التمدد الحراري والسعة الحرارية النوعية
| English | العربية |
|---|---|
| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | السعة الحرارية النوعية |
| thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ | التمدد الحراري |
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | الطاقة الداخلية |
لماذا تحتوي الجسور على فجوات
- tracks السكك الحديدية بها فجوات صغيرة؛ الجسور تستقر على عجلات دوارة؛ كابلات الكهرباء تتدلى بفراغ في الصيف.
- كل ذلك لسبب واحد: الأشياء تكبر عندما تُسخّن.
- التسخين يخزن أيضاً طاقة داخل المادة — يُقاس بـ السعة الحرارية النوعية.
التمدد الحراري
- سخن المادة وتحرك جسيماتها أكثر، لذا تأخذ مساحة أكبر — تمدد.
- الغازات تتمدد أكثر، ثم السوائل، ثم الصلب (حيث تكون جسيماتها مقيدة بإحكام).
- يترك المهندسون فجوات في المسارات ويضعون الجسور على عجلات دوارة حتى لا يتشوه التمدد.
- غطاء علبة معدني ضيق يرخى عند وضعه تحت ماء ساخن — المعدن يتمدد.
التمدد الحراري: التسخين يجعل السكة أطول، مغلقاً الفجوة المخصصة لها.
مثال محلول. جسر فولاذي طوله $50\ \text{m}$ عند $10\ {}^{\circ}\text{C}$. يتمدد الفولاذ حوالي $0.012\ \text{mm}$ لكل متر لكل ${}^{\circ}\text{C}$. إذا ارتفعت درجة الحرارة إلى $40\ {}^{\circ}\text{C}$ (ارتفاع $30\ {}^{\circ}\text{C}$): التمدد $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. لهذا السبب تحتوي الجسور على مفصلات تمدد!
الجسيمات لا تكبر. عندما يتمدد الصلب، تظل الجسيمات نفسها بنفس الحجم — فقط تهتز أكثر وتدفع أبعد. هذا خطأ شائع في الامتحانات.
التسخين والسعة الحرارية النوعية
Q = mcΔT
كمية الطاقة الحرارية اللازمة تتناسب طرديًا مع الارتفاع في درجة الحرارة لكل كتلة معينة من المادة.
للارتفاع نفسه في درجة الحرارة، أي物质 يتمدد أكثر؟
الغازات تتمدد أكثر من السوائل، ثم المواد الصلبة (التي تكون جزيئاتها مرتبطة بأشد قوة).
لماذا تُترك فجوات صغيرة بين قضبان السكك الحديدية؟
في اليوم الحار تتمدد القضبان. توفر الفجوات المساحة الزائدة التي تذهب إليها، فلا ينحني المسار.
الطاقة الداخلية
- الطاقة الداخلية للجسم هي إجمالي طاقة جميع جسيماته (حركتها وترتيبها).
- تسخين الجسم يرفع طاقته الداخلية — عادةً ما يرفع درجة حرارته أيضاً.
نفس اليد في الضوء العادي وعبر كاميرا حرارية (أشعة تحت حمراء)
السعة الحرارية النوعية
- السعة الحرارية النوعية $c$ هي الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة $1\ \text{kg}$ من مادة بمقدار $1\ {}^{\circ}\text{C}$:
- لذا الطاقة لتدفئة شيء ما هي $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- الماء له حرارة نوعية عالية جداً $c$ ($\approx 4200$ جول لكل كيلوجرام لكل درجة مئوية): يحتاج إلى طاقة كبيرة ليرتفع حرارته ويبرد ببطء. ولهذا يبقى البحر معتدلًا ويستخدم الماء في أنظمة التدفئة.
مقياس حرارة رقمي يقيس درجة الحرارة
كم مقدار الطاقة اللازمة لتسخين $2.0\ \text{kg}$ من الماء بمقدار $10\ {}^{\circ}\text{C}$؟ (استخدم $c = 4200$ J/kg/°C).
$\Delta E = mc\,\Delta\theta = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84\,000\ \text{J}$.
إضافة $8400\ \text{J}$ ترفع درجة حرارة $0.50\ \text{kg}$ من معدن بمقدار $40\ {}^{\circ}\text{C}$. ما هي سعته الحرارية النوعية بوحدة J/kg/°C؟
$c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J/kg/°C.
بما أن للماء سعة حرارية نوعية عالية، فهو يسخن ويبرد ببطء.
السعة الحرارية النوعية العالية تعني الحاجة لطاقة كبيرة لكل درجة، لذا يتغير درجة حرارة الماء ببطء.
لقد فهمت الأمر
- التسخين يجعل المادة تتمدد — الغازات أكثر من solids؛ اترك مسافات فارغة لذلك
- الطاقة الداخلية = مجموع طاقة جميع الجسيمات
- السعة الحرارية النوعية $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$، لذا $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- الماء له سعة حرارية عالية $c$ → يسخن ويبرد ببطء