ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه-1

در ادامه مباحث ترموشیمی، برای بررسی دقیق‌تر نحوه تبادل گرما در مواد مختلف، به مفاهیم «ظرفیت گرمایی» و «ظرفیت گرمایی ویژه» نیاز داریم. مواد گوناگون در برابر گرم شدن مقاومت‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهند که این ویژگی با این مفاهیم کمی‌سازی می‌شود.

۱. ظرفیت گرمایی (C)
• تعریف: مقدار گرمایی است که باید به یک جسم مشخص داده شود تا دمای آن به اندازه یک درجه سلسیوس (یا یک کلوین) افزایش یابد.
• ویژگی: ظرفیت گرمایی یک ویژگی مقداری است؛ یعنی علاوه بر نوع ماده، به جرم (مقدار) آن نیز بستگی دارد. (ظرفیت گرمایی یک قابلمه مسی بزرگتر از یک قاشق مسی است).
• فرمول محاسبه:
\[C = \frac{q}{\Delta\theta}\]
در این رابطه، q گرمای مبادله شده و \(\Delta\theta\) تغییرات دما است.
• یکا (واحد): ژول بر درجه سلسیوس (\(\frac{J}{C}\)) یا ژول بر کلوین (J/K).

2. ظرفیت گرمایی ویژه (c)

برای اینکه بتوانیم رفتار گرمایی مواد مختلف را بدون در نظر گرفتن جرم آن‌ها با هم مقایسه کنیم، از مفهوم ظرفیت گرمایی ویژه استفاده می‌کنیم.

• تعریف: مقدار گرمایی است که باید به یک گرم از یک ماده خالص داده شود تا دمای آن به اندازه یک درجه سلسیوس (یا یک کلوین) افزایش یابد.

• ویژگی: ظرفیت گرمایی ویژه یک ویژگی شدتی است؛ یعنی به مقدار ماده بستگی ندارد و فقط به نوع ماده و حالت فیزیکی آن (جامد، مایع، گاز) وابسته است. (ظرفیت گرمایی ویژه یک قطره آب با یک استخر آب برابر است).

• فرمول محاسبه:

\(c=\frac{q}{m\times\Delta \theta }\)

(نکته: رابطه ظرفیت گرمایی کل با ظرفیت گرمایی ویژه به صورت \(C=m\times c\) است.) 

• یکا (واحد): ژول بر گرم در درجه سلسیوس (\(\frac{J}{g.^{\circ }C}\)). 

3. رابطه محاسبه گرمای مبادله شده (q) با استفاده از فرمول ظرفیت گرمایی ویژه، میتوانیم مقدار گرمای جذب شده یا از دست رفته در یک فرایند تغییر دما را با رابطه زیر محاسبه کنیم: 

\(q=m\times c\times \times \Delta \theta\)

• q : گرمای مبادله شده بر حسب ژول (J). 

• اگر دما افزایش یابد (\(T_{1}\lt T_{2}\))، \(\Delta \theta\) و در نتیجه q مثبت است (گرماگیر). 

• اگر دما کاهش یابد (\(T_{1}\lt  T_{2}\))، \(\Delta \theta\) و در نتیجه q منفی است (گرماده). 

• m : جرم ماده بر حسب گرم (g).

 • c : ظرفیت گرمایی ویژه بر حسب (\(\frac{J}{g.^{\circ }C}\)).

• \(\Delta \theta\) (یا \(\Delta T\)): تغییرات دما(\(T_{1}-  T_{2}\)) بر حسب درجه سلسیوس یا کلوین. (چون اندازه یک درجه سلسیوس و یک کلوین برابر است، \(\Delta \theta=\Delta T\)).
4. مزیت‌های ظرفیت گرمایی ویژه بالای آب
آب مایع در میان مواد شناخته شده، ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالایی دارد (\(4.184\frac{J}{g.^{\circ }C}\)). این یعنی آب برای گرم شدن به گرمای بسیار زیادی نیاز دارد و هنگام سرد شدن نیز گرمای بسیار زیادی به محیط پس می‌دهد. این ویژگی منحصربه‌فرد مزایای حیاتی و کاربردی فراوانی دارد:
1. تنظیم آب و هوای کره زمین: اقیانوس‌ها در طول روز (یا تابستان) گرمای خورشید را جذب کرده بدون آنکه دمایشان خیلی بالا برود، و در شب (یا زمستان) این گرما را آزاد می‌کنند. این امر از تغییرات شدید و ناگهانی دمای کره زمین جلوگیری کرده و آب و هوای مناطق ساحلی را معتدل می‌کند.
2. تنظیم دمای بدن موجودات زنده: بخش عمده بدن انسان و جانوران از آب تشکیل شده است. ظرفیت گرمایی بالای آب باعث می‌شود