لسعة الحرارية والسعة الحرارية النوعيع
سنستخدم الآن تعبير كمية الحرارة للدلالة على مقدار الطاقة الحرارية التي يكتسبها الجسم، وللعلم يمكن تزويد الجسم بكميات من الحرارة من مصادر مختلفة فالمصدر المعتاد هو اللهب الناتج من النار او الحرارة المكتسبة من أشعة الشمس اضافة إلى الحرارة التي يكتسبها الجسم نتيجة الاحتكاك مثل احتكاك اطارات السيارة عند التوقف المفاجىء وحك اليدين بسرعة لتدفئتها، لذا سنطلق على كل هذه الصور المختلفة لمصادر الحرارة بكمية الحرارة heat quantity.
وجد بالتجربة العملية أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة المادة تختلف حسب طبيعة المادة، فعلى سبيل المثال كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1Kg من الماء درجة مئوية واحدة تساوي 4186J ولكن لرفع درجة حرارة 1Kg من النحاس درجة مئوية واحدة يلزم 387J. ولهذا فإننا نحتاج إلى تعريف كمية فيزيائية جديدة تأخذ في الحسبان طبيعة المادة المكتسبة او الفاقدة للحرارة وهذه الكمية هي السعة الحرارية heat capacity. وتعرف السعة الحرارية بأنها مقدار الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة المادة درجة مئوية واحدة.
ومن تعريف السعة الحرارية نستنتج أن كمية الحرارة التي تضاف للمادة تساوي التغير في درجات الحرارة مضروبة في السعة الحرارية.
ووحدة السعة الحرارية هي J/Co
من المؤكد بأن السعة الحرارية تتناسب طرديا مع كتلة المادة ولذلك سنقوم بتقسيم السعة الحرارية على الكتلة حتى نحصل على كمية فيزيائية جديدة لا تعتمد على الكتلة وهي السعة الحرارية النوعية specific heat capacity والتي تعتمد فقط على نوع
ووحدة السعة الحرارية النوعية J/kg.Co، فمثلا السعة الحرارية النوعية للماء تساوي 4186J/kg.Co وهذا يعني اننا نحتاج إلى 4186 جول من الطاقة تلزم لرفع واحد كيلو جرام من الماء درجة مئوية واحدة. ونلاحظ ان الماء هو اكثر العناصر سعة حرارية في الطبيعة وذلك لان اجسامنا تحتوي على 70% من الماء وهذا يجعل درجة حرارة الجسم ثابتة طوال اليوم والا ارتفعت درجة الحرارة في النهار وانخفضت في الليل، كما ان مياه المحيطات والبحار لا تتغير درجة حرارتهم بسرعة حفاظاً على الكائنات الحية التي فيها وهذا من حكمة الله عز وجل بأن يكون للماء اكبر سعة حرارية أي الاقل تأثراً بتغير درجات الحرارة.
نلاحظ أن الماء له اكبر سعة حرارية نوعية بحيث أنه يلزم 4186 جول لرفع درجة حرارة 1 كيلوجرام من الماء درجة مئوية واحدة بينما يلزم 900 جول من الحرارة للألمنيوم.
يمكننا الآن ان نعبر عن كمية الحرارة Q التي تنتقل إلى مادة كتلتها m وتتغير درجة حرارتها من درجة حرارة ابتدائية Ti إلى درجة حرارة نهائية Tf على النحو التالي:
من هذه المعادلة يتضح أنه عندما تكتسب المادة حرارة فإن كلا من كمية الحرارة والتغير في درجة الحرارة يكون موجباً، وعندما تفقد المادة حرارة فإن التغير في درجة الحرارة يكون بالسالب وتكون كمية الحرارة سالبة.
يعتبر هذا المثال بمثابة تجربة عملية لتعيين السعة الحرارية للمواد، وهنا قمنا بتسخين المعدن إلى درجة حرارة 200 درجة مئوية وأسقطت في كمية من الماء ذات كتلة محددة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ولتصبح درجة حرارة المعدن والماء 22.4 درجة مئوية. وبالتالي فإن الحرارة المفقودة بواسطة المعدن تساوي الحرارة المكتسبة بواسطة الماء
تكتسب الرصاصة طاقة حركة تتحول إلى حرارة عند اصطدامها بالجدار وبهذا يتضح أن الحرارة صورة من صور الطاقة.
وجدنا في الموضوع السابق أنه عند التسخين أي تزويد المادة بحرارة فإن القانون السابق Q = m c DT يشير إلى أن هناك تغير موجب في درجة الحرارة أذا اكتسب الجسم حرارة أو تغير سالب إذا فقد الجسم حرارة، أي انه دائما يكون هناك تغيير في درجة الحرارة مع الانتقال الحراري ولكن هذا ليس صحيحاً في جميع الحالات حيث أن درجة الحرارة تثبت عندما تتحول حالة المادة من صورة إلى أخرى مثل الماء إلى بخار الماء حيث تثبت درجة الحرارة عند 100 درجة مئوية عند الضغط الجوي وتسمى درجة الغليان. وهذا يعني أن كمية الحرارة التي يكتسبها الجسم لا تزيد من درجة حرارته بل تقوم على تحويل حالته
يوجد نوعين من الحرارة الكامنة ففي حالة الانصهار تسمى الحرارة الكامنة للانصهار حيث تتحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وفي حالة الغليان حيث تتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية تسمى الحرارة الكامنة للتبخر
التعليل
وذلك لأن الشغل اللازم لتحويل السائل إلى غاز (المسافة بين جزيئات الغاز أكثر تباعداً من السائل) أكبر من الشغل اللازم لتحويل الصلب إلى سائل حيث المسافة بين جزيئات الصلب والسائل متقاربة.
ملاحظة:
عند التعامل مع مسائل من هذا النوع يجب الانتباه إلى درجات الحرارة المعطاة في المسألة لأن الحل يعتمد على هل المادة مرت في تغير في حالتها أم لا.
لإيجاد كمية الحرارة المطلوبة لتحويل الثلج إلى ماء ومن ثم إلى بخار يلزم أن نحسب أولا كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة الثلج من -30 إلى صفر ثم نحسب كمية الحرارة اللازمة لتحول الثلج إلى ماء عند درجة صفر، ثم حساب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء من صفر إلى 100 درجة، ثم نحسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل الماء إلى بخار عند درجة حرارة 100, ثم كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة البخار من 100 إلى 120 درجة. الشكل التالي يوضح العلاقة بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة.
الأحد أبريل 03, 2016 7:47 pm