- ما هي الحرارة النوعية؟
- كيف يتم حساب الحرارة النوعية؟
- الماء كمرجع
- توازن حراري
- التطور الرياضي
- مثال على الحساب
- أمثلة
- ماء
- جليد
- الألومنيوم
- حديد
- هواء
- فضة
- المراجع
و حرارة محددة هي كمية الطاقة التي سيتم استيعابها غرام واحد من مادة لزيادة درجة حرارته بواسطة مئوية درجة واحدة. إنها خاصية فيزيائية مكثفة ، لأنها لا تعتمد على الكتلة حيث يتم التعبير عنها فقط لجرام واحد من المادة ؛ ومع ذلك ، فهو مرتبط بعدد الجسيمات وكتلتها المولية ، وكذلك القوى الجزيئية التي تربطها.
يتم التعبير عن كمية الطاقة التي تمتصها المادة بوحدات الجول (J) ، وبشكل أقل شيوعًا بالسعرات الحرارية (كال). بشكل عام ، من المفترض أن يتم امتصاص الطاقة من خلال الحرارة ؛ ومع ذلك ، يمكن أن تأتي الطاقة من مصدر آخر ، مثل العمل على المادة (التحريك الصارم ، على سبيل المثال).
ماء مغلي. المصدر: Pixabay
تُظهر الصورة أعلاه غلاية تنطلق منها أبخرة الماء الناتجة عن تسخينها. لتسخين الماء ، يجب أن تمتص الحرارة من اللهب الموجود أسفل الغلاية. وهكذا ، مع مرور الوقت ، واعتمادًا على شدة الحريق ، سيغلي الماء عندما يصل إلى نقطة الغليان.
تحدد الحرارة النوعية مقدار الطاقة التي يستهلكها الماء لكل درجة مئوية تزيد درجة حرارته. هذه القيمة ثابتة إذا تم تسخين كميات مختلفة من الماء في نفس الغلاية ، حيث إنها خاصية مكثفة كما قيل في البداية.
ما يختلف هو الكمية الإجمالية للطاقة التي تمتصها كل كتلة من الماء الساخن ، والمعروف أيضًا بالسعة الحرارية. كلما زادت كتلة الماء المراد تسخينه (2 ، 4 ، 10 ، 20 لترًا) ، زادت سعته الحرارية ؛ لكن حرارته النوعية تبقى كما هي.
تعتمد هذه الخاصية على الضغط ودرجة الحرارة والحجم ؛ ومع ذلك ، من أجل الفهم البسيط ، تم حذف الاختلافات المقابلة.
ما هي الحرارة النوعية؟
تم تعريف معنى الحرارة النوعية لمادة معينة. ومع ذلك ، يتم التعبير عن معناه الحقيقي بشكل أفضل من خلال صيغته ، مما يوضح من خلال وحداته ما هي الموافقات التي يتضمنها عند تحليل المتغيرات التي يعتمد عليها. صيغته هي:
م = س / ΔT م
حيث Q هي الحرارة الممتصة ، ΔT التغير في درجة الحرارة ، و m هي كتلة المادة ؛ أنه وفقًا للتعريف يتوافق مع الجرام. نقوم بتحليل وحداتها لدينا:
Ce = J / C · g
والتي يمكن التعبير عنها أيضًا بالطرق التالية:
م = كج / ك ز
Ce = J / ºC · Kg
أولها هو الأبسط ، وهو الذي سيتم من خلاله تناول الأمثلة في الأقسام التالية.
تشير الصيغة صراحة إلى كمية الطاقة التي يمتصها جرام واحد من المادة (J) في درجة واحدة C. إذا أردنا التخلص من هذه الكمية من الطاقة ، فسيتعين علينا ترك المعادلة J جانبًا:
J = Ce · C · g
الذي يتم التعبير عنه بطريقة أكثر ملاءمة ووفقًا للمتغيرات سيكون:
س = م ΔT م
كيف يتم حساب الحرارة النوعية؟
الماء كمرجع
في الصيغة أعلاه ، لا تمثل 'm' جرامًا من المادة ، لأنها موجودة بالفعل ضمنيًا في Ce. هذه الصيغة مفيدة جدًا لحساب درجات الحرارة المحددة للمواد المختلفة من خلال قياس المسعرات.
كيف؟ استخدام تعريف السعرات الحرارية ، وهو مقدار الطاقة اللازمة لتسخين جرام من الماء من 14.5 إلى 15.5 درجة مئوية ؛ هذا يساوي 4،184 ج.
الحرارة النوعية للماء مرتفعة بشكل غير طبيعي ، وتستخدم هذه الخاصية لقياس درجات الحرارة النوعية للمواد الأخرى مع العلم بقيمة 4.184 ج.
ماذا يعني أن تكون حرارة معينة عالية؟ أنها توفر مقاومة كبيرة لزيادة درجة حرارتها ، لذلك يجب أن تمتص المزيد من الطاقة ؛ أي أن الماء يحتاج إلى التسخين لفترة أطول بكثير مقارنة بالمواد الأخرى ، والتي تسخن على الفور تقريبًا بالقرب من مصدر الحرارة.
لهذا السبب ، يتم استخدام الماء في قياسات المسعرات ، لأنه لا يتعرض لتغيرات مفاجئة في درجة الحرارة عند امتصاص الطاقة المنبعثة من التفاعلات الكيميائية ؛ أو ، في هذه الحالة ، من ملامسة مادة أخرى أكثر سخونة.
توازن حراري
نظرًا لأن الماء يحتاج إلى امتصاص الكثير من الحرارة لزيادة درجة حرارته ، فقد تأتي الحرارة من معدن ساخن ، على سبيل المثال. مع الأخذ في الاعتبار كتل الماء والمعدن ، سيحدث تبادل حراري بينهما حتى يتم الوصول إلى ما يسمى بالتوازن الحراري.
عندما يحدث هذا ، تتساوى درجات حرارة الماء والمعدن. الحرارة المنبعثة من المعدن الساخن تساوي الحرارة التي يمتصها الماء.
التطور الرياضي
مع العلم بهذا ، ومع الصيغة الأخيرة لـ Q التي وصفناها للتو ، لدينا:
Q المياه = معدن -Q
تشير العلامة السلبية إلى إطلاق الحرارة من الجسم الأكثر دفئًا (المعدن) إلى الجسم الأكثر برودة (الماء). لكل مادة حرارة خاصة بها وكتلتها ، لذلك يجب تطوير هذا التعبير على النحو التالي:
Q المياه = سي المياه · ΔT المياه · م الماء = - (م المعادن · ΔT المعادن · م المعادن)
المجهول هو Ce Metal ، لأنه في التوازن الحراري تكون درجة الحرارة النهائية لكل من الماء والمعدن هي نفسها ؛ بالإضافة إلى ذلك ، تُعرف درجات الحرارة الأولية للماء والمعدن قبل التلامس ، وكذلك كتلتهما. لذلك ، يجب مسح Ce Metal:
معدن Ce = (ماء Ce · T ماء · m ماء) / (-T معدن · m معدن)
دون أن ننسى أن Ce Water يبلغ 4.184 جول / مْك · ز. إذا تم تطوير ΔT Water و ΔT Metal ، فسنحصل على (T f - T Water) و (T f - T Metal) ، على التوالي. يسخن الماء ، بينما يبرد المعدن ، ولهذا السبب تتضاعف العلامة السالبة ΔT Metal ، تاركة (T Metal - T f). خلاف ذلك ، فإن ΔT Metal سيكون لها قيمة سالبة لأنها T f أصغر (أبرد) من T Metal.
ثم يتم التعبير عن المعادلة أخيرًا بهذه الطريقة:
معدن Ce = ماء Ce · (T f - T ماء) · m ماء / (T معدن - T f) · m معدن
ومعها يتم حساب درجات الحرارة المحددة.
مثال على الحساب
هناك كرة من معدن غريب تزن 130 جرام ، ودرجة حرارتها 90 درجة مئوية. يتم غمر هذا في وعاء 100 جرام من الماء عند 25 درجة مئوية ، داخل جهاز قياس السعرات الحرارية. عند الوصول إلى التوازن الحراري ، تصبح درجة حرارة الحاوية 40 درجة مئوية. احسب سقف المعدن.
درجة الحرارة النهائية ، T f ، هي 40 درجة مئوية. معرفة البيانات الأخرى ، يمكن بعد ذلك تحديد Ce مباشرة:
معدن Ce = (4،184 J / ºC · g · (40-25) ºC · 100 جم) / (90-40) C · 130 جم
معدن Ce = 0.965 J / C · g
لاحظ أن الحرارة النوعية للماء تبلغ حوالي أربعة أضعاف حرارة المعدن (4.184 / 0.965).
عندما يكون Ce صغيرًا جدًا ، كلما زاد ميله إلى التسخين ؛ والتي ترتبط بالتوصيل الحراري والانتشار. يميل المعدن الذي يحتوي على Ce أعلى إلى إطلاق أو فقد المزيد من الحرارة ، عندما يتلامس مع مادة أخرى ، مقارنة بمعدن آخر ذي Ce منخفض.
أمثلة
درجات الحرارة المحددة للمواد المختلفة موضحة أدناه.
ماء
الحرارة النوعية للماء ، كما هو مذكور ، هي 4.184 J / ° C · g.
بفضل هذه القيمة ، يمكن أن تحصل على الكثير من أشعة الشمس في المحيط ولن يتبخر الماء بدرجة ملحوظة. ينتج عن هذا اختلاف حراري لا يؤثر على الحياة البحرية. على سبيل المثال ، عندما تذهب إلى الشاطئ للسباحة ، حتى لو كان الجو مشمسًا جدًا بالخارج ، تشعر المياه بدرجة حرارة أقل وبرودة.
يحتاج الماء الساخن أيضًا إلى إطلاق الكثير من الطاقة لتبريد نفسه. في هذه العملية ، تقوم بتسخين الكتل الهوائية المتداولة ، مما يرفع درجات الحرارة (المعتدلة) إلى حد ما في المناطق الساحلية خلال فصل الشتاء.
مثال آخر مثير للاهتمام هو أنه إذا لم نتكون من الماء ، فقد يكون قضاء يوم في الشمس قاتلاً ، لأن درجات حرارة أجسامنا سترتفع بسرعة.
هذه القيمة الفريدة لـ Ce ترجع إلى روابط الهيدروجين بين الجزيئات. تمتص هذه الحرارة لتتحلل ، لذلك تخزن الطاقة. حتى يتم كسرها ، لن تتمكن جزيئات الماء من الاهتزاز مما يزيد من متوسط الطاقة الحركية ، وهو ما ينعكس في زيادة درجة الحرارة.
جليد
الحرارة النوعية للجليد هي 2090 جول / ميكروغرام. مثل الماء ، له قيمة عالية بشكل غير عادي. هذا يعني أن جبلًا جليديًا ، على سبيل المثال ، سيحتاج إلى امتصاص كمية هائلة من الحرارة لزيادة درجة حرارته. ومع ذلك ، فإن بعض الجبال الجليدية اليوم قد امتصت حتى الحرارة اللازمة للذوبان (الحرارة الكامنة للانصهار).
الألومنيوم
الحرارة النوعية للألمنيوم هي 0.900 J / C · g. إنه أقل قليلاً من المعدن الموجود في الكرة (0.965 جول / درجة مئوية · ز). هنا يتم امتصاص الحرارة لتهتز الذرات المعدنية للألمنيوم في هياكلها البلورية ، وليس الجزيئات الفردية التي ترتبط ببعضها البعض بواسطة قوى بين الجزيئات.
حديد
الحرارة النوعية للحديد هي 0.444 J / C · g. كونها أقل من الألومنيوم ، فهذا يعني أنها توفر مقاومة أقل عند تسخينها ؛ أي ، قبل النار ، ستتحول قطعة من الحديد إلى اللون الأحمر في وقت أبكر بكثير من قطعة الألمنيوم.
الألمنيوم أكثر مقاومة للتسخين ، ويحافظ على الطعام ساخنًا لفترة أطول عند استخدام رقائق الألومنيوم الشهيرة لتغليف الوجبات الخفيفة.
هواء
تبلغ الحرارة النوعية للهواء تقريبًا 1.003 J / C · g. هذه القيمة تخضع بشدة للضغوط ودرجات الحرارة لأنها تتكون من خليط غازي. هنا يتم امتصاص الحرارة لتهتز جزيئات النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون والأرجون وما إلى ذلك.
فضة
أخيرًا ، الحرارة النوعية للفضة هي 0.234 J / C · g. من بين جميع المواد المذكورة ، فإن لها أقل قيمة Ce وهذا يعني أنه عند مواجهة الحديد والألمنيوم ، فإن قطعة من الفضة ستسخن أكثر بكثير في نفس الوقت من المعدنين الآخرين. في الواقع ، يتناغم مع الموصلية الحرارية العالية.
المراجع
- سيرواي وجويت. (2008). الفيزياء: للعلوم والهندسة. (الإصدار السابع) ، المجلد 1 ، Cengage Learning.
- ويتن ، ديفيس ، بيك ، ستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
- هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (5 نوفمبر 2018). السعة الحرارية النوعية في الكيمياء. تم الاسترجاع من: thinkco.com
- إريك دبليو وايسشتاين. (2007). حرارة نوعية. تم الاسترجاع من: scienceworld.wolfram.com
- R السفينة. (2016). حرارة نوعية. جامعة ولاية جورجيا. تم الاسترجاع من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- ويكيبيديا. (2019). حرارة نوعية. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org