حرارة محددة في ما يتكون ، وكيف يتم حسابه والأمثلة

ال حرارة محددة هي كمية الطاقة التي يجب أن تمتصها جرام من مادة معينة لزيادة درجة حرارتها درجة واحدة مئوية. إنها خاصية فيزيائية مكثفة ، لأنها لا تعتمد على الكتلة للتعبير عنها فقط لغرام من المادة ؛ ومع ذلك ، فإنه يرتبط بعدد الجزيئات والكتلة المولية للجزيئات ، وكذلك القوى بين الجزيئات التي تربطها.

يتم التعبير عن كمية الطاقة التي تمتصها المادة بوحدات الجول (J) ، والأقل شيوعًا ، في السعرات الحرارية (Cal). بشكل عام ، من المفترض أن تمتص الطاقة من خلال الحرارة ؛ ومع ذلك ، يمكن أن تأتي الطاقة من مصدر آخر ، مثل العمل المنجز على المادة (التحريض الشديد ، على سبيل المثال).

تُظهر الصورة العليا إبريق الشاي الذي تُطلق منه أبخرة الماء الناتجة عن تسخينها. لتسخين الماء ، يجب أن تمتص الحرارة من اللهب الموجود تحت إبريق الشاي. وهكذا ، مع مرور الوقت ، واعتمادًا على شدة النار ، سوف يغلي الماء عندما يصل إلى نقطة الغليان.

تحدد الحرارة المحددة مقدار الطاقة التي يستهلكها الماء لكل درجة مئوية تزيد من درجة حرارته. هذه القيمة ثابتة إذا تم تسخين كميات مختلفة من الماء في نفس إبريق الشاي ، لأنه كما هو مذكور في البداية ، فهي خاصية مكثفة.

ما يختلف هو إجمالي كمية الطاقة التي يمتصها كل جسم مسخن من الماء ، والمعروف أيضًا باسم القدرة الحرارية. كلما زادت كتلة الماء الذي سيتم تسخينه (2 ، 4 ، 10 ، 20 لتر) ، زادت قدرتها الحرارية ؛ ولكن الحرارة المحددة لا تزال هي نفسها.

هذه الخاصية تعتمد على الضغط ودرجة الحرارة والحجم ؛ ومع ذلك ، لأغراض فهم بسيط ، يتم حذف الاختلافات المقابلة لها.

مؤشر

• 1 ما هي الحرارة المحددة؟?
• 2 كيف يتم حساب الحرارة المحددة?
  • 2.1 الماء كمرجع
  • 2.2 التوازن الحراري
  • 2.3 التطور الرياضي
  • 2.4 مثال الحساب
• 3 أمثلة
  • 3.1 المياه
  • 3.2 الجليد
  • 3.3 الألومنيوم
  • 3.4 الحديد
  • 3.5 الهواء
  • 3.6 فضة
• 4 المراجع

ما هي الحرارة المحددة?

تم تعريف معنى الحرارة المحددة لمادة معينة. ومع ذلك ، يتم التعبير عن أفضل معانيها الحقيقية مع صيغته ، والتي توضح من خلال وحداتها التي هي الخلوصات التي ينطوي عليها عند تحليل المتغيرات التي يعتمد عليها. صيغته هي:

Ce = Q / ΔT · m

حيث Q هو امتصاص الحرارة ، ،T تتغير درجة الحرارة ، و m هي كتلة المادة ؛ أنه وفقا للتعريف يتوافق مع غرام واحد. القيام بتحليل الوحدات الخاصة بك لديك:

Ce = J / ºC · g

والتي يمكن التعبير عنها أيضًا بالطرق التالية:

Ce = kJ / K · g

Ce = J / ºC · Kg

الأول هو الأبسط ، وبهذه الطريقة سيتم تناول الأمثلة في الأقسام التالية.

تشير المعادلة بوضوح إلى كمية الطاقة التي تمتصها (J) بمقدار غرام واحد من المادة بدرجة واحدة مئوية. إذا أردت مسح هذه الكمية من الطاقة ، فعليك ترك المعادلة J:

J = Ce · ºC · g

وهذا معبر عنه بطريقة أنسب ووفقًا للمتغيرات سيكون:

س = م · م · م

كيف يتم حساب الحرارة المحددة?

الماء كمرجع

في الصيغة السابقة ، لا يمثل "م" غرامًا من المادة ، لأنه موجود بالفعل ضمنًا في Ce. هذه الصيغة مفيدة جدًا لحساب درجات الحرارة المحددة للمواد المختلفة من خلال قياس السعرات الحرارية..

كيف؟ باستخدام تعريف السعرات الحرارية ، وهي كمية الطاقة اللازمة لتسخين غرام من الماء من 14.5 إلى 15.5 درجة مئوية ؛ هذا يساوي 4.184 J.

درجة حرارة الماء المحددة عالية بشكل غير طبيعي ، وتستخدم هذه الخاصية لقياس درجات الحرارة المحددة للمواد الأخرى مع العلم بقيمة 4.184 J.

ماذا يعني أن حرارة معينة مرتفعة؟ تعارض مقاومة كبيرة لزيادة درجة حرارتها ، لذلك يجب أن تمتص المزيد من الطاقة ؛ وهذا يعني أن الماء يحتاج إلى تسخين لفترة أطول مقارنة بالمواد الأخرى ، التي يتم تسخينها على مقربة من مصدر الحرارة على الفور تقريبًا.

لهذا السبب ، يتم استخدام الماء في قياسات المسعر ، حيث إنه لا يواجه تغيرات مفاجئة في درجة الحرارة عند امتصاص الطاقة المنبعثة من التفاعلات الكيميائية ؛ أو ، في هذه الحالة ، اتصل بمواد أخرى أكثر سخونة.

التوازن الحراري

لأن الماء يحتاج إلى امتصاص الكثير من الحرارة لزيادة درجة حرارته ، يمكن أن تأتي الحرارة من المعدن الساخن ، على سبيل المثال. مع الأخذ في الاعتبار كتل الماء والمعادن ، فإن تبادل الحرارة بين الاثنين سيحدث حتى الوصول إلى ما يسمى التوازن الحراري.

عندما يحدث هذا ، يتم تسوية درجة حرارة الماء والمعادن. الحرارة المنبعثة من المعدن الساخن تساوي الحرارة التي يمتصها الماء.

التطور الرياضي

مع العلم بذلك ، ومع الصيغة الأخيرة لـ Q الموصوفة للتو ، لدينا:

Q_ماء= -Q_معدن

تشير العلامة السلبية إلى أن الحرارة يتم إطلاقها من الجسم الأكثر سخونة (المعدن) إلى الجسم الأكثر برودة (الماء). كل مادة لها حرارة خاصة بها ، وكتلتها ، لذلك يجب تطوير هذا التعبير على النحو التالي:

Q_ماء = م_ماء ·_ماء م_ماء = - (م_معدن ·_معدن م_معدن)

المجهول هو م_معدن, لأنه في التوازن الحراري تكون درجة الحرارة النهائية لكل من الماء والمعدن هي نفسها ؛ بالإضافة إلى ذلك ، فإن درجات الحرارة الأولية للمياه والمعادن معروفة قبل الاتصال ، وكذلك كتلتها. لذلك ، يجب علينا مسح م_معدن:

EC_معدن = (م_ماء ·_ماء م_ماء) / (-T_معدن م_معدن)

دون أن ننسى أن Ce_ماء هو 4.184 J / ºC · g. إذا تم تطويرها ΔT_ماء و ΔT_معدن, سيكون (تي_F - تي_ماء) و (T_F - تي_معدن) ، على التوالي. يتم تسخين الماء ، بينما يبرد المعدن ، وبالتالي تتضاعف الإشارة السالبة إلى ΔT_معدن البقاء (ت_معدن - تي_F). خلاف ذلك ، ΔT_معدن سيكون لها قيمة سلبية لكونها T_F قاصر (أكثر برودة) من T_معدن.

ثم يتم التعبير عن المعادلة في النهاية بهذه الطريقة:

EC_معدن = م_ماء · (ت_F - تي_ماء) م_ماء/ (ت_معدن - تي_F) م_معدن

ومعه يتم حساب ارتفاع درجات الحرارة المحددة.

مثال حساب

لديه كرة من المعدن الغريب الذي يزن 130 جم ، ودرجة حرارة 90 درجة مئوية. هذا مغمور في حاوية مياه 100 غرام عند 25 درجة مئوية ، داخل المسعر. عند الوصول إلى التوازن الحراري ، تصبح درجة حرارة الحاوية 40 درجة مئوية. حساب المعدن Ce.

درجة الحرارة النهائية ، T_F, إنه 40 درجة مئوية. معرفة البيانات الأخرى ، يمكنك بعد ذلك تحديد Ce مباشرة:

EC_معدن = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ·C · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g

EC_معدن = 0.965 J / ºC · g

لاحظ أن حرارة الماء المحددة تبلغ حوالي أربعة أضعاف حرارة المعدن (4.184 / 0.965).

عندما يكون Ce صغيرا جدا ، كلما زاد الميل إلى الاحماء ؛ الذي يرتبط بالتوصيل الحراري والانتشار. يميل المعدن ذو ارتفاع CE إلى إطلاق أو فقدان المزيد من الحرارة ، عندما يتلامس مع مادة أخرى ، مقارنة مع معدن آخر مع انخفاض Ce.

أمثلة

وترد أدناه درجات حرارة محددة للمواد المختلفة.

ماء

حرارة الماء المحددة ، كما قيل ، هي 4.184 J / ºC · g.

بفضل هذه القيمة ، يمكن أن يحدث الكثير من أشعة الشمس في المحيط ولن يتبخر الماء إلى أي درجة ملموسة. وهذا يؤدي إلى اختلاف حراري لا يؤثر على الحياة البحرية. على سبيل المثال ، عندما تذهب إلى الشاطئ لتسبح ، حتى لو كان الجو مشمسًا في الخارج ، فيمكنك أن تشعر بدرجات حرارة منخفضة وبرودة في الماء..

يحتاج الماء الساخن أيضًا إلى إطلاق الكثير من الطاقة ليبرد. في هذه العملية ، تقوم بتسخين الكتل الهوائية المنتشرة ، مما يزيد قليلاً من درجات الحرارة (المعتدلة) في المناطق الساحلية أثناء الشتاء.

مثال آخر مثير للاهتمام هو أنه إذا لم نتشكل بالماء ، فقد يكون يوم الشمس قاتلاً ، لأن درجات حرارة أجسامنا سترتفع بسرعة.

هذه القيمة الفريدة لـ Ce ناتجة عن جسور الهيدروجين بين الجزيئات. هذه تمتص الحرارة لكسر ، لذلك يخزنون الطاقة. لا يمكن أن تهتز جزيئات الماء حتى يتم تكسيرها ، مما يزيد من متوسط ​​الطاقة الحركية ، وهو ما ينعكس في زيادة درجة الحرارة.

جليد

الحرارة النوعية للجليد هي 2090 ج / ج. مثل الماء ، لها قيمة عالية بشكل غير عادي. هذا يعني أن الجبل الجليدي ، على سبيل المثال ، سوف يحتاج إلى امتصاص كمية كبيرة من الحرارة لزيادة درجة حرارته. ومع ذلك ، فقد امتصت بعض الجبال الجليدية اليوم الحرارة اللازمة للذوبان (حرارة الانصهار الكامنة).

الألومنيوم

الحرارة المحددة للألمنيوم هي 0.900 J / ºC · g. إنه أقل قليلاً من المعدن في الكرة (0.965 J / ºC · g). يتم امتصاص الحرارة هنا ليهتز ذرات الألومنيوم المعدنية في بنيتها البلورية ، وليس الجزيئات الفردية المرتبطة بالقوى الجزيئية.

حديد

الحرارة النوعية للحديد هي 0.444 J / ºC · g. كونه أقل من الألومنيوم ، فهذا يعني أنه يعارض مقاومة أقل عند تسخينه ؛ وهذا يعني أنه قبل الحريق ستصبح قطعة من الحديد حمراء ساخنة قبل فترة طويلة من قطعة الألومنيوم.

الألومنيوم ، على عكس التدفئة ، يبقي الطعام ساخنًا لفترة أطول عندما يتم استخدام رقائق الألمنيوم الشهيرة لتغليف الوجبات الخفيفة.

هواء

تبلغ درجة حرارة الهواء المحددة حوالي 1.003 J / ºC · g. تخضع هذه القيمة بشدة للضغوط ودرجات الحرارة لأنها تتكون من خليط غاز. يتم امتصاص الحرارة هنا لاهتزاز جزيئات النيتروجين ، الأكسجين ، ثاني أكسيد الكربون ، الأرجون ، إلخ..

فضة

أخيرًا ، تكون الحرارة المحددة للفضة هي 0.234 J / ºC · g. من بين جميع المواد المذكورة ، يوجد أقل قيمة لـ Ce ، وهذا يعني أنه قبل الحديد والألومنيوم ، تسخن قطعة من الفضة أكثر من ذلك بكثير في نفس الوقت مثل المعدنين الآخرين. في الواقع ، إنه يتوافق مع الموصلية الحرارية العالية.

مراجع

1. سيرواي وجويت. (2008). الفيزياء: للعلوم والهندسة. (الطبعة السابعة) ، المجلد 1 ، Cengage التعلم.
2. ويتن ، ديفيس ، بيك ، ستانلي. (2008). الكيمياء. (الطبعة الثامنة). Cengage التعلم.
3. Helmenstine ، آن ماري ، دكتوراه (5 نوفمبر 2018). السعة الحرارية المحددة في الكيمياء. تم الاسترجاع من: thinkco.com
4. اريك دبليو. (2007). حرارة محددة. تم الاسترجاع من: scienceworld.wolfram.com
5. آر السفينة. (2016). حرارة محددة. جامعة ولاية جورجيا. تم الاسترجاع من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. ويكيبيديا. (2019). حرارة محددة تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org