الحرارة النوعية والسعة الحرارية + مسائل محلولة

– في هذا الموضوع سيتم مناقشة الحرارة النوعية والسعة الحرارية بالتفصيل مع القوانين الرياضية المعبرة عنهما وكذلك مسائل محلولة للتوضيح.

تعريف الحرارة النوعية لمادة Specific Heat

– الحرارة النوعیة (S) لمادة ما هي كمیة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من مادة ما درجة مئویة واحدة.

– وتعرف إيضاً الحرارة النوعیة بأنھا هي السعة الحرارية لجرام واحد من المادة.

– وحدة قياس الحرارة النوعية هي J/g.C^o

– الجدول التالي يوضح الحرارة النوعية لبعض المواد كما يلي:

الحرارة النوعية للماء Specific Heat of Water

– الحرارة النوعیة للماء ھي كمیة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء درجة مئویة واحدة.

– وھي قیمة ثابتة مقدارھا Cal/g.C^o وهي تساوي 4.184 J/g C^o.

– یمكن الاستفادة من قیمة الحرارة النوعیة في التمییز بین المواد من حیث تأثرھا بالحرارة كما يلي:

• كلما قلت الحرارة النوعیة للمادة فإن ھذا یدل على أنھا تمتص كمیة صغیرة من الحرارة وترتفع درجة حرارتھا بشكل ملحوظ.
• بینما كلما زادت الحرارة النوعية للمادة فإن ھذا یدل على أن المادة تمتص كمیة كبیرة من الحرارة دون أن ترتفع درجة حرارتھا بشكل ملحوظ.

مثال توضيحي عن الحرارة النوعية لمادة

الأمثلة التوضيحية عن الحرارة النوعية كما يلي:

(1) عند تعرض الماء H₂O للحرارة فإن 1g منه تمتص كمية من الحرارة مقدارها 4.184J وترتفع درجة حرارته درجة مئوية واحدة فقط.

(2) عند تعرض الألومنيوم للحرارة فإن 1g منه تمتص كمية من الحرارة مقدارها 0.9J وترتفع درجة حرارته درجة مئوية واحدة فقط.

– علل: یستخدم الماء في تبرید المحركات؟

بسبب أن الحرارة النوعیة للماء كبیرة ((S = 4.184 J/g. C^o لذلك فإنه يمتص حرارة المحرك دون أن تتأثر حرارته بشكل واضح.

تعريف السعة الحرارية Heat Capacity (C)

– السعة الحراریة ھي كمیة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة مادة ما درجة مئویة واحدة.

– وكلما زادت السعة الحراریة للجسم كلما زادت الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارته.

– وحدة قياس السعة الحرارية هي J/C^o

– السعة الحرارية المولية (الجزيئية) Molar Heat Capacity ھي كمیة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة مول واحد من المادة درجة مئویة واحدة.

– ووحدة قياسها هي J/mol C^o

– وتحسب السعة الحرارية المولية عن طریق ضرب الحرارة النوعیة بالوزن الجزیئي للمادةMw  كما يلي:

C = S × Mw

العلاقة بين السعة الحرارية والحرارة النوعية

– یمكن التعبیر عن العلاقة بين السعة الحراریة والحرارة النوعية رياضياً كما يلي:

السعة الحرارية (C) = كتلة المادة (m) × الحرارة النوعية (S)

C = S × m

العلاقة بين كمية الحرارة (q) والسعة الحرارية (C)

– یمكن التعبیر عن السعة الحراریة رياضياً كما يلي:

tΔ C = q /

 tΔq = C . 

– حیث یمكن حساب كمیة الحرارة الممتصة (q) عند ارتفاع درجة حرارة كتله من مادة ما بين درجة حرارة ابتدائية (t₁) ودرجة حرارة نهائية (t₂) باستخدام معادلة السعة الحرارية كما يلي:

– حيث Δt تمثل التغیر في درجة الحرارة وھي عبارة عن الفرق بین درجة الحرارة النهائية والابتدائية كما يلي:

= t₂ – t₁Δt 

Δt = t_f – t_i

– فإذا كانت درجة الحرارة الابتدائية (20 C^o) والنهائية (10 C^o) أي انخفضت درجة الحرارة فإن التغير في درجة الحرارة كما يلي:

Δt = t_f – t_i

 = 10 – 20

Δt = – 10 C^o

– لاحظ أن التغير في درجة الحرارة بالسالب

– المعادلة : q = S . m. Δt ھي الأساس الذي بنيت علية فكرة قياس كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة من التفاعلات الكيميائية باستخدام جهاز يعرف باسم المسعر Calorimeter

مسائل محلولة على كمية الحرارة والحرارة النوعية والسعة الحرارية

مثال (1)

 إذا علمت أن 18.5 g من معدن معين امتصت كمية من الحرارة مقدارها 1170 J وارتفعت درجة حرارتها من 25 C^o إلى 92.5 C^o احسب الحرارة النوعية لهذا المعدن.

الحل:

مثال (2)

احسب الحرارة النوعية إذا كان لدينا قطعة ذهب وزنها 360 g والسعة الحرارية لها 85.7 J/ C^o.

الحل:

 مثال (3)

سخنت عينة من الماء وزنها 46 g من 8.5 C^o إلى 74.6 C^o احسب كمية الحرارة الممتصة بواسطة الماء ) الحرارة النوعية للماء 4.184 J/g C^o).

الحل:

 مثال (4)

 احسب الحرارة النوعیة لمعدن ما إذا علم أنه یلزم كمیة من الحرارة قدرھا 9.98 Cal كي ترتفع درجة حرارة المعدن من 10 C^o إلى 27 C^o إذا علمت أن وزن قطعة المعدن 18.69 g.

الحل:

 مثال (5)

 احسب الحرارة النهائية لـ 150 g من الماء السائل عند 25C^o إذا اكتسب 1000 J ) علماً بأن الحرارة النوعية للماء 4.184 J/g C^o).

الحل:

 مثال (6)

 احسب كمية الحرارة اللازمة لتسخين  100 gمن النحاس من 10 C^o إلى 100 C^o وإذا أضيفت نفس كمية الحرارة إلى 100 g من الألومنيوم عند  10 C^o أيهما يسخن أكثر النحاس أم الألومنيوم؟

)علماً بأن الحرارة النوعية للنحاس 0.39 J/g C^o ، وللألومنيوم 0.9 J/g C^o)

الحل:

أولاً/ كمية الحرارة اللازمة لتسخين النحاس Cu كما يلي:

ثانياً/ حساب درجة حرارة الألومنيوم النهائية إذا امتص كمية الحرارة السابقة كما يلي:  

– وبالتالي فدرجة حرارة الألومینیوم التي یصل إلیھا من امتصاص كمیة من الحرارة مقدارها (q = 3150 J) هي 45 C^o ، بينما النحاس إذا امتص نفس الكمية من الحرارة فإن درجة حرارته ترتفع بشكل كبير إلى 100 C^o

– كما یمكن معرفة أیھما سترتفع درجة حرارته بشكل كبیر عند امتصاص نفس الكمیة من الحرارة من خلال المقارنة بین قیمتي الحرارة النوعیة للمادتین.

– فنلاحظ أن الحرارة النوعیة للنحاس أصغر وبالتالي فإن امتصاص كمیة صغیرة من الحرارة یجعل درجة حرارتھا ترتفع بشكل ملحوظ.

 المراجع  – أسس الكيمياء العامة والفيزيائية- الجزء الأول.عمر بن عبد الله الهزازي ، قسم الكيمياء- كلية العلوم – جامعة أم القرى – المملكة العربية السعودية