گرمای ویژه: کلید درک رفتار مواد در برابر گرما
گرمای ویژه چیست و چگونه تعریف میشود؟
همه ما تجربه کردهایم که فلز قاشق سریعتر از ظرف چینی سوپ داغ میشود. یا اینکه در یک روز آفتابی، آسفالت خیابان بسیار داغ است، اما آب استخر خنکتر به نظر میرسد. دلیل این پدیدهها به خاصیتی به نام گرمای ویژه مربوط میشود.
گرمای ویژه مقدار انرژی گرمایی مورد نیاز برای افزایش دمای یک واحد جرم از یک ماده به اندازه یک درجه سانتیگراد (یا یک کلوین) است. به بیان سادهتر، معیاری است که نشان میدهد یک ماده چقدر راحت (گرما میگیرد) یا چقدر سخت (خنک میشود).
$ Q $ مقدار گرما بر حسب ژول2 است.
$ m $ جرم ماده بر حسب کیلوگرم است.
$ c $ گرمای ویژه ماده بر حسب ژول بر کیلوگرم بر درجه سانتیگراد ($ J/(kg \cdot ^{\circ}C) $) است.
$ \Delta T $ تغییر دما بر حسب درجه سانتیگراد یا کلوین است.
از این فرمول میتوانیم گرمای ویژه ($ c $) را استخراج کنیم:
$ c = \frac{Q}{m \times \Delta T} $
این یعنی اگر بخواهیم دمای 1 kg آب را 1 $^{\circ}C$ افزایش دهیم، به 4184 J انرژی نیاز داریم. بنابراین گرمای ویژه آب 4184 $ J/(kg \cdot ^{\circ}C) $ است.
مقایسه گرمای ویژه مواد مختلف
مواد مختلف، گرمای ویژههای بسیار متفاوتی دارند. این جدول به مقایسه برخی مواد متداول میپردازد:
| نام ماده | گرمای ویژه (J/(kg·°C)) | تأثیر در زندگی روزمره |
|---|---|---|
| آب | ~4184 | گرم و سرد شدن آهسته دریاها، تنظیم دمای بدن، استفاده در رادیاتورها |
| یخ | ~2100 | ذوب آهسته در نوشیدنیها |
| آلومینیوم | ~900 | قابلمههای سبک و زودگرم |
| آهن / فولاد | ~450 | اتومبیلهایی که در آفتاب سریع داغ میشوند |
| مس | ~385 | هدایت عالی گرما، استفاده در کف قابلمه و رادیاتور |
| سرب | ~130 | گرمای ویژه بسیار پایین، زود گرم و زود سرد میشود |
همانطور که در جدول میبینید، آب دارای بالاترین گرمای ویژه در بین مواد معمولی است. این یعنی آب برای گرم شدن به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد و همچنین گرمای خود را به آرامی از دست میدهد. در مقابل، فلزاتی مانند سرب و مس گرمای ویژه کمی دارند، یعنی با انرژی کمی به سرعت گرم میشوند.
کاربردهای گرمای ویژه در دنیای واقعی
این مفهوم فقط در کتابهای درسی نیست، بلکه در اطراف ما جاری است. در ادامه با چند مثال ملموس آشنا میشویم.
۱. آب و هوای مناطق ساحلی: چرا در تابستان روزها کنار دریا نسیم خنکی از سمت دریا به خشکی میوزد و شبها برعکس؟ چون در روز، خشکی (با گرمای ویژه کمتر) سریعتر از آب دریا (با گرمای ویژه بالا) گرم میشود. هوای بالای خشکی گرم شده و بالا میرود و هوای خنکتر از روی دریا جای آن را میگیرد (نسیم دریا). شبها خشکی سریعتر سرد میشود، بنابراین جهت باد برعکس میشود (نسیم خشکی).
۲. طراحی سیستمهای گرمایش و سرمایش: در سیستمهای گرمایش مرکزی از آب استفاده میشود، زیرا آب با گرمای ویژه بالا میتواند مقدار زیادی انرژی گرمایی را در خود ذخیره کند و به آرامی در رادیاتورها در سراسر ساختمان آزاد نماید. این باعث کارایی و یکنواختی بیشتر سیستم میشود.
۳. آشپزی: قابلمههای مسی یا آلومینیومی به دلیل گرمای ویژه نسبتاً پایین و رسانایی گرمایی خوب، به سرعت یکنواخت گرم میشوند و برای پخت غذاهایی که به حرارت سریع نیاز دارند مناسب هستند. در مقابل، یک ظرف شیشهای پیرکس3 گرمای ویژه بالاتری دارد و دیرگرم و دیرسرد میشود.
۴. تنظیم دمای بدن: بدن انسان حدود 60% آب است. این حجم بالا از آب (با گرمای ویژه زیاد) به بدن کمک میکند که دمای خود را در برابر تغییرات دمایی محیط به خوبی حفظ کند. عرق کردن نیز یک مکانیسم خنککننده است که از گرمای نهان4 تبخیر آب استفاده میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر، این دو مفهوم متفاوت هستند اما گاهی با هم اشتباه گرفته میشوند.
گرمای ویژه (c): نشان میدهد یک ماده چقدر انرژی برای تغییر دمایش نیاز دارد (ظرفیت نگهداری گرما).
رسانایی گرمایی (k): نشان میدهد یک ماده چقدر سریع گرما را از خود عبور میدهد (سرعت انتقال گرما).
مثال: مس هم رسانایی گرمایی بالایی دارد (گرما را سریع عبور میدهد) و هم گرمای ویژه پایینی دارد (برای گرم شدن خودش انرژی کمی نیاز دارد).
ساختار مولکولی آب دلیل اصلی است. بین مولکولهای آب پیوندهای هیدروژنی6 قوی وجود دارد. برای افزایش دمای آب، ابتدا باید این پیوندهای قوی تا حدی شکسته شوند تا مولکولها سریعتر حرکت کنند (یعنی دما بالا برود). این فرآیست به انرژی زیادی نیاز دارد، درنتیجه گرمای ویژه آب بالا میرود.
بله، گرمای ویژه یک مقدار کاملاً ثابت نیست. برای مثال، گرمای ویژه یخ (حالت جامد) با گرمای ویژه آب مایع متفاوت است (به جدول مراجعه کنید). همچنین، گرمای ویژه گازها معمولاً به فشار و دمای آنها بستگی دارد. اما برای محاسبات ساده در محدوده دمایی معمولی، میتوان آن را تقریباً ثابت در نظر گرفت.
پاورقی
1 Specific Heat Capacity
2 Joule (واحد انرژی در سیستم بینالمللی)
3 Pyrex (نوعی شیشه مقاوم در برابر حرارت)
4 Latent Heat
5 Thermal Conductivity
6 Hydrogen Bonds
