ظرفیت گرمای1ی: کلید درک چگونگی ذخیرهی انرژی گرمایی توسط مواد
گرما و دما: دو مفهوم متمایز اما مرتبط
پیش از پرداختن به ظرفیت گرمایی، باید تفاوت دو مفهوم کلیدی دما3 و گرما4 را درک کنیم. دما معیاری از متوسط انرژی جنبشی5 ذرات یک ماده است و با دماسنج اندازهگیری میشود. اما گرما شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو جسم منتقل میشود. برای مثال، وقتی یک قاشق فلزی داغ را در یک لیوان آب سرد میگذاریم، گرما از قاشق (دمای بالاتر) به آب (دمای پایینتر) جریان مییابد تا زمانی که دمای هر دو یکسان شود.
حال سوال اینجاست: اگر به دو جرم مختلف از یک ماده، مثلاً 100 گرم و 1 کیلوگرم آب، مقدار یکسانی گرما بدهیم، دمای کدام یک بیشتر افزایش مییابد؟ جواب واضح است: 100 گرم آب. زیرا جرم کمتری دارد. اینجا پای مفهوم ظرفیت گرمایی به میان میآید.
ظرفیت گرمایی چیست و چگونه محاسبه میشود؟
ظرفیت گرمایی (C) یک جسم، مقدار گرمای (Q) مورد نیاز برای افزایش دمای آن جسم به اندازه 1 درجه سانتیگراد (یا 1 کلوین) است. واحد آن در سیستم بینالمللی، ژول بر کلوین ($\frac{J}{K}$) است. رابطهی اصلی به این شکل است:
Q = گرمای مبادله شده (بر حسب ژول)
C = ظرفیت گرمایی جسم (بر حسب ژول بر کلوین)
ΔT = تغییر دما (بر حسب کلوین یا درجه سانتیگراد)
از این رابطه میتوان نوشت: $C = \frac{Q}{\Delta T}$. این یعنی اگر بدانیم برای تغییر دمای یک جسم چقدر گرما لازم است، میتوانیم ظرفیت گرمایی آن را حساب کنیم.
اما ظرفیت گرمایی به جرم جسم وابسته است. برای رفع این وابستگی و داشتن ویژگی ذاتی ماده، مفهوم ظرفیت گرمایی ویژه (c) را تعریف میکنیم.
ظرفیت گرمایی ویژه: شناسنامهی گرمایی هر ماده
ظرفیت گرمایی ویژه (c) مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای 1 کیلوگرم از یک ماده به اندازه 1 درجه سانتیگراد است. واحد آن ژول بر کیلوگرم بر کلوین ($\frac{J}{kg \cdot K}$) است. رابطهی معروف آن این است:
m = جرم جسم (بر حسب کیلوگرم)
c = ظرفیت گرمایی ویژه ماده (بر حسب $\frac{J}{kg \cdot K}$)
مقایسهی ظرفیت گرمایی ویژه مواد مختلف بسیار جالب است. مواد با ظرفیت گرمایی ویژه بالا (مانند آب) برای گرم شدن به انرژی زیادی نیاز دارند و در عین حال، آهستهتر نیز سرد میشوند. برعکس، مواد با ظرفیت گرمایی ویژه پایین (مانند فلزات) به سرعت گرم و سرد میشوند.
| ماده | ظرفیت گرمایی ویژه تقریبی (J/kg·K) |
تأثیر در زندگی |
|---|---|---|
| آب | ۴۱۸۰ | بالاترین مقدار در بین مواد متداول. باعث تعدیل آب و هوای شهرهای کنار دریا میشود. |
| یخ | ۲۱۰۰ | ذوب یخ نیز انرژی زیادی میطلبد (گرمای نهان6 ذوب). |
| آلومینیوم | ۹۰۰ | در ساخت قابلمه استفاده میشود تا گرما را به سرعت به غذا منتقل کند. |
| آهن / فولاد | ۴۵۰ | رادیاتورهای چدنی به دلیل ظرفیت گرمایی بالا، گرما را آهسته پس میدهند. |
| سرب | ۱۳۰ | یکی از پایینترین مقادیر. به سرعت گرم میشود. |
کاربردهای ظرفیت گرمایی ویژه در طبیعت و فناوری
این ویژگی مواد، نقش مهمی در جهان اطراف ما بازی میکند. بیایید چند مثال عملی بزنیم:
مثال ۱: آب و هوا چرا دمای شهرهای ساحلی در زمستان معتدلتر و در تابستان خنکتر از شهرهای داخلی است؟ زیرا آب دریا به دلیل ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالا، در تابستان گرمای خورشید را جذب کرده و آهسته گرم میشود و این روند را در زمستان برعکس میکند (آهسته گرما از دست میدهد). این پدیده تعدیلکنندگی آب نام دارد.
مثال ۲: پخت و پز تابههای فلزی (با ظرفیت گرمایی پایین) سریع داغ میشوند. اما اگر یک تابه چدنی سنگین (با ظرفیت گرمایی بالاتر) را روی حرارت بگذارید، مدت بیشتری طول میکشد تا گرم شود، اما پس از گرم شدن، حرارت یکنواخت و پایدارتری برای پخت غذا فراهم میکند. این همان دلیلی است که برای کباب کردن یا پخت برخی غذاها از ظروف چدنی استفاده میشود.
مثال ۳: سیستمهای گرمایشی در برخی سیستمهای حرارت مرکزی از آب استفاده میشود. زیرا آب با ظرفیت گرمایی بالای خود، میتواند مقدار زیادی انرژی گرمایی را در خود ذخیره کند و با جریان در لولهها، این گرما را به نقاط مختلف ساختمان منتقل نماید.
حل یک مسئلهی نمونه با فرمول
فرض کنید میخواهیم دمای ۲ لیتر (معادل ۲ کیلوگرم) آب را از ۲۰ درجه سانتیگراد به ۱۰۰ درجه سانتیگراد ( نقطه جوش) برسانیم. چقدر انرژی نیاز داریم؟ (ظرفیت گرمایی ویژه آب = ۴۱۸۰$\frac{J}{kg \cdot K}$)
۲. تغییر دما: $\Delta T = T_2 - T_1 = 100 - 20 = 80$ K (توجه: اندازهی تغییر دما در مقیاس کلوین و سانتیگراد برابر است).
۳. استفاده از فرمول: $Q = m \times c \times \Delta T$
۴. جایگذاری: $Q = 2 \times 4180 \times 80$
۵. محاسبه: Q = 668,800 J یا حدود 669 kJ.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[۱] Heat Capacity: ظرفیت گرمایی.
[۲] Specific Heat Capacity: ظرفیت گرمایی ویژه یا گرمای ویژه.
[۳] Temperature: دما.
[۴] Heat: گرما، انرژی در حال انتقال به دلیل اختلاف دما.
[۵] Kinetic Energy: انرژی جنبشی، انرژی ناشی از حرکت.
[۶] Latent Heat of Fusion: گرمای نهان ذوب، گرمای لازم برای تغییر فاز یک کیلوگرم ماده از جامد به مایع در دمای ثابت.
