لنفترض أنك صببت كمية ثابتة من الماء في كوبين مختلفين. دورق واحد طويل وضيق ، والآخر طويل وواسع. إذا كانت كمية الماء التي يتم سكبها في كل دورق هي نفسها ، فستتوقع أن يكون مستوى الماء أعلى في الدورق الضيق.
عرض هذه الجرافات مماثل لمفهوم السعة الحرارية المحددة. في هذا القياس ، يمكن اعتبار الماء الذي يتم سكبه في الدلاء بمثابة طاقة حرارية تُضاف إلى مادتين مختلفتين. الارتفاع في المستوى على الدلاء يماثل الارتفاع الناتج في درجة الحرارة.
ما هي السعة الحرارية النوعية؟
السعة الحرارية النوعية للمادة هي مقدار الطاقة الحرارية المطلوبة لرفع كتلة وحدة من تلك المادة بمقدار 1 كلفن (أو درجة مئوية). وحدات SI ذات السعة الحرارية النوعية هي J / kgK (جول لكل كيلوغرام × كلفن).
تختلف الحرارة النوعية اعتمادًا على الخصائص الفيزيائية للمادة. على هذا النحو ، فهي قيمة تبحث عنها عادةً في جدول. الحرارةسيضاف إلى مادة الكتلةممع سعة حرارية محددةجيؤدي إلى تغير في درجة الحرارةΔ تتحددها العلاقة التالية:
س = مك \ دلتا تي
الحرارة النوعية للماء
تبلغ السعة الحرارية النوعية للجرانيت 790 J / kgK ، والرصاص 128 J / kgK ، والزجاج 840 J / kgK ، والنحاس 386 J / kgK ، والماء 4186 J / kgK. لاحظ مقدار السعة الحرارية النوعية للمياه الأكبر مقارنة بالمواد الأخرى في القائمة. اتضح أن الماء يحتوي على واحدة من أعلى السعات الحرارية النوعية لأي مادة.
يمكن أن تحتوي المواد ذات السعات الحرارية المحددة الأكبر على درجات حرارة أكثر استقرارًا. أي أن درجات حرارتهم لن تتقلب كثيرًا عند إضافة أو إزالة الطاقة الحرارية. (فكر في العودة إلى تشبيه الدورق في بداية هذه المقالة. إذا قمت بإضافة وطرح نفس الكمية من السائل إلى الدورق العريض والضيق ، فإن المستوى يتغير كثيرًا في الدورق العريض.)
ولهذا السبب تتمتع المدن الساحلية بمناخ معتدل أكثر من المدن الداخلية. كونك قريبًا من مثل هذا الجسم الكبير من الماء يعمل على استقرار درجة حرارتها.
السعة الحرارية الكبيرة للماء هي السبب أيضًا ، عندما تأخذ البيتزا من الفرن ، ستظل الصلصة تحرقك حتى بعد أن تبرد القشرة. يجب أن تصدر الصلصة التي تحتوي على الماء طاقة حرارية أكثر بكثير قبل أن تنخفض درجة الحرارة مقارنة بالقشرة.
مثال على السعة الحرارية النوعية
افترض أن 10000 J من الطاقة الحرارية تمت إضافتها إلى 1 كجم من الرمل (جس = 840 J / kgK) مبدئيًا عند 20 درجة مئوية ، بينما تضاف نفس الكمية من الطاقة الحرارية إلى خليط من 0.5 كجم من الرمل و 0.5 كجم من الماء ، أيضًا مبدئيًا عند 20 درجة مئوية. كيف تقارن درجة الحرارة النهائية للرمل بدرجة الحرارة النهائية لخليط الرمل / الماء؟
حل:أولاً ، حل المعادلة الحرارية لـΔ تليحصل:
\ Delta T = \ frac {Q} {mc}
بالنسبة للرمل ، تحصل إذن على التغيير التالي في درجة الحرارة:
\ Delta T = \ frac {10،000} {1 \ times 840} = 11.9 \ text {degrees}
والذي يعطي درجة حرارة نهائية تبلغ 31.9 درجة مئوية.
بالنسبة لخليط الرمل والماء ، الأمر أكثر تعقيدًا بعض الشيء. لا يمكنك فقط تقسيم الطاقة الحرارية بالتساوي بين الماء والرمل. يتم خلطهما معًا ، لذلك يجب أن يخضعوا لنفس التغير في درجة الحرارة.
بينما تعرف إجمالي الطاقة الحرارية ، فأنت لا تعرف مقدار الطاقة التي يحصل عليها كل واحد في البداية. يتركسسهي كمية الطاقة الناتجة عن الحرارة التي تحصل عليها الرمال وسثكن مقدار الطاقة التي يحصل عليها الماء. الآن استخدم حقيقة ذلكس = سس + سثللحصول على ما يلي:
Q = Q_s + Q_w = m_sc_s \ Delta T + m_wc_w \ Delta T = (m_sc_s + m_wc_w) \ Delta T
الآن من السهل حلهاΔT:
\ Delta T = \ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}
ثم يعطي التعويض بالأرقام:
\ Delta T = \ frac {10،000} {0.5 \ times 840 + 0.5 \ times 4،186} = 4 \ text {degrees}
يرتفع الخليط بمقدار 4 درجات مئوية فقط ، لدرجة حرارة نهائية تبلغ 24 درجة مئوية ، أي أقل بكثير من الرمل النقي!