كيفية حساب السعة الحرارية

إذا شاهدت سطح بركة متجمدة يذوب ببطء في ظهيرة شتاء دافئ غير معتاد ، وشاهدت نفس الشيء يحدث على سطح بركة مجمدة قريبة جيدة الحجم ، قد تلاحظ أن الجليد في كل منها يتحول إلى ماء في نفس الوقت تقريبًا معدل.

ولكن ماذا لو كان كل ضوء الشمس الساقط على السطح المكشوف للبركة ، ربما فدانًا في الحجم ، مركّزًا في نفس الوقت على سطح البركة؟

ربما يخبرك حدسك أن سطح البركة لن يذوب في الماء بسرعة كبيرة فحسب ، بل أيضًا قد تتحول البركة بأكملها إلى بخار ماء على الفور تقريبًا ، متجاوزة المرحلة السائلة لتصبح مائيًا غاز. لكن لماذا ، من وجهة نظر العلوم الفيزيائية ، يجب أن يكون هذا؟

من المحتمل أن يخبرك هذا الحدس نفسه بوجود علاقة بين الحرارة والكتلة والتغير في درجة حرارة الجليد أو الماء أو كليهما.

كما يحدث ، هذا هو الحال والفكرة تمتد إلى مواد أخرى أيضًا ، ولكل منها مواد مختلفة "المقاومة" للحرارة ، كما يتجلى في تغيرات درجات الحرارة المختلفة استجابة لكمية معينة إذا تمت إضافتها الحرارة. تتحد هذه الأفكار لتقديم مفاهيم حرارة نوعية و السعة الحرارية.

تعتبر الحرارة أحد الأشكال التي لا حصر لها للكمية المعروفة باسم الطاقة في الفيزياء. الطاقة لها وحدات القوة مضروبة في المسافة ، أو نيوتن متر ، ولكن هذا عادة ما يسمى الجول (J). في بعض التطبيقات ، تعتبر السعرات الحرارية ، التي تساوي 4.18 جول ، هي الوحدة القياسية ؛ في وحدات أخرى ، وحدة btu ، أو وحدة موضوعية بريطانية ، تحكم اليوم.

تميل الحرارة إلى "الانتقال" من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة ، أي إلى المناطق التي توجد فيها حرارة أقل حاليًا. بينما لا يمكن الاحتفاظ بالحرارة أو رؤيتها ، يمكن قياس التغيرات في حجمها من خلال التغيرات في درجة الحرارة.

درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لمجموعة من الجزيئات ، مثل دورق من الماء أو وعاء غاز. تؤدي إضافة الحرارة إلى زيادة هذه الطاقة الحركية الجزيئية ، وبالتالي درجة الحرارة ، بينما يؤدي تقليلها إلى خفض درجة الحرارة.

لماذا الجول يساوي 4.18 سعرة حرارية؟ لأن السعرات الحرارية ، رغم أنها ليست وحدة الحرارة في النظام الدولي للوحدات ، مشتقة من الوحدات المترية وهي أساسية بطريقة ما: كمية الحرارة اللازمة لرفع غرام واحد من الماء في درجة حرارة الغرفة بمقدار 1 كلفن أو 1 درجة مئوية. (إن التغيير بمقدار درجة واحدة على مقياس كلفن مطابق لتغيير درجة واحدة على مقياس سلزيوس ؛ ومع ذلك ، يتم تعويض الاثنين بحوالي 273 درجة ، بحيث يكون 0 K = 273.15 درجة مئوية.)

• "السعرات الحرارية" الموجودة على الملصقات الغذائية هي في الواقع كيلو كالوري (kcal) مما يعني أن علبة 12 أونصة من الصودا السكرية تحتوي على حوالي 150.000 سعر حراري حقيقي.

الطريقة التي يمكن بها تحديد شيء من هذا القبيل من خلال التجربة ، باستخدام الماء أو بعض المواد الأخرى ، هي وضع كتلة معينة منه في قم بإضافة كمية معينة من الحرارة دون السماح لأي مادة أو حرارة بالهروب من التجمع ، وقياس التغيير في درجة الحرارة.

نظرًا لأنك تعرف كتلة المادة ، ويمكن أن تفترض أن الحرارة ودرجة الحرارة متجانسين في كل مكان ، فأنت يمكن أن تحدد عن طريق القسمة البسيطة مقدار الحرارة التي تغير مقدار الوحدة ، مثل 1 جرام ، بنفس الشيء درجة الحرارة.

تأتي معادلة السعة الحرارية بأشكال مختلفة ، لكنها جميعًا تماثل المعادلة الأساسية نفسها:

س = mCΔT

تنص هذه المعادلة ببساطة على أن التغير في الحرارة Q لنظام مغلق (سائل أو غاز أو صلب Material) تساوي الكتلة m للعينة مضروبة في تغير درجة الحرارة ΔT مرات المعلمة C اتصل السعة الحرارية محددة، أو فقط حرارة نوعية. كلما زادت قيمة C ، زادت الحرارة التي يمكن أن يمتصها النظام مع الحفاظ على نفس الزيادة في درجة الحرارة.

السعة الحرارية هي كمية الحرارة اللازمة لزيادة درجة حرارة جسم ما بمقدار معين (عادةً 1 كلفن) ، لذا فإن وحدات النظام الدولي هي J / K. قد يكون الكائن موحدًا ، أو قد لا يكون كذلك. سيكون من الممكن تحديد السعة الحرارية تقريبًا لمزيج من المواد مثل الطين إذا كنت يعرف كتلته ويقاس تغير درجة حرارته استجابة لتسخينه في جهاز محكم الغلق لدى البعض فرز.

الكمية الأكثر فائدة في الكيمياء والفيزياء والهندسة هي السعة الحرارية النوعية ج، تقاس بوحدات الحرارة لكل وحدة كتلة. عادةً ما تكون وحدات السعة الحرارية المحددة جول لكل جرام-كلفن ، أو J / g⋅K ، على الرغم من أن الكيلوجرام (كجم) هو وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات. أحد أسباب فائدة الحرارة المحددة هو أنه إذا كان لديك كتلة معروفة من مادة موحدة وتعرف درجة حرارتها السعة ، يمكنك الحكم على مدى ملاءمتها للعمل "بالوعة الحرارة" لتجنب مخاطر الحريق في بعض التجارب مواقف.

في الواقع ، يتمتع الماء بسعة حرارية عالية جدًا. مع الأخذ في الاعتبار أن جسم الإنسان يجب أن يكون قادرًا على تحمل إضافة أو طرح كميات كبيرة من الحرارة بفضل الأرض متفاوتة الظروف ، سيكون هذا مطلبًا أساسيًا لأي كيان بيولوجي يتكون في الغالب من الماء ، مثل جميع الكائنات الحية الكبيرة تقريبًا الأمور.

تخيل ملعبًا رياضيًا يتسع لـ 100000 شخص ، وآخر عبر المدينة يتسع لـ 50000 شخص. في لمحة ، من الواضح أن "السعة المطلقة" للملعب الأول هي ضعف سعة الاستاد الثاني. لكن تخيل أيضًا أن الاستاد الثاني قد تم تشييده بطريقة لا تشغل سوى ربع من حجم الأول.

إذا قمت بإجراء الجبر ، ستجد أن الملعب الأصغر يستوعب ضعف عدد الأشخاص لكل وحدة مساحة كأكبر ، مما يمنحه ضعف قيمة "المقعد المحدد".

في هذا التشبيه ، فكر في المتفرجين الفرديين كوحدات حرارة متطابقة الحجم ، تتدفق داخل وخارج الملعب. في حين أن الاستاد الأكبر يمكن أن يستوعب ضعف "الحرارة" بشكل عام ، فإن الاستاد الأصغر لديه بالفعل ضعف سعة "تخزين" هذا الإصدار من "الحرارة" لكل وحدة مساحة.

إذا كان من المفترض أن ينتج كل قسم بنفس الحجم من كلا الملعبين نفس الكمية من نفايات ما بعد المباراة عندما تكون ممتلئة ، بغض النظر عن عدد الأشخاص الذين يحتفظ بهم ، فإن الشخص الأصغر سيكون ضعف فعاليته في تقليل القمامة من فرد مشاهدون؛ فكر في هذا على أنه ضعف المرونة لزيادة درجات الحرارة لكل وحدة حرارة مضافة.

من هذا ، يمكنك أن ترى أنه إذا كان جسمان لهما نفس الحرارة النوعية لهما كتل مختلفة ، فإن الجسم الأكبر سيكون له سعة حرارية أكبر بمقدار يتناسب مع مقدار كتلته. عند مقارنة كائنات ذات كتل مختلفة ودرجات حرارة مختلفة ، يصبح الموقف أكثر تعقيدًا.

النحاس المعدني له حرارة محددة 0.386 J / g⋅K. ما مقدار الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم (1000 جم ، أو 2.2 رطل) من النحاس من 0 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية؟
Q = (م) (C) (ΔT) = (1،000 جم) (0.386 J / g⋅K) (100 K) = 38600 J = 38.6 كيلو جول.

ما هو ملف السعة الحرارية من هذه القطعة من النحاس؟ تحتاج إلى 38600 جول لرفع الكتلة بالكامل بمقدار 100 كلفن ، لذا ستحتاج إلى 1/100 من هذا لدفعها لأعلى بمقدار 1 ك. وبالتالي فإن السعة الحرارية للنحاس بهذا الحجم هي 386 ج.