إذا سبق لك أن مشيت على طول الشاطئ في يوم مشمس وغمست أصابع قدميك في الماء لتبريدها بعد الرمال الساخنة، لقد استفدت من الحرارة النوعية للماء.
بغض النظر عما قد يبدو عليه الأمر، فإن الحرارة النوعية لا تشير إلى درجة الحرارة الدقيقة لشيء ما. إنه مفهوم علمي أكبر يتعلق بالطاقة اللازمة لتسخين مادة ما. وكما لاحظتم من المثال، ليست كل المواد تسخن بنفس المعدل - ومن هنا تأتي درجات الحرارة المختلفة للرمل والماء.
تعد الحرارة النوعية للماء واحدة من أكثر خصائصه إثارة للاهتمام. في هذه المقالة، سنغطي ما هي الحرارة النوعية، وما هي المعادلة التي تستخدمها للعثور على الحرارة النوعية، ولماذا تكون الحرارة النوعية للماء مرتفعة جدًا.
يتمتع كل من الموقد والوعاء والماء والبخار بدرجات حرارة محددة مختلفة.
ما هي الحرارة النوعية؟
الحرارة النوعية هي مقياس للسعة الحرارية، أو مقدار الحرارة التي يمكن أن تخزنها المادة عند تغيير درجة الحرارة. تعني السعة الحرارية العالية أن المادة يمكنها امتصاص قدر كبير من الحرارة قبل تسجيل التغير في درجة الحرارة - فكر في المدة التي يستغرقها القدر حتى يصبح دافئًا عند لمسه على الموقد مقابل الوقت الذي يستغرقه الماء بداخله حتى يصبح دافئًا . وهذا يعني أن الماء يتمتع بقدرة حرارية أعلى، إذ يمكنه تخزين المزيد من الحرارة قبل أن تتغير درجة حرارته.
ب+ الأشجار
تشير الحرارة النوعية إلى الكمية الدقيقة من الحرارة اللازمة لجعل وحدة كتلة واحدة من المادة أكثر دفئًا بدرجة واحدة. وبالعودة إلى مثالنا، فإن الحرارة النوعية ستحدد بالضبط مقدار الحرارة المطلوبة لجعل وحدة واحدة من الماء، مثل كوب واحد، أكثر دفئًا بدرجة واحدة.
نظرًا لأن الحرارة هي في الحقيقة مقياس لنقل الطاقة، فمن الأدق قول ذلك الحرارة النوعية هي في الواقع بيان لكمية الحرارة طاقة يمكن أن تمتص المادة قبل تغير درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة.
يتم قياس الحرارة النوعية عادةً بالجول والكيلوجول لكل جرام واحد من الكتلة، مع استخدام الدرجة المئوية كمقياس لدرجة الحرارة. يمكن استخدام الكيلوجرام والفهرنهايت، لكن هذا نادر.
يمكن أن تتأثر الحرارة النوعية للمادة بدرجة الحرارة والضغط، لذلك يتم تحديد الحرارة النوعية عادة عند درجة حرارة وضغط ثابتين، عادة 25 درجة مئوية.
ما هي معادلة الحرارة النوعية؟
المعادلة لحساب الحرارة النوعية هي:
$$Q = ق × م × ΔT$$
$Q$ يمثل كمية الحرارة، $s$ الحرارة النوعية (${Joules}/{gram * °Celsius}$)، m كتلة المادة بالجرام، و $ΔT$ التغير الملحوظ في درجة حرارة.
كيفية التحديث في جافا
قد يكون للأنواع المختلفة من المياه، مثل مياه البحر، حرارة نوعية مختلفة.
ما هي الحرارة النوعية للماء؟
تسخن بعض المواد بسرعة، بينما تسخن مواد أخرى ببطء. والماء هو أحد العناصر الأخيرة، فهو يتمتع بقدرة حرارية نوعية عالية لأنه يتطلب المزيد من الطاقة لرفع درجة الحرارة.
تبلغ السعة الحرارية النوعية للماء 4182 جول/كجم درجة مئوية. ونظرًا لأن الماء مادة مهمة وشائعة، فلدينا طريقة خاصة لتحديد كمية الطاقة اللازمة لرفع جرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة - أي السعرات الحرارية. وهذا يختلف عن نوع السعرات الحرارية التي نتحدث عنها في الطعام. هذا النوع من السعرات الحرارية يعادل 1000 سعرة حرارية، ولهذا السبب يشار أحيانًا إلى السعرات الحرارية المرتبطة بالطعام باسم كيلو سعرة حرارية، أو سعر حراري.
الحرارة النوعية للماء أعلى قليلاً من العديد من المواد الشائعة الأخرى. على سبيل المثال، الحرارة النوعية للحديد هي 449 جول/كجم درجة مئوية، والرمل 830 جول/كجم درجة مئوية، وخشب البلوط 2400 جول/كجم درجة مئوية.
وذلك لأن الماء، الذي يتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة، له سالبية كهربية. من المرجح أن تجذب الذرة السالبة الإلكترونات الإلكترونات إلى نفسها، لأن أحد جانبي الذرة سيكون له شحنة موجبة جزئيًا والآخر سيكون له شحنة سالبة جزئيًا. تنجذب الجوانب المشحونة بشكل طبيعي إلى بعضها البعض، مما يشكل رابطة هيدروجينية أضعف. ولهذا السبب فإن الماء قادر على التدفق عبر نفسه، ولكنه أيضًا يرتبط ببعضه البعض، فهو يشكل هذه الروابط ويكسرها باستمرار.
هذه الروابط هي أيضًا السبب وراء احتواء الماء السائل على حرارة نوعية عالية. يتم تقسيم أي طاقة يتم توجيهها لتسخين الماء بين كسر الروابط وتسخين الماء. و لهذا، يستهلك طاقة أكبر لتسخين الماء مقارنة بالمواد الأخرى.
على سبيل المثال، إذا كنت على الشاطئ في يوم مشمس، ستلاحظ أن الرمال غالبًا ما تكون ساخنة جدًا للمشي عليها، ولكن الماء دائمًا يبدو باردًا، حتى في المياه الضحلة. وذلك لأن الرمل لديه قدرة حرارية نوعية أقل، فهو يتطلب طاقة أقل لرفع درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة. ونظرًا لأن الماء يتمتع بقدرة حرارية عالية، فإنه يتطلب المزيد من الطاقة لرفع درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة. تبعث الشمس بمعدل ثابت إلى حد ما من الطاقة، مما يؤدي إلى تسخين الرمال بسرعة أكبر والمياه ببطء أكبر.
يمتلك الرمل حرارة نوعية أقل بكثير من الماء، ولهذا السبب يصبح ساخنًا بسرعة كبيرة!
جدول الحرارة المحددة
إذا لم تكن على دراية بالجول والسعرات الحرارية، فقد تبدو هذه الأرقام مجردة بعض الشيء. ألقِ نظرة على هذا الجدول لتتعرف على بعض درجات الحرارة المحددة الشائعة وفقًا لكل من الجول والسعرات الحرارية، وقارنها بما تعرفه عن كيفية تسخين هذه المواد!
| مادة | الحرارة النوعية بـ J/kg°C | الحرارة النوعية بوحدة كال/جرام درجة مئوية |
| ذهب | 129 | 0.031 |
| هواء | 1005 | 0.24 |
| جلد | 1500 | 0.36 |
| زيت الزيتون | 1790 | 0.43 |
| ورق | 1336 | 0.32 |
| ملح الطعام | 880 | 0.21 |
| رمل الكوارتز | 830 | 0.19 |
| فُولاَذ | 490 | 0.12 |
| الماء السائل | 4182 | 1.00 |
| خشب | 1300 - 2400 | 0.41 |
ماذا بعد؟
هل أنت مستعد لمزيد من المعرفة العلمية المتعلقة بالمياه؟تعلم كل شيء عن مركبات ماصة للماء (سميت بشكل مناسب بالهيدرات) و ال كثافة الماء .
إذا كانت حرارة الماء المحددة قد أثارت اهتمامك بالكيمياء، فقد تكون كيمياء AP مناسبة لك! ألق نظرة على هذا منهج الكيمياء AP لمعرفة المزيد حول المواضيع التي سيتم تناولها.
أو ربما تكون مشتركًا بالفعل في كيمياء AP وتبحث عن بعض النصائح والحيل حول كيفية اجتياز اختبارك بنجاح. ألق نظرة على هذا دليل لامتحان الكيمياء AP لكل ما تحتاج إلى معرفته!
إذا لم تكن مستعدًا تمامًا للاختبار ولكنك تحتاج إلى القليل من الدعم الإضافي في دورة الكيمياء المتقدمة الخاصة بك، قد يكون دليل دراسة AP Chemistry هذا هو ما تبحث عنه.