لذلك ، يمكن كتابتها على النحو التالي:

حيث m كتلة الجسم ، c هو ثابت يسمى الحرارة النوعية ، خاصية جوهرية للمادة ، و Δ T هو التغير في درجة الحرارة الذي يتحقق بامتصاص الحرارة.

هذا الاختلاف له علامة إيجابية ، لأنه عند امتصاص الحرارة ، من المتوقع أن T _f > T _o. يحدث هذا ما لم تخضع المادة لتغير في الطور ، مثل انتقال الماء من سائل إلى بخار. عندما يغلي الماء ، تظل درجة حرارته ثابتة عند حوالي 100 درجة مئوية ، مهما كانت سرعة الغليان.

كيف تحسبها؟

عن طريق وضع جسمين في درجات حرارة مختلفة على اتصال ، بعد فترة يصل كلاهما إلى التوازن الحراري. ثم تتساوى درجات الحرارة ويتوقف انتقال الحرارة. يحدث الشيء نفسه إذا تلامس أكثر من جسمين. بعد فترة زمنية معينة ، سيكونون جميعًا في نفس درجة الحرارة.

إذا افترضنا أن الأجسام المتلامسة تشكل نظامًا مغلقًا لا يمكن للحرارة الهروب منه ، فإن مبدأ الحفاظ على الطاقة ينطبق ، لذلك يمكن النص على ما يلي:

س _ممتص = - س _أسفر

يمثل هذا توازنًا للطاقة ، مماثلًا لدخل الشخص ونفقاته. لهذا السبب ، فإن الحرارة المنقولة لها علامة سالبة ، لأن درجة الحرارة النهائية للكائن الناتج تكون أقل من الدرجة الأولى. هكذا:

يتم استخدام المعادلة Q _{الممتصة} = - Q _{الناتجة} عندما يكون جسمان على اتصال.

توازن الطاقة

لإجراء توازن الطاقة ، من الضروري التمييز بين الأشياء التي تمتص الحرارة وتلك التي تنتج ، ثم:

Σ س _ك = 0

أي أن مجموع مكاسب وخسائر الطاقة في نظام مغلق يجب أن يساوي 0.

الحرارة النوعية للمادة

لحساب كمية الحرارة الممتصة ، من الضروري معرفة الحرارة النوعية لكل مادة مشاركة. هذه هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من المادة بمقدار 1 درجة مئوية. وحداته في النظام الدولي هي: جول / كغم. ك.

توجد جداول بالحرارة النوعية للعديد من المواد ، تُحسب عمومًا باستخدام مقياس المسعر أو أدوات مشابهة.

مثال على كيفية حساب الحرارة النوعية للمادة

يلزم 250 سعرة حرارية لرفع درجة حرارة الحلقة المعدنية من 20 إلى 30 درجة مئوية. إذا كانت كتلة الخاتم 90 جم. ما هي الحرارة النوعية للمعدن بوحدات النظام الدولي؟

المحلول

يتم تحويل الوحدات أولاً:

س = 250 سعر حراري = 1046.5 جول

م = 90 جم = 90 × 10 ^-3 كجم

تمرين حل

يحتوي كوب الألمنيوم على 225 جرام من الماء ومحرك نحاسي بسعة 40 جرام ، وكل ذلك عند 27 درجة مئوية. توضع عينة من الفضة تبلغ 400 جم عند درجة حرارة أولية 87 درجة مئوية في الماء.

يستخدم المحرك لتقليب الخليط حتى يصل إلى درجة حرارة توازنه النهائية البالغة 32 درجة مئوية. احسب كتلة كأس الألمنيوم ، مع الأخذ في الاعتبار عدم وجود أي فقد حراري للبيئة.

رسم تخطيطي لمسعر. المصدر: Solidswiki.

مقاربة

كما ذكر أعلاه ، من المهم التمييز بين الأشياء التي تنبعث منها الحرارة وتلك التي تمتص:

- كوب الألمنيوم والمحرك النحاسي والماء تمتص الحرارة.

- عينة الفضة تنتج حرارة.

البيانات

يتم توفير درجات الحرارة المحددة لكل مادة:

يتم حساب الحرارة الممتصة أو المنقولة بواسطة كل مادة باستخدام المعادلة:

المحلول

فضة

_عائد Q = 400 × 10 ^-3. 234 × (32-87) ج = -5148 جول

محرك نحاس

س _ممتص = 40 × 10 ^-3. 387 × (32-27) ج = 77.4 جول

ماء

س _ممتص = 225 × 10 ^-3. 4186 × (32-27) ج = 4709.25 جول

كوب المنيوم

س _ممتص = م _{الألومنيوم}. 900 × (32 - 27) ي = 4500 م _{ألومنيوم}

استخدام:

Σ س _ك = 0

77.4 + 4709.25 + 4500. م _{ألومنيوم} = - (-5148)

أخيرًا يتم إزالة كتلة الألمنيوم:

م _{الألومنيوم} = 0.0803 كجم = 80.3 جم

المراجع

1. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. 6 ^عشر. إد برنتيس هول. 400 - 410.
2. كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. 6 ^t اختصار التحرير. سينجاج ليرنينج. 156-164.
3. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون. 309-332.
4. سيرز ، زيمانسكي. 2016. الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. الرابع ^عشر. المجلد 1. 556-553.
5. Serway، R.، Vulle، C. 2011. أساسيات الفيزياء. 9 ^غ Cengage التعلم. 362 - 374