مفهوم الحرارة النوعية
لاحظ العالم الاسكتلندي جوزيف بلانك قديماً أن المواد المختلفة تحتاج لكميات مختلفة من الحرارة لرفع درجة حرارتها إلى نفس الدرجة لكميات كتلة متساوية منها، وخلال نفس المدة الزمنية، ومن ملاحظته هذه قام بتأسيس مفهوم الحرارة النوعية (بالإنجليزية: Specific heat)، وهي الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة، وتكون وحدة قياس الحرارة النوعية عبارة عن سعرات حرارية، أو جول لكل غرام لكل درجة مئوية.
السعة الحرارية
لكي يتم فهم الحرارة النوعية لا بد من التطرق إلى مفهوم السعة الحرارية أيضاً، حيث إن الحرارة النوعية تستخدم للإشارة لشيء معين، بينما السعة الحرارية (بالإنجليزية: Heat Capacity) هي نسبة كمية الحرارة المطلوبة لتغيير درجة الحرارة درجة مئوية واحدة، ولكن عند التفكير بكمية محددة من الكتلة فهنا يتم استخدام مصطلح الحرارة النوعية أو سعة الحرارة النوعية، والسعة الحرارية لمعظم الأنظمة لا تكون ثابتة وتعتمد على عوامل مثل الضغط والحجم ودرجة الحرارة.
عندما يتم إضافة الطاقة الحرارية إلى مادة أو سحب الطاقة منها، فإن درجة حرارة المادة تتغير، ولكن المقدار الذي ستتغير فيه درجة الحرارة ليس نفسه لجميع المواد، حتى إن كان مقدار الطاقة الحرارية المضافة هي نفسها، مثلًا إذا تمت إضافة طاقة حرارية بنفس المقدار إلى وعاء ماء وإلى كأس ماء، يصبح كأس الماء أسخن من وعاء الماء، وهذا لأن تغير درجة الحرارة يعتمد على كمية المادة التي سيتم تسخينها، وكذلك يعتمد على نوع المادة التي سيتم تسخينها، مثلاً لرفع درجة حرارة الماء مقارنةً برفع درجة حرارة معدن ما، فإن الماء يتطلب طاقة أكثر من المعدن في حالة تساوي الكمية التي سيتم تسخينها للماء والمعدن.
كمية الطاقة التي يتم إضافتها لجسم ما لرفع درجة حرارته بمقدار درجة واحدة تعرف باسم السعة الحرارية ، حيث إن الطاقة الحرارية المطلوبة لتغيير درجة الحرارة لجسم ما يعبر عنها بالمعادلة الآتية:
التغير في الطاقة الحرارية = (السعة الحرارية) × (التغير في درجة الحرارة)
وإذا كانت الطاقة الحرارية تقاس بالسعرات الحرارية ودرجة الحرارة بالدرجة المئوية، فإن السعة الحرارية تعطى بـالسعرات الحرارية/ درجة مئوية، أو بالجول/ درجة مئوية.
الحرارة النوعية لمواد مختلفة
إذا قمنا بقسمة السعة الحرارية لجسم ما على مقدار كتلته، نحصل على الحرارة النوعية لهذا الجسم، والحرارة النوعية لا تعتمد على حجم الجسم أو شكله، فقط تعتمد على المادة التي يتكون منها هذا الجسم، وللماء درجة حرارة نوعية عالية، تساوي 1 سعرة حرارية لكل جرام لكل درجة مئوية، أو 4186 جول لكل كيلوجرام * درجة مئوية، الجليد يطفو على سطح الماء لأنه عندما يتجمد الماء فإن حجمه يتغير، حيث إن الحرارة النوعية للماء تتغير عندما تصبح درجة حرارته قريبة من درجة الصفر مئوية.
فيما يأتي جدول يحتوي على قيم الحرارة النوعية لمواد مختلفة:
| المادة | الحرارة النوعية بوحدة (جول/ غرام * درجة مئوية) | الحرارة النوعية بوحدة (كالوري/ غرام*درجة مئوية) |
| الماء (سائل 15 درجة مئوية) | 4.186 | 1.00 |
| الماء (جليد - 5 درجات مئوية) | 2.100 | 0.50 |
| الماء (بخار 110 درجات مئوية) | 2.010 | 0.48 |
| الخشب | 1.700 | 0.40 |
| الألمنيوم | 0.900 | 0.22 |
| الزجاج | 0.840 | 0.20 |
| الحديد | 0.450 | 0.11 |
| النحاس | 0.390 | 0.093 |
| الفضة | 0.230 | 0.056 |
المعادلة التي تعبر عن الحرارة المطلوبة لتغيير درجة حرارة الجسم هي كالآتي:
التغير في الطاقة الحرارية = (الحرارة النوعية) × (الكتلة) × (التغير في درجة الحرارة).
إذا أُعطيت الطاقة الحرارية بوحدة السعرات الحرارية، والكتلة بوحدة الجرام، ودرجة الحرارة بالدرجة المئوية، تُعطى الحرارة النوعية بوحدة السعرات الحرارية/ غرام * درجة مئوية).
مثال على حساب الحرارة النوعية
احسب الطاقة الحرارية التي يحتاجها 0.6 كيلوغرام من مادة الرمل، من درجة 30 مئوية إلى درجة 90 مئوية علماً أن الحرارة النوعية للرمل هي 830 جول/كغم. س
الحل:
الحرارة النوعية = 830 جول/كغم درجة مئوية.
الكتلة = 0.6 كيلوغرام.
فرق درجة الحرارة المطلوب رفعها = (90 - 30) درجة مئوية = 60 درجة مئوية.
لحساب الطاقة الحرارية اللازمة نعوض في معادلة الحرارة النوعية على النحو الآتي:
الطاقة الحرارية = (الحرارة النوعية) × (كتلة) × (تغير في درجة الحرارة)
الطاقة الحرارية = (30 جول/ كغم درجة مئوية) (0.6 كغ) (60 درجة مئوية) = 29880 جول.
