قياس الحرارة

الطاقة الحرارية  

بشكل ميكروسكوبي، الطاقة الحرارية هي الطاقة الحركية المرتبطة بالحركة العشوائية للذرات والجزيئات. إن درجة الحرارة مقياس كمي للحرارة “الساخنة” أو “الباردة”، وهو ما يعتمد على كمية الطاقة الحرارية. عندما تتحرك الذرات والجزيئات في جسم ما أو تهتز بسرعة، يكون متوسط الطاقة الحركية (KE) أعلى (أو طاقة حرارية أعلى)، ويُنظر إلى الجسم على أنه “ساخن”، أو يُوصف بأنه عند درجة حرارة أعلى. عندما تتحرك الذرات والجزيئات ببطء، يكون متوسط الطاقة الحركية KE عند مستوى أدنى (أو طاقة حرارية أقل)، ويُنظر إلى الجسم على أنه “بارد”، أو يُوصف بأنه عند درجة حرارة أقل.  

بافتراض أنه لا يحدث أي تفاعل كيميائي أو تغير في الحالة (مثل الانصهار أو التبخر)، فإن زيادة كمية الطاقة الحرارية في عينة من المادة ستتسبب في زيادة درجة الحرارة، بينما يؤدي خفض كمية الطاقة الحرارية في عينة من المادة إلى انخفاض درجة الحرارة.

الحرارة

الحرارة (q) هي انتقال الطاقة الحرارية بين جسمين في درجات حرارة مختلفة. يزيد تدفق الحرارة من الطاقة الحرارية لأحد الأجسام ويقلل الطاقة الحرارية للآخر. تتدفق الحرارة تلقائياً من حرارة عالية إلى باردة (أي اتجاه واحد فقط) وتستمر حتى تصل درجة حرارة المادتين إلى درجة الحرارة نفسها. ويتم قياس التغيرات في الحرارة من خلال التغيرات في درجة الحرارة.  

وحدة الحرارة والعمل والطاقة في النظام الدولي للوحدات هي الجول. يتم تعريف الجول (J) بأنه مقدار الطاقة المستخدمة عندما تتحرك قوة نيوتن (1 نيوتن) جسمًا طوله 1 متر. وقد سميت على شرف عالم الفيزياء الإنجليزي جيمس بريسكوت جول. يعادل جول واحد 1 كغ م²/s²، ويسمى أيضًا 1 نيوتن–متر. كيلو جول واحد (kJ) يساوي 1000 جول. ولتوحيد تعريفه، تم تعيين سعرة حرارية واحدة إلى 4.184 جول.

نقل الطاقة الحرارية

السعة الحرارية (C) لجسم المادة هي كمية الحرارة (q) التي تمتص أو تصدر عندما تشهد تغييرًا في درجة الحرارة (ΔT) بمقدار درجة مئوية واحدة (أو بشكل مكافئ، 1 كلفن):

يتم تحديد السعة الحرارية حسب نوع المادة التي تمتص الحرارة أو تطلق منها. لذلك، فإن السعة الحرارية هي خاصية واسعة النطاق — حيث تتناسب قيمتها مع كمية المادة. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك السعة الحرارية لمقلاتين من الحديد المصبوب. تبلغ السعة الحرارية للمقلاة الكبيرة خمس أضعاف سعة المقلاة الصغيرة، لأنه على الرغم من أن المقلاتين مصنوعتان من نفس المادة، فإن كتلة المقلاة الكبيرة أكبر بخمس أضعاف من كتلة المقلاة الصغيرة. تعني الكتلة الأكبر وجود المزيد من الذرات في المقلاة الأكبر، لذا يتطلب الأمر مزيداً من الطاقة لجعل كل تلك الذرات تهتز بشكل أسرع. يمكن العثور على السعة الحرارية لمقلاة القلي الصغيرة من الحديد من خلال ملاحظة أنه يلزم زيادة مقدارها 18140 جول (q) لزيادة درجة حرارتها بمقدار 50.0 درجة مئوية° (&دلتا;T):

تتطلب المقلاة الكبيرة من الحديد الزهر، المصنوعة من نفس المادة، من الطاقة (q) 90700 J لرفع درجة حرارتها بمقدار 50.0 درجة مئوية (&دلتا;T). للمقلاة الأكبر سعة حرارية أكبر (نسبياً) لأن الكمية الأكبر من المادة تتطلب كمية أكبر من الطاقة (نسبياً) لإحداث نفس التغير في درجة الحرارة:

إن السعة الحرارية المحددة (c) للمادة، والتي يطلق عليها عادة “الحرارة النوعية,”، هي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة غرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة (أو 1 كلفن):  

تعتمد السعة الحرارية المحددة فقط على نوع المادة التي تمتص الحرارة أو تطلق منها. إنها ملكية— مكثفة، لذا فهي غير معتمدة على كمية المادة. على سبيل المثال، مقلاة صغيرة من الحديد تحتوي على كتلة من 808 غ. ولذلك فإن الحرارة النوعية للحديد (المادة المستخدمة في صنع المقلاة) هي:

تبلغ كتلة مقلاة القلي الكبيرة 4040 غ. باستخدام البيانات الخاصة بهذه الصَينية، يمكننا أيضًا حساب الحرارة النوعية للحديد:  

على الرغم من أن المقلاة الكبيرة أكبر من المقلاة الصغيرة، حيث أن المقلاة مصنوعة من نفس المادة، إلا أن كلاً منهما ينتج نفس القيمة بالنسبة لحرارة معينة (بالنسبة لمواد البناء، الحديد). لاحظ أن الحرارة النوعية تُقاس بوحدات الطاقة لكل درجة حرارة لكل كتلة وهي خاصية مكثفة، يتم اشتقاقها من نسبة خواصين شاملين (الحرارة والكتلة). إن الطاقة الحرارية المولية، وهي أيضاً خاصية مكثفة، هي السعة الحرارية لكل مول من مادة معينة، وهي تحتوي على وحدات من J/مول⋅°C.

الماء له حرارة عالية نسبيا محددة (حوالي 4.2 J/g⋅°C للسائل و2.09 J/g⋅°C للصلب) ؛ معظم المعادن لديها درجات حرارة أقل بكثير (عادة أقل من 1 J/g⋅°C). من خلال معرفة كتلة مادة وحرارة معينة لها (m)، يمكن تحديد مقدار الحرارة، q، إدخال المادة أو مغادرتها عن طريق قياس تغير درجة الحرارة (ΔT) قبل وبعد اكتساب الحرارة أو فقدانها:  

إذا ارتفعت درجة حرارة المادة، وكانت درجة حرارتها النهائية أعلى من درجة حرارتها الأولية، T_نهائي − T_أولي فإن لها قيمة موجبة وقيمة q موجبة. إذا فقدت المادة الطاقة الحرارية، تنخفض درجة حرارتها، وتكون درجة الحرارة النهائية أقل من درجة الحرارة الأولية،T_نهائي − T_أولي فإن لها قيمة سالبة، وتكون قيمة q سالبة.

لاحظ أنه يمكن استخدام العلاقة بين الحرارة والحرارة والكتلة وتغيير درجة الحرارة لتحديد أي من هذه الكميات (وليس الحرارة فقط) إذا كانت الكميات الثلاثة الأخرى معروفة أو يمكن استنتاجها.

هذا النص مقتبس من OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics and OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.