الحرارة النوعية هي مقدار الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة من مادة بمقدار درجة واحدة ضمن شروط محددة. كلما كبرت قيمتها احتجنا إلى طاقة أكبر للتغير نفسه في درجة الحرارة، عند تساوي الكتلة. وهي تختلف عن السعة الحرارية التي تصف الجسم كله وتعتمد على كتلته. [1]
ما الذي يقيسه القانون؟
عندما لا تتغير حالة المادة، ويمكن تقريب حرارتها النوعية بقيمة ثابتة، نستخدم Q = mcΔT. Q هي كمية الطاقة المنتقلة، وm الكتلة، وc الحرارة النوعية، وΔT = T₂ − T₁ تغير درجة الحرارة. [1]
إذا استخدمنا الكتلة بالكيلوغرام والطاقة بالجول، تكون وحدةc J/(kg·K). وفرق 1 كلفن يساوي فرق 1 درجة مئوية؛ لذلك يمكن استخدام فروق السيليزية في هذه العلاقة دون إضافة 273.15 إليها. [1] [2]
الحرارة نفسها ليست درجة حرارة. Q تصف انتقال طاقة، أماΔT فتصف مقدار التغير في القراءة الحرارية.
مثال: الكمية نفسها من الطاقة لكتلتين من الماء
سنقرب حرارة الماء النوعية بالقيمة c = 4186 J/(kg·K) التي يعرضها المرجع لقيمة نموذجية قرب 15°م. نفترض أن 2093 جولًا انتقلت إلى الماء وحده، دون فقد أو تغير حالة أو تسخين وعاء. [1]
لكتلة 0.25 كغ: ΔT = 2093/(0.25 × 4186) = 2 K. ولكتلة 0.50 كغ: ΔT = 2093/(0.50 × 4186) = 1 K. الماء من النوع نفسه والطاقة نفسها، لكن الكتلة المضاعفة تقلل الزيادة الحرارية إلى النصف.
إذا بدأ الحسابان عند 15°م تقريبًا، ينتهي الأول قرب 17°م والثاني قرب 16°م. الأرقام تقريبية ضمن فرض ثباتc، ولا ندعي أنها قياس لوعاءين حقيقيين.
الفرق عن السعة الحرارية
لجسم متجانس في نموذج ثابتc، السعة الحرارية C = mc، ووحدتها جول لكل كلفن. وتعبر عن الطاقة اللازمة لزيادة حرارة الجسم كله درجة واحدة؛ أماc فتنسبها إلى وحدة الكتلة. [1] [2]
| الكمية | ما الذي تصفه؟ | الوحدة |
|---|---|---|
| c: الحرارة النوعية | المادة لكل وحدة كتلة | J/(kg·K) |
| C: السعة الحرارية | الجسم كله | J/K |
في المثال، سعة 0.25 كغ من الماء 1046.5 جول/كلفن، وسعة 0.50 كغ 2093 جول/كلفن. كبر الجسم الثاني لا يجعل مادة الماء ذات حرارة نوعية مختلفة ضمن الشروط نفسها.
لماذا تحتاج المواد المختلفة إلى طاقات مختلفة؟
تعتمدc على المادة وحالتها، كما تتغير مع درجة الحرارة. لذا لا توجد قيمة واحدة لكل مادة في جميع حالات الصلب والسائل والغاز أو في كل مدى حراري. [1]
يمكن مقارنة مادتين بمثال افتراضي: إذا كانتc للأولى 500 وللثانية 1000 جول/(كغ·كلفن)، وكانت كتلة كل منهما 1 كغ، فإن زيادة الحرارة 10 درجات تتطلب 5000 جول للأولى و 10000 للثانية. هذه قيم مفترضة للشرح ولا ننسبها إلى عنصر محدد.
متى لا يكفيQ=mcΔT وحده؟
عند الانصهار أو الغليان يمكن انتقال طاقة مع تغير الحالة دون ارتفاع درجة الحرارة خلال التحول تحت ضغط ثابت؛ لذلك يلزم حساب طاقة تغير الحالة على حدة. كما قد يشارك الوعاء في امتصاص الحرارة أو يحدث فاقد للوسط، فلا تصل كل طاقة المصدر إلى العينة.
ابدأ أي مسألة بتحديد النظام: هل المطلوب الماء وحده أم الماء والوعاء معًا؟ ثم حدد هل يوجد تغير حالة وما قيمةc المناسبة، وبعدها اختر المعادلة والتعويض.
المصادر ومتابعة القراءة
- OpenStax: الحرارة النوعية وتغير درجة الحرارة وحدود قيمةالمادة (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
- NIST: الكلفن وفروق درجة الحرارة والسعة الحرارية (يفتح في نافذة جديدة)nist.gov
أُعدّ هذا المقال بصياغة عربية أصلية بالاستناد إلى المصادر أعلاه، وهو مدخل تمهيدي إلى الموضوع. اقرأ منهجية المحتوى وحدوده.