قانون الحرارة النوعية
نحتاج الحرارة للقيام بعملية تسخين أي شيء، لكن كمية الحرارة التي نحتاجها لتسخين أي شيء لا تكون موحدة لجميع الأشياء، ولهذا نحتاج معرفة الحرارة النوعية من أجل ذلك، ويتم تمثيل صيغة المعادلة للتعبير عن الحرارة المطلوبة لتغيير درجة حرارة الجسم على النحو الآتي:
(الحرارة النوعية) = (التغير في الطاقة الحرارية) / (الكتلة) × (التغير في درجة الحرارة).
بالرموز: (C = ΔQ / (m ΔT
حيث إن كلاً من:
- الحرارة النوعية = C
- التغير في الطاقة الحرارية = ΔQ
- الكتلة = m
- التغير في درجة الحرارة = ΔT
ويكون التغير في درجة الحرارة = الحرارة النهائية للجسم - الحرارة الابتدائية للجسم
أي أن:
ΔT = T f - T i ، بحيث إن T f هي حرارة الجسم النهائية، و T i حرارة الجسم الابتدائية.
ويتم التعبير عن وحدة الحرارة النوعية بحسب وحدات المتغيرات المعطاة في المسألة.
اشتقاق قانون الحرارة النوعية
فيما يأتي توضيح للعلاقات بين متغيرات القانون وكيفية اشتقاقه،
- من النظر في تعريف الحرارة النوعية نجد أن العلاقة بين كل من مقدار تغير كمية الحرارة للمادة والفرق في درجة الحرارة نجد أنها علاقة طردية، أي أنه كلما أردنا زيادة درجة الحرارة للمادة فإننا نحتاج كمية حرارة مضافة أكثر إلى المادة.
بالرموز كما يأتي:
ΔQ ∝ ΔT
- وكذلك أيضاً بالنسبة إلى كتلة المادة فكلما زادت كتلة المادة لدينا سنحتاج إلى كمية حرارة أكثر لتسخينها، أي أن تغير الحرارة ومقدار كتلة المادة بينهما كذلك علاقة طردية.
بالرموز كما يأتي:
ΔQ ∝ m
- وبأخذ كل من العلاقتين السابقتين معا نحصل على ما يأتي:
ΔQ ∝ m ΔT
- أي أن التغير في مقدار الحرارة لمادة ما يكون بعلاقة طردية مع كل من كتلة المادة ومقدار الفرق في درجة الحرارة المطلوبة، وهذه العلاقة الطردية يمكن كتابتها كما يأتي:
ΔQ = C m ΔT
حيث إن كلاً من m تمثل كتلة المادة، وΔT مقدار التغير في درجة الحرارة، وC الحرارة النوعية للمادة، و ΔQ هي مقدار التغير في الحرارة.
- وبأخذ المعادلة بدلالة الحرارة النوعية تكون صيغة المعادلة كما يأتي:
(C = ΔQ / (m ΔT
مثال على قانون الحرارة النوعية
ما كمية الحرارة المطلوبة من أجل رفع درجة حرارة 100 غرام من الذهب مقدار 50 درجة كلفن، علماً أن الحرارة النوعية للذهب = 129 جول/ كغ. كلفن؟
الحل:
حسب المعطيات في المسألة إن قيمة كل من:
مقدار التغير في درجة الحرارة (ΔT). = 50 كلفن
الحرارة النوعية للذهب (C) = 129 جول/ كغ. كلفن
(ملاحظة: يجب التأكد من أن الوحدات القياسية للمعطيات بنفس الوحدات، مثلاً درجة الحرارة إذا كانت بالكلفن، يجب أن تكون الحرارة النوعية أيضاً وحدة درجة الحرارة فيها بالكلفن، وكذلك الأمر بالنسبة لبقية الوحدات.)
الكتلة (m) = 100 غ = 0.1 كغ
المطلوب: إيجاد قيمة كمية الحرارة لرفع 100 غرام من الذهب
نعوض المعطيات في قانون الحرارة النوعية كما يلي:
ΔQ = C m ΔT
- كمية الحرارة = (129 جول/ كغ. كلفن) (0.1 كغ) (50 كلفن) = 645 حول.
- فتكون كمية الحرارة المطلوبة لرفع 50 درجة كلفن لـ 100 غرام من الذهب تساوي 645 حول.
معلومات عن الحرارة النوعية
نذكر من أبرز المعلومات عن الحرارة النوعية ما يلي:
- تعرف الحرارة النوعية أو السعة الحرارية النوعية بأنها الحرارة اللازمة من أجل رفع درجة حرارة غرام واحد (أو وحدة كتلة واحدة) من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة.
- تُعرّف أيضاً بأنها نسبة كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة واحدة إلى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة نفس كمية من الماء بمقدار درجة واحدة.
- تكون وحدة قياس الحرارة النوعية عبارة عن سعرات حرارية لكل غرام لكل درجة مئوية، أو جول لكل غرام لكل درجة مئوية.
- من الأمثلة عليه في الحياة العملية: عندما نقوم بتسخين الماء لغليه في وعاءين بحجمين مختلفين عن بعضهما، فإن كمية الحرارة التي تلزم لغلي الماء في وقت محدد ستعتمد تماماً على حجم الماء لدينا، أي أن الوعاء الذي يحتوي على كمية ماء أكثر من الوعاء الآخر سوف يستغرق وقتاً أكثر من الآخر ليصل درجة الغليان ، وهذا يعني أن كمية الحرارة التي تتطلب لرفع درجة حرارة أي مادة تكون بكميات مختلفة وهذا لاعتماد ذلك على حجم المادة نفسها.
