الحرارة النوعية مقابل السعة الحرارية: الفرق والمقارنة

ترتبط الحرارة النوعية والسعة الحرارية بكمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة المادة. تشير الحرارة النوعية إلى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة كتلة واحدة من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة، في حين أن السعة الحرارية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة عينة بأكملها بمقدار درجة مئوية واحدة.

الوجبات السريعة الرئيسية

1. الحرارة النوعية هي الكمية المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من مادة بمقدار درجة مئوية واحدة.
2. السعة الحرارية هي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جسم ما بمقدار درجة واحدة مئوية.
3. في حين أن الحرارة النوعية هي خاصية لمادة ما ، فإن السعة الحرارية تعتمد على كتلة الجسم وتكوينه.

الحرارة النوعية مقابل السعة الحرارية

السعة الحرارية مطلوبة لرفع المادة بمقدار معين. الحرارة النوعية هي الكمية اللازمة لرفع درجة حرارة المادة بمقدار معين، تقاس بـ (J/kg/K). إنها خاصية مكثفة، مستقلة عن كمية المادة التي يتم النظر فيها.

جدول المقارنة

الميزات	الحرارة النوعية (ج)	السعة الحرارية (ج)
تعريف	كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة الجسم 1 وحدة الكتلة من مادة بواسطة درجة 1 (مئوية أو كلفن)	إجمالي كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة مادة معينة كمية من المواد by درجة 1
يعتمد على	نوع المادة	نوع المادة والكتلة
الوحدات (SI)	J/kg⋅K (جول لكل كيلوغرام لكل كلفن)	J/K (جول لكل كلفن)
تم التزويد بالمعلومات	يخبرك بمقدار الحرارة التي تحتاجها المادة للتسخين لكل وحدة كتلة	يخبرك بإجمالي الحرارة اللازمة لتسخين كمية معينة من المواد
مثال	الماء: 4.18 جول/جم درجة مئوية = 4184 جول/كجم⋅ك	يحتاج 100 جرام من الماء عند 20 درجة مئوية إلى 16.7 كيلوجول للوصول إلى 30 درجة مئوية (C = mcΔT)

ما هي الحرارة النوعية؟

الحرارة النوعية، المشار إليها بالرمز C، هي خاصية أساسية للمادة التي تحدد قدرتها على امتصاص أو إطلاق الطاقة الحرارية. وهو يقيس كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة كتلة واحدة من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة (أو كلفن واحد). يتم التعبير عن الحرارة النوعية بوحدات جول لكل جرام لكل درجة مئوية (J/g°C) أو جول لكل كيلوغرام لكل درجة مئوية (J/kg°C).

فهم الحرارة النوعية

عندما يتم توفير الطاقة الحرارية لمادة ما، ترتفع درجة حرارتها. تحدد الحرارة النوعية للمادة مقدار الطاقة الحرارية اللازمة لارتفاع درجة الحرارة هذا. تتطلب المواد ذات الحرارة النوعية العالية المزيد من الطاقة الحرارية لرفع درجة حرارتها مقارنة بالمواد ذات الحرارة النوعية المنخفضة.

أهمية الحرارة النوعية

1. الخصائص الحرارية: تلعب الحرارة النوعية دورًا حاسمًا في فهم السلوك الحراري للمواد. فهو يساعد على التنبؤ بكيفية استجابة المواد للتغيرات في درجة الحرارة.
2. المسعرية: الحرارة النوعية ضرورية في قياس السعرات الحرارية، وهو علم قياس التغيرات الحرارية في التفاعلات الكيميائية أو العمليات الفيزيائية. ومن خلال قياس التغير في درجة الحرارة ومعرفة الحرارة النوعية للمواد المعنية، يمكن حساب كمية الحرارة الممتصة أو المنبعثة.
3. علوم المناخ والأرض: تؤثر الحرارة النوعية على المناخ وأنماط الطقس في الغلاف الجوي للأرض والمحيطات. يمكن للمواد ذات الحرارة النوعية العالية، مثل الماء، تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرارية، مما يؤدي إلى اعتدال التغيرات في درجات الحرارة في المناطق المحيطة بها.
4. الهندسة و التكنولوجيا: تعتبر الحرارة النوعية أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات الهندسية، مثل تصميم أنظمة التدفئة والتبريد، واختيار المواد اللازمة للبناء، وتحسين استخدام الطاقة في العمليات المختلفة.

صيغة للحرارة النوعية

الحرارة النوعية (C) من المادة يمكن حسابها باستخدام الصيغة:

Q=mcΔT

أين:

• Q هي كمية الطاقة الحرارية المنقولة (بالجول).
• m هي كتلة المادة (بالجرام أو الكيلوجرام).
• c هي الحرارة النوعية للمادة (J/g°C أو J/kg°C).
• ΔT هو التغير في درجة الحرارة (بالدرجات المئوية أو بالكلفن).

ما هي السعة الحرارية؟

السعة الحرارية، يشار إليها بالرمز Cع للضغط المستمر أو Cv​ للحجم الثابت، هو مقياس لكمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة المادة بمقدار درجة مئوية واحدة (أو كلفن). على عكس الحرارة النوعية، التي تشير إلى السعة الحرارية لكل وحدة كتلة من المادة، تمثل السعة الحرارية إجمالي الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة العينة بأكملها.

فهم السعة الحرارية

السعة الحرارية هي خاصية واسعة النطاق، وهذا يعني أنها تعتمد على كمية المادة الموجودة. إنه يمثل التأثير المشترك لكتلة المادة والحرارة النوعية. المواد ذات السعات الحرارية الأعلى تتطلب المزيد من الطاقة الحرارية لرفع درجة حرارتها مقارنة بالمواد ذات السعات الحرارية المنخفضة، بغض النظر عن درجات حرارتها المحددة.

أهمية السعة الحرارية

1. التخزين الحراري: السعة الحرارية أمر بالغ الأهمية في تحديد سعة التخزين الحراري للمواد. يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل الماء، تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرارية، مما يجعلها مفيدة في أنظمة تخزين الطاقة الحرارية.
2. تنظيم درجة الحرارة: تؤثر السعة الحرارية على قدرة المواد على الحفاظ على درجات حرارة ثابتة. تميل المواد ذات السعات الحرارية العالية إلى إظهار درجات حرارة أكثر استقرارًا، مما يساعد على تنظيم تقلبات درجات الحرارة في المناطق المحيطة بها.
3. العمليات الهندسية والصناعية: إن فهم السعة الحرارية للمواد أمر ضروري في مختلف التطبيقات الهندسية والصناعية. فهو يساعد في تصميم أنظمة التدفئة والتبريد، واختيار المواد المناسبة للبناء، وتحسين استخدام الطاقة في عمليات التصنيع.
4. الديناميكا الحرارية: السعة الحرارية هي مفهوم أساسي في الديناميكا الحرارية، وخاصة في دراسة انتقال الحرارة وتبادل الطاقة في النظم الفيزيائية والكيميائية. يلعب دورًا مهمًا في تحديد كفاءة وأداء العمليات الحرارية.

أنواع السعة الحرارية

1. السعة الحرارية ذات الضغط المستمر (Cع): يمثل السعة الحرارية للمادة تحت ظروف الضغط المستمر. وهو يمثل العمل الذي تقوم به المادة ضد الضغط الخارجي أثناء تمددها أو تقلصها أثناء عمليات التسخين أو التبريد.
2. السعة الحرارية ذات الحجم الثابت (Cت): يمثل السعة الحرارية للمادة تحت ظروف حجم ثابت. وهو يستبعد العمل المنجز ضد الضغط الخارجي، مع التركيز فقط على تغير الطاقة الداخلية للمادة.

العلاقة مع الحرارة النوعية

القدرة الحرارية (C) من مادة يمكن حسابها باستخدام الحرارة النوعية (c) والكتلة (m) مع الصيغة:

C=mc

أين:

• C هي السعة الحرارية (بالجول لكل درجة مئوية أو كلفن).
• m هي كتلة المادة (بالجرام أو الكيلوجرام).
• c هي الحرارة النوعية للمادة (J/g°C أو J/kg°C).

الاختلافات الرئيسية بين الحرارة النوعية والسعة الحرارية

• تعريف:
  • تقيس الحرارة النوعية كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة كتلة واحدة من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة (أو كلفن).
  • تمثل السعة الحرارية إجمالي الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة العينة بأكملها، بغض النظر عن كتلتها.
• الوحدات:
  • يتم التعبير عن الحرارة النوعية بوحدات جول لكل جرام لكل درجة مئوية (J/g°C) أو جول لكل كيلوغرام لكل درجة مئوية (J/kg°C).
  • يتم التعبير عن السعة الحرارية بوحدات الجول لكل درجة مئوية (J/°C) أو الجول لكل كلفن (J/K).
• الاعتماد على الكمية:
  • الحرارة النوعية هي خاصية مكثفة، وهذا يعني أنها لا تعتمد على كمية المادة الموجودة. يبقى ثابتًا بالنسبة لمادة معينة.
  • السعة الحرارية هي خاصية واسعة النطاق، تعتمد على كمية المادة الموجودة. يزداد بشكل متناسب مع كتلة المادة.
• تطبيق:
  • تُستخدم الحرارة النوعية بشكل شائع في تحليل الخواص الحرارية للمواد وفي تجارب قياس السعرات الحرارية.
  • يتم استخدام السعة الحرارية في التطبيقات الهندسية، مثل تصميم أنظمة التدفئة والتبريد، وفي تحديد قدرات التخزين الحراري للمواد.

مراجع حسابات

1. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.4.2029
2. https://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.physchem.56.092503.141202

آخر تحديث: 02 مارس 2024