تعیین ظرفیت گرمایی مواد شیمیایی – به زبان ساده + روش های محاسبه

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم روش‌های تعیین ظرفیت گرمایی چیست. سپس به بررسی مفهوم ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه پرداخته و اهمیت و اصول تعیین ظرفیت گرمایی مواد را می‌آموزیم. در ادامه، تعیین ظرفیت گرمایی انواع حالت ماده را بررسی کرده و در نهایت روش‌های آزمایشگاهی تعیین این کمیت را یاد می‌گیریم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید روش‌های تعیین ظرفیت گرمایی مواد چیست.

روش تعیین ظرفیت گرمایی مواد چیست؟

ظرفیت گرمایی مواد و ظرفیت گرمایی ویژه مواد عموما با روش‌های آزمایشگاهی مختلف مانند روش‌های گرماسنجی یا روش‌های غیر مستقیم مانند روش‌های مکانیکی یا طیف‌سنجی تعیین می‌شود. تعیین این کمیت برای هر ماده بسته به حالت ماده، نوع ماده، خواص فیزیکی و شیمیایی آن و محدودیت‌ها و ابزار آزمایشگاهی، می‌تواند به اشکال مختلفی انجام شود.

در ادامه برخی از این روش‌ها معرفی شده است.

• روش کالریمتری مستقیم
• روش کالری‌سنجی مخلوط
• روش کالریمتری بمبی
• روش گرماسنجی DSC
• روش گرماسنجی لیزری
• روش گرمادهی الکتریکی
• روش‌های صوتی
• روش‌های اسپتروسکوپی
• روش‌های مکانیکی

ظرفیت گرمایی چیست؟

ظرفیت گرمایی بیان می‌کند چه مقدار گرما باید به ماده اضافه شود تا درجه حرارت آن یک درجه سانتی گراد افزایش یابد. این کمیت با حرف انگلیسی C نمایش داده می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن ژول بر کلوین یا کالری بر درجه سانتی‌گراد است. به عبارت دیگر، ظرفیت گرمایی نشان می‌دهد که یک جسم چقدر در برابر تغییر دما مقاومت می‌کند. برای مثال، یک تکه آلومینیوم برای افزایش دمای آن ۱۰ درجه سانتی‌گراد به ۵۰۰ ژول گرما نیاز دارد. بنابراین، ظرفیت گرمایی این تکه آلومینیوم با ۵۰ ژول بر درجه سانتی‌گراد برابر است.

ظرفیت گرمایی ویژه

در ادامه فرمول‌های محاسبه این دو کمیت ارائه شده است.

تفاوت ظرفیت گرمایی و ظرفیت گرمایی ویژه

در قسمت قبل آموختیم تعریف ظرفیت گرمایی و ظرفیت گرمایی ویژه مواد چیست. در ادامه، ویژگی‌های هریک از این کمیت‌ها را مقایسه می‌کنیم.

یادگیری شیمی یازدهم با فرادرس

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره تعیین ظرفیت گرمایی مواد دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۳ پایه دوازدهم فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس

اهمیت تعیین ظرفیت گرمایی مواد

تعیین ظرفیت گرمایی مواد در علوم مختلفی برای شناخت خواص گرمایی مواد مختلف کاربرد دارد. ظرفیت گرمایی ویژه مواد تعیین می‌کند که ماده تا چه میزان پیش از تغییر دما میتواند حرارت و گرمای داده شده را جذب کند.

فیلم آموزش تعیین ظرفیت‌ گرمایی مواد شیمیایی در فرادرس

کلیک کنید

این کمیت‌ها می‌توانند به درک بسیاری از پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی، ساختار مواد، تولید دستگاه‌ها و مهندسی مواد در صنایع مختلف، بررسی تغییرات دمایی در محیط زیست و آب و هوا و ... نقش دارند. در ادامه برخی دیگر از اهمیت‌های تعیین ظرفیت گرمایی مواد معرفی شده است.

• درک ترمودینامیک و انتقال گرما در مواد
• درک چگونگی برهمکنش مواد با گرما
• بررسی آب و هوا و پدیده‌های اقلیمی
• کاربردهای علمی و مهندسی
• طراحی و استفاده در سیستم‌های گرمایشی در صنایع غذایی
• بررسی و تحقیقات زیست محیطی در مورد دما و انتقال گرما در محیط زمین

اصول و مبانی ظرفیت گرمایی مواد

در قسمت‌های قبل آموختیم ظرفیت گرمایی مواد چیست و تعیین ظرفیت گرمایی مواد چه اهمیتی دارد. برای تعیین این کمیت ابتدا باید اصول و مبانی این پارامتر را بیاموزیم. ظرفیت گرمایی در سیستم‌های مختلف با تغییر برخی پارامترها و ثابت نگه داشتن پارامترهای دیگر بررسی و اندازه‌گیری می‌شود. در ادامه، ظرفیت گرمایی ویژه مواد در حجم و فشار ثابت را بررسی می‌کنیم.

ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت

در سیستم‌های بسته که حجم آن‌ها ثابت نگه داشته می‌شود، میزان گرمای داده شده به جسم تنها صرف افزایش انرژی درونی ماده می‌شود. میزان ظرفیت گرمایی ویژه ماده با تغییرات دما در این سیستم‌ها اندازه‌گیری شده و نمودار ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت $$c_v$$ بر حسب آن رسم می‌شود.

این کمیت با استفاده از فرمول گرما که در ادامه آورده شده است اندازه‌گیری می‌شود.

$$Q=mc\Delta{T}$$

در این فرمول Q نماد گرما است که بر حسب ژول یا کالری انداره‌گیری می‌شود. m جرم جسم بر حسب گرم یا گیلوگرم و $$\Delta{T}$$ نیز تغییرات دما بر حسب درجه سانتی‌گراد یا کلوین را نمایش می‌دهد.

ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت

در برخی از موارد، با ثابت نگه داشتن فشار سیستم، تغییرات دمای ماده و ظرفیت گرمایی ویژه آن در فشار ثابت اندازه‌گیری و تعیین می‌شود. این روش تعیین ظرفیت گرمایی مواد به ویژه در فرآیندهای اتمسفری کاربرد دارد. در این حالت، بخشی از انرژی حرارتی مصرف شده صرف انبساط مولکول‌های ماده شده و بخشی دیگر صرف افزایش دمای سیستم و انرژی درونی آن می‌شود. ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت با علامت $$c_p$$ نمایش داده می‌شود.

تعیین ظرفیت گرمایی مواد جامد و مایع

در اکثر مواد جامد و مایع، از کاری که توسط فشار برای تعیین ظرفیت گرمایی مواد انجام می‌شود، صرف نظر می‌شود. زیرا حجم این مواد با تغییرات دما، تغییر چندانی نخواهد کرد. در نتیجه برای اغلب مایعات و جامدات، ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت با ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت مقدار برابری دارد. این معادله به شکل زیر نمایش داده می‌شود.

$$c_v = c_p$$

تعیین ظرفیت گرمایی گازها

$$C_p - C_v = R$$

جدول مقادیر ظرفیت گرمایی

برای درک بهتر انچه تا این قسمت در مورد تعیین ظرفیت گرمایی مواد شیمیایی آموختیم، به جدول زیر دقت کنید. در این جدول، مقادیر ظرفیت گرمایی ویزه برخی از مواد رایج بر حسب ژول بر کیلوگرم کلوین آورده شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید، ظرفیت گرمایی آب با اختلاف زیادی از سایر مواد موجود در این جدول بالاتر است.

 روشهای آزمایشگاهی تعیین ظرفیت گرمایی ویژه مواد

در قسمت‌های قبل آموختیم تعیین ظرفیت گرمایی مواد مختلف به چه منظور انجام می‌شود و چه اصولی دارد. در ادامه، روش‌های مختلف آزمایشگاهی اندازه‌گیری این کمیت را توضیح می‌دهیم.

روش کالریمتری مستقیم

در روش کالریمتری مستقیم، تغییرات دمای ماده مورد آزمایش در اثر حرارت، به شکل مستقیم و با دماسنج اندازه‌گیری شده و سپس با استفاده از فرمول زیر، ظرفیت گرمایی ویژه ماده تعیین می‌شود.

$$Q=mc\Delta{T}$$

در این رابطه Q مقدار گرمای داده شده به جسم، m جرم جسم، c ظرفیت گرمایی ویژه و $$\Delta{T}$$ تغییرات دما است که با تفریق دمای نهایی از دمای اولیه به دست می‌آید.

روش کالری سنجی مخلوط

در این روش از برهمکنش گرمایی دو ماده در گرماسنج بمبی استفاده می‌شود. ماده مجهول و ماده‌ای با ظرفیت گرمایی مشخص مانند آب با هم مخلوط می‌شوند. دمای ماده مجهول بالاتر بوده و در تماس با ماده معلوم، دمای خود را منتقل می‌کند. در نهایت دوماده هم دما می‌شوند. در این روش معادلات زیر برقرار می‌شود.

$$Q_1 + Q_2 = Q _{Mixture}$$

$$T_1 = T_2 = T _{Mixture}$$

در معادلات بالا، Q نماد انرژی گرمایی و T نماد دما است. در نهایت با استفاده از رابطه زیر، ظرفیت گرمایی ماده مجهول تعیین می‌شود.

$$m_1c_1\Delta{T_1}= m_2c_2\Delta{T_2}$$

این معادله بیان می‌کند که اگر به ماده ۱ با جرم $$m_1$$ و دمای