ظرفیت گرمایی چیست؟ — به زبان ساده

ظرفیت گرمایی اصطلاحی در فیزیک است که بیان می‌کند چه مقدار گرما باید به ماده اضافه شود تا درجه حرارت آن یک درجه سانتیگراد افزایش یابد. این کمیت مربوط به گرمای ویژه است اما مفهومی متفاوت از این کمیت است. در این مطلب در مورد ظرفیت گرمایی و ویژگی‌های این کمیت بحث و بررسی انجام می‌دهیم. اما در ابتدا مروری بر گرما، دما و برخی پارامترهای دیگر خواهیم داشت.

علم ترمودینامیک

قبل از شروع بحث در مورد ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه لازم است که ابتدا اصول انتقال گرما در فیزیک و به طور کلی مفهوم گرما را بشناسید و با برخی از معادلات اساسی این زمینه آشنا شوید.

ترمودینامیک شاخه‌ای از فیزیک است که با کار و انرژی یک سیستم سروکار دارد. کار، انرژی و گرما علیرغم داشتن معانی مختلف و کاربردهای مختلف واحدهای یکسانی در فیزیک دارند. واحد گرما در استاندارد بین المللی SI ژول است.

کار فیزیکی به عنوان حاصلضرب نیرو در فاصله تعریف می‌شود بنابراین با توجه به واحدهای SI برای هر یک از این مقادیر ژول همان نیوتن در متر است. واحدهای دیگری که احتمالاً برای گرما با آن روبرو می‌شوید عبارت از کالری (cal)، واحد انگلیسی حرارت (btu) و erg هستند.

رفتار گازها متفاوت از مایعات و جامدات است. بنابراین فیزیکدانان دنیای آیرودینامیک و رشته‌های مرتبط که به طور طبیعی بسیار درگیر رفتار هوا و گازهای دیگر در کار خود با موتورهای پرسرعت و ماشین‌های پرنده هستند، نگرانی‌های ویژه‌ای در مورد ظرفیت گرمایی و سایر پارامترهای قابل اندازه‌گیری فیزیکی مرتبط دارند که در این حالت مهم است.

یکی از این پارامترها آنتالپی است که شامل اندازه‌گیری گرمای داخلی سیستم بسته است. این کمیت برابر با حاصل جمع انرژی سیستم و حاصل ضرب فشار و حجم است و در حقیقت داریم:

$$H=E+PV$$

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

به طور خاص تغییر در آنتالپی به معنای تغییر در حجم گاز است و داریم:

$$\Delta H=E+P\Delta V$$

نماد یونانی $$\Delta$$ یا دلتا به معنای تغییر یا تفاوت یک کمیت طبق قوانین در فیزیک و ریاضیات است. علاوه بر این می‌توان گفت که حاصلضرب واحد فشار در حجم برابر با واحد کار می‌شود. واحد فشار برابر با نیوتن بر متر مربع است در حالی که واحد حجم متر مکعب است و حاصلضرب این دو واحد برابر با نیوتن در متر است. همچنین فشار و حجم گاز با معادله زیر به هم مربوط می‌شوند:

$$P\Delta V=R\Delta T$$

در رابطه بالا T دما و R ثابت گازها است که برای هر گاز مقدار متفاوتی دارد.

گرما چیست؟

گرما همان چیزی است که دانشمندان به آن نوعی انرژی می‌گویند که بین دو ماده با دمای مختلف منتقل می‌شود. این انتقال انرژی به دلیل تفاوت در میانگین انرژی جنبشی انتقالی برای هر مولکول در دو ماده رخ می‌دهد. تا رسیدن به تعادل گرمایی، گرما از ماده با درجه حرارت بالاتر به سمت ماده با درجه حرارت پایین جریان می‌یابد. واحد SI گرما ژول است و یک ژول برابر با یک نیوتن در متر است.

برای درک بهتر آنچه در هنگام وقوع این انتقال انرژی اتفاق می‌افتد سناریوی زیر را تصور کنید: دو ظرف مختلف پر از گلوله‌های کوچک پلاستیکی است که به اطراف پرش می‌کنند. در یکی از ظرف‌ها سرعت متوسط ​​توپ‌ها (و از این رو انرژی حرکتی متوسط ​​آن‌ها) بسیار بیشتر از سرعت متوسط ​​توپ‌های موجود در ظرف دوم است (اگر چه سرعت هر توپ خاص در هر زمان ممکن است هر مقداری داشته باشد اما برخوردها باعث انتقال مداوم انرژی بین توپ‌ها می‌شوند).

اگر این ظروف را طوری قرار دهید که دیواره‌های آن‌ها یکدیگر را لمس کنند و سپس دیواره‌ای جدا کننده محتوای آن‌ها را بردارید چه اتفاقی می‌افتد؟

توپ‌های ظرف اول تعامل با توپ‌های ظرف دوم را شروع می‌کنند. با بیشتر و بیشتر شدن برخورد بین توپ‌ها به تدریج سرعت متوسط ​​توپ‌ها در هر دو ظرف یکسان می‌شود و مقداری از انرژی گلوله‌های ظرف اول تا رسیدن به این تعادل جدید به گلوله‌های ظرف دوم منتقل می‌شود.

این اساساً همان اتفاقی است که در برخورد دو جسم با دمای مختلف با یکدیگر در سطح میکروسکوپی اتفاق می‌افتد. در حقیقت در این فرآیند انرژی از جسم با دمای بالاتر به صورت گرما به جسم با درجه حرارت پایین‌تر منتقل می‌شود. برای مطالعه بیشتر در مورد گرما می‌توانید مطلب انرژی گرمایی را مطالعه کنید.

دما چیست؟

دما اندازه میانگین انرژی جنبشی انتقالی در هر مولکول در یک ماده است. در قیاس با توپی در محفظه اندازه‌گیری میانگین انرژی جنبشی هر توپی در یک ظرف داده شده است. در سطح مولکولی اتم‌ها و مولکول‌ها همه به لرزش در می‌آیند و به هم می‌خورند. با این حال شما نمی‌توانید این حرکت را ببینید زیرا در مقیاس بسیار کوچکی اتفاق می‌افتد.

مقیاس‌های معمول دما فارنهایت، سانتیگراد و کلوین هستند که کلوین استاندارد علمی است. مقیاس فارنهایت بیشتر در ایالات متحده دیده می‌شود. در این مقیاس آب در 32 درجه یخ می‌زند و در 212 درجه می‌جوشد. در مقیاس سانتیگراد که در اکثر نقاط دیگر دنیا رایج است آب در 0 درجه یخ می‌زند و در 100 درجه می‌جوشد. برای آشنایی بیشتر با نحوه تعریف واحدهای مختلف دما مطلب دماسنج چیست؟ را مطالعه کنید.

استاندارد علمی، مقیاس کلوین است. صفر در درجه کلوین برابر با $$-273.15$$ درجه سانتی‌گراد است. چرا چنین گزینه عجیبی برای صفر کلوین وجود دارد؟ به نظر می‌رسد که این انتخاب عجیب که بسیار کمتر از مقدار صفر در مقیاس سانتیگراد است دمایی است که در آن تمام حرکات مولکولی متوقف می‌شود. صفر کلوین از نظر تئوری سردترین درجه حرارت ممکن است.

چگونه حرارت انتقال پیدا می‌کند؟

سه روش اصلی وجود دارد که با استفاده از آن‌ها انرژی گرمایی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود. این روش‌ها عبارت از رسانایی، همرفت و تابش هستند.

فیلم آموزش فیزیک پایه دهم – فیزیک 1 در فرادرس

کلیک کنید

هدایت هنگامی اتفاق می‌افتد که انرژی مستقیماً بین دو ماده در تماس حرارتی با یکدیگر منتقل شود. این نوع انتقال همان چیزی است که در مثال توپ پلاستیکی که بالاتر توضیح داده شد، اتفاق می‌افتد. هنگامی که دو جسم در تماس مستقیم هستند انرژی از طریق برخورد بین مولکول‌های آن‌ها منتقل می‌شود. این انرژی به آرامی از نقطه تماس با بقیه جسم که دمای کمتری دارند منتقل می‌شود تا تعادل گرمایی حاصل شود.

با این حال همه اشیا یا مواد از این طریق انرژی را به یک اندازه خوب هدایت نمی‌کنند. برخی از مواد به نام رساناهای حرارتی خوب، می توانند انرژی گرمایی را راحت‌تر نسبت به سایر مواد که عایق‌های حرارتی خوبی هستند انتقال دهند.

شما در زندگی روزمره خود احتمالاً تجربه چنین رسانا‌ها و نارساناهای گرمایی را داشته‌اید. در یک صبح سرد زمستانی، قدم گذاشتن با پای برهنه روی کف کاشی چگونه با قدم زدن با پای برهنه روی فرش مقایسه می‌شود؟ چیزی که شما تجربه می‌کنید این است که احتمالاً به نظر می‌رسد فرش به نوعی گرم‌تر است اما اینطور نیست. هر دو سطح احتمالاً دما یکسانی دارند  اما کاشی رسانای حرارتی بسیار بهتری است. به همین دلیل باعث می‌شود که انرژی گرمایی خیلی سریعتر از بدن شما خارج شود.

همرفت نوعی انتقال گرما است که در گازها یا مایعات اتفاق می‌افتد. گازها و به میزان کمتری مایعات، با تغییر چگالی تغییرات دمایی را تجربه می‌کنند. سیالات معمولاً هرچه گرم‌تر باشند چگالی کمتری دارند.

به همین دلیل و به دلیل آزاد بودن حرکت مولکول‌های موجود در گازها و مایعات، اگر قسمت پایین سیال گرم شود منبسط می‌شود و بنابراین به دلیل تراکم پایین‌تر مولکول‌ها به سمت بالا می‌رود.

برای مثال اگر یک ظرف آب را روی اجاق گاز قرار دهید آب در ته دیگ گرم و منبسط می‌شود و با غرق کردن آب خنک‌تر به سمت بالا می‌آید. در ادامه این روند مجدداً آب خنک گرم و منبسط می‌شود و به سمت بالای ظرف حرکت می‌کند و این فرآیند متناوباً ادامه می‌یابد. در حقیقت در مثال ظرف روی اجاق گاز، جریان‌های همرفت ایجاد می‌شوند که باعث می‌شود انرژی گرمایی از طریق مخلوط کردن مولکول‌های درون سیستم در سیستم پراکنده شود، خلاف این حالت زمانی است که مولکول‌ها در یک مکان باقی می‌مانند و تنها به جلو و عقب می‌روند.

به همین دلیل است که بخاری‌ها اگر در کنار زمین قرار بگیرند برای گرم کردن خانه بهترین عملکرد را دارند. بخاری‌هایی که در نزدیکی سقف قرار می‌گیرند هوای نزدیک سقف را گرم می‌کنند و این هوا تقریباً در جای خود ثابت است.

شکل سوم انتقال گرما تابش است. تابش انتقال انرژی از طریق امواج الکترومغناطیسی است. اجسامی که گرم هستند می‌توانند به صورت تابش الکترومغناطیسی انرژی بدهند، به عنوان مثال به همین صورت است که انرژی گرمایی خورشید به زمین می‌رسد. در حقیقت به محض تماس تابش خورشید با جسم دیگر، اتم‌های آن جسم می‌توانند این انرژی را جذب کنند.

برای مطالعه بیشتر در زمینه انتقال انرژی گرمایی و روش‌های آن مطلب روش‌های انتقال گرما را مطالعه کنید.

ظرفیت گرمایی ویژه یا گرمای ویژه

دو ماده مختلف با جرم یکسان با وجود اضافه شدن انرژی کل یکسان به دلیل تفاوت در مقداری به نام ظرفیت گرمایی ویژه یا گرمای ویژه، تغییرات دمایی متفاوتی را تجربه می‌کنند. ظرفیت گرمایی ویژه به ماده مورد نظر بستگی دارد و به طور معمول مقدار ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده را توسط یک جدول ارائه می‌دهند.

به طور رسمی، ظرفیت گرمایی ویژه به عنوان مقدار انرژی گرمایی تعریف می‌شود که باید برای افزایش درجه حرارت تا یک درجه سانتیگراد در واحد جرم اضافه شود. واحدهای SI برای ظرفیت گرمایی ویژه، که معمولاً با c نشان داده می‌شود عبارت از $$\frac{J}{kg\ K}$$ است.

فرض کنید شما دو ماده مختلف دارید که وزن کاملاً یکسانی دارند و دقیقاً در یک دما هستند. ماده اول دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالا و ماده دوم دارای ظرفیت گرمایی ویژه کم است. حال فرض کنید که شما به هر دوی آن‌ها دقیقاً به یک میزان انرژی گرمایی بدهید. ماده اول، یعنی ماده‌ای که ظرفیت گرمایی بالاتری دارد به اندازه ماده دوم افزایش دما نخواهد داشت.

ظرفیت گرمایی چیست؟

به مقدار گرمای لازم برای بالا بردن دمای جسمی به اندازه واحد، ظرفیت گرمایی می‌گوییم. به دست آوردن ظرفیت گرمایی ماده یا C از گرمای ویژه یعنی c بدین صورت است که گرمای ویژه را در جرم ضرب می‌کنیم و اطمینان حاصل کنیم که از واحدهای جرم مشابه در کل مسئله استفاده می‌شود. ظرفیت گرمایی به زبان ساده نشان‌دهنده توانایی جسم در برابر گرم شدن با افزودن انرژی گرمایی است. رابطه بین ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه به صورت زیر بیان می‌شود: