تعريف الحرارة النوعية

إيفلين مايتي مارين
مهندس صناعي ، ماجستير في الفيزياء ، و EdD

يتم تعريف الحرارة النوعية (ج) على أنها كمية الطاقة المطلوبة وفقًا لزيادة درجة حرارة وحدة كتلة من المادة في وحدة درجة حرارة. يُعرف أيضًا باسم السعة الحرارية أو السعة الحرارية المحددة.

إنها كمية فيزيائية تعتمد على حالة المادة ، لأن الحرارة النوعية لمادة في الحالة السائلة ليست هي نفسها حرارة المادة نفسها في الحالة الغازية. وبالمثل ، فإن ظروف الضغط ودرجة الحرارة التي توجد فيها المادة تؤثر على درجة حرارتها النوعية. في الأساس ، إنها خاصية مكثفة للمادة التي تشير إلى السعة الحرارية لـ المادة ، لأنها توفر قيمة للحساسية الحرارية لمادة لإضافة طاقة.

هل كنت تعلم…؟ نشأ مصطلح الحرارة النوعية في الوقت الذي تطورت فيه فروع الفيزياء الميكانيكية والديناميكا الحرارية بشكل شبه مستقل. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، فإن المصطلح الأكثر ملاءمة للحرارة المحددة هو نقل الطاقة المحدد.

إذا تم سكب القهوة الساخنة في نفس درجة الحرارة في كأسين: أحدهما مصنوع من الستايروفوم (أنيمي) والآخر مصنوع من الألمنيوم وكلا الكوبين ممسوكين في اليدين ، فسيتم إدراك أن كأس الزجاج يشعر الألمنيوم بأنه أكثر سخونة من الستايروفوم ، مما يعني أنه يجب إضافة المزيد من الحرارة إلى كوب الستايروفوم حتى ترتفع درجة حرارته مثل تلك الموجودة في كوب الستايروفوم. الألومنيوم.

صيغة حرارة محددة

إذا كانت Q هي كمية الطاقة المتبادلة بين مادة كتلتها m ومحيطها ، مما يتسبب في اختلاف درجة الحرارة ΔT (Tf - Ti) ، فلدينا:

\ (c = \ frac {Q} {{m.ΔT}} \)

أين ج هي الحرارة النوعية.

من هذا التعبير يمكن استنتاج أن الوحدات الحرارية المحددة ستكون:

• في النظام الدولي الحرارة النوعية c = (J / kg. ك)
• في نظام اللغة الإنجليزية ، c = (BTU / lb-m.ºF)
• في الأنظمة الأخرى ، من الشائع أيضًا التعبير عن c = (Cal / g.ºC)

من ناحية أخرى ، يمكن أيضًا ملاحظة أنه كلما زادت الحرارة النوعية لمادة ما ، انخفض تباين درجة حرارتها لكمية معينة من الطاقة المزودة. لهذا السبب ، إذا كنت تريد مادة تسخن بسهولة ، فعليك اختيار مادة ذات حرارة منخفضة معينة.

ملحوظة: من المهم توضيح أن الحرارة النوعية تشير إلى كمية الطاقة زيادة درجة الحرارة ، والحرارة هي شكل معين من أشكال نقل الطاقة ، ولكن ليس فقط. على سبيل المثال ، يمكنك زيادة درجة حرارة مادة ما عن طريق القيام بعمل ميكانيكي عليها.

أمثلة للحرارة النوعية في المواد

في ظل ظروف المختبر الخاضعة للرقابة ، كان من الممكن تحديد الحرارة النوعية لمجموعة متنوعة من المواد ، مما يسمح بإجراء مقارنات واختيار المواد وفقًا للتطبيق خاص. الجدول التالي عبارة عن عينة من درجات الحرارة النوعية لبعض المواد (عند الضغط الجوي و 25 درجة مئوية):
المادة ج (J / كجم. ك) ج (كال / ز. º ج)
الماء (15 درجة مئوية) 4186 1
الكحول الإيثيلي 2438 0.582
رمل 780 0.186
نحاس 385 0.091
ثلج (-10 درجة مئوية) 2220 0.530
أكسجين 918 0.219
بيروكسيد الهيدروجين 2619 0.625
زجاج 792 0.189
ألومنيوم 897 0.214
خشب 170 0.406
زيت الزيتون 1675 0.400
طوب حراري 879 0.210

ملحوظة: كما يمكن أن نرى ، فإن الماء هو أحد المواد ذات أعلى درجات الحرارة النوعية ، مما يؤكد أهمية هذا السائل في تنظيم درجة حرارة كوكبنا.

مثال 1: ما مقدار الطاقة التي يجب نقلها إلى كتلة 2 كجم من الماء لزيادة درجة حرارتها من 15 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية؟

حل: من الجدول السابق يمكن الحصول على أن الحرارة النوعية للمياه النقية هي 1 كالوري / غرام C ، بحيث من هذه القيمة والبيانات المقدمة ، يمكن مسح الطاقة Q:

كمية الحرارة:

س = ج ∙ م ∙ ∆T

وهذا يعني أن هناك حاجة إلى 150000 سعر حراري لرفع درجة حرارة 2 كجم من الماء (2000 جم) من 15 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية.

مثال 2: ما هي درجة الحرارة النهائية لقضيب ألومنيوم 1 كجم يتم تسخينه في موقد بنسن من درجة حرارة 25 درجة مئوية مع استخدام 4000 جول من الطاقة؟

حل: من جدول درجات الحرارة النوعية يمكن أخذ قيمة هذا المتغير للألمنيوم حيث c = 897 J / kg. ك.

في حالة درجة الحرارة ، يتم تحويل 25 درجة مئوية إلى مقياس كلفن مطلق بإضافة 273.15 وحدة ، بحيث تكون درجة الحرارة الأولية للشريط هي 298.15 كلفن.

مسح درجة الحرارة النهائية من التعبير عن الحرارة النوعية لدينا:

\ ({T_f} = \ frac {Q} {{c \ cdot m}} + {T_i} = \ frac {{4000 \؛ J}} {{\ left ({897 \؛ J / kg \ cdot K} \ يمين) \ يسار ({1 \ ؛ كجم} \ يمين)}} + 298.15 \ ؛ ك = 302.61 \ ؛ ك \)

ستكون درجة الحرارة النهائية لقضيب الألومنيوم 302.61 كلفن أو 29.46 درجة مئوية.

ملاحظة: معرفة وتفسير الحرارة النوعية للمواد مفيدة للغاية عندما تريد اختيار أنسب مادة لاستخدام معين. على سبيل المثال ، في ميكانيكا السيارات ، العديد من المكونات التي تشكل آليات السيارة ، سيتعرض لدرجات حرارة عالية ، لذلك من المستحسن ألا تتعب المادة عند تسخينها يُسَهّل.