ظرفیت گرمایی ویژه

ظرفیت گرمایی ویژه

تعداد بازدید: 13664
کد مطلب: 14212
تاریخ انتشار: 13:52 09 دي 1391

ظرفیت گرمایی ویژه

 
 

ظرفیت گرمایی ویژه (Specific heat capacity) یا ظرفیت گرمایی مقدار گرمایی است که واحد جرم برای بالا بردن دمای یک درجه سانتی گراد به آن نیاز دارد.  این اصطلاح برای اولین بار توسط فیزیکدان اسکاتلندی جوزف بلاک که روی واحد های اندازه گیری دما کار می کرد مطرح شد. ظرفیت گرمایی ویژه یک خاصیت فیزیکی ماده است که با دما ارتباط دارد و دما هم بستگی مستقیم به حرکت مولکول ها دارد که در ادامه بیشتر توضیح می دهیم.

یک ماده با ظرفیت گرمایی بالا انرژی بیشتری برای افزایش دما لازم دارد. به طور مثال هشت برابر انرژی بیشتری نیاز است تا دمای یک شمش منیزیم (گرمای ویژه1020  J/kg.K )را نسبت به شمش سرب (ظرفیت گرمایی ویژه   J/kg.K129) به یک اندازه تغییر دهیم.

ظرفیت گرمایی

 
 

از آنجایی که در تعریف ظرفیت گرمایی ویژه با توجه به جرم، تعداد اتم یا تعداد مولکول بحث وجود دارد.

زمانی که جرم واحد مبنا باشد نماد ظرفیت گرمایی c بوده و هنگامی که مول واحد مبنا باشد با C نمایش داده می شود. از این رو در کاربردهای مهندسی واحد SI بر اساس واحد جرم ماده بیان می شود: گرم یا کیلوگرم ( J/kg.K)

در علوم شیمی سیستم SI این واحد را بر مبنای مول بیان می کنند ( J/mole.K).

اگر ظرفیت گرمایی یک ماده در فشار ثابت اندازه گیری شود با Cp و اگر آن را در حجم ثابت اندازه گیری کنند با Cv نشان داده می شود. نسبت این دو مقدار را با ɣ نمایش می دهند و معمولا در معادلات محاسبه سرعت صوت در گازایده آل به کار می برند. این نسبت معمولا ثابت نیست و به دما بستگی دارد.­ در اندازه گیری ظرفیت گرمایی فشار نیز اهمیت دارد یکی از مبناهای اندازه گیری فشار استاندارد اتمسفر 101.325 kpa در سطح آزاد دریا است.

Q=mcΔT

Q: مقدار گرما

m : جرم ماده

C: ظرفیت گرمایی ویژه

ΔT: اختلاف دما

 
 
 

1. درجات آزادی
2. حالت فيزيکی
3. جرم مولی
4.  نيروهای بين مولکولی
5.  شبکه کريستالی
6.  شکل هندسی مولکول
7.  دما

درجه آزادی: گرمای ويژه متوسط در هر دما عبارت است از مجموع گرماهای ويژه جنبشی انتقالی ، چرخشی و ارتعاشی . مولکول ها کاملا متفاوت از گازهای تک اتمی مانند هلیوم و آرگون هستند. در گازهای تک اتمی انرژی حرارتی فقط شامل حرکت انتقالی است. منظور از حرکت انتقالی همانطور که در شکل می بیند جابه جایی در کل فضای سه بعدی است مانند برخورد شدید توپ های لاستیکی. به این جابه جایی در سه محور X-Y-Z درجه آزادی گفته می شود. در مولکول ها علاوه بر حرکت انتقالی، ارتعاشات داخلی و درجه آزادی گردشی نیز وجود دارد. آن ها از دسته ای از اتم ها تشکیل شده اند که می توانند درون مولکول ها حرکت کنند و در اثر این حرکت ها انرژی حرارتی ذخیره کنند در نتیجه بر اساس اتم یا مولکول بودن ظرفیت گرمایی آن ها متفاوت است زیرا که درجه آزادی در هر مولکول با اتم آن تفاوت دارد.  

 

  

به طور مثال نیتروژن که یک مولکول دو اتمی است در دمای اتاق پنج درجه آزادی دارد. سه درجه آزادی انتقالی و دو درجه آزادی گردشی داخلی و می دانیم که هر اتم نیتروژن شش درجه آزادی دارد ولی هنگامی که با اتم دیگر پیوند برقرار می کند یک درجه آزادی آن کم می شود.

 
 

ظرفیت گرمایی ویژه

ماده

فاز

Cp
(
J/g·K)

Cp,m
(J/mol·K)

Cv,m
(J/mol·K)

ظرفیت گرمایی حجمی
(J/cm3·K)

هوا (سطح دریا, dry, 0 °C)

گاز

1.0035

29.07

20.7643

0.001297

هوا (شرایط اتاق)

گاز

1.012

29.19

20.85

 

آلومینیوم

جامد

0.897

24.2

 

2.422

آمونیاک

مایع

4.700

80.08

 

3.263

آرگون

گاز

0.5203

20.7862

12.4717

 

آرسنیک

جامد

0.328

24.6

 

1.878

برلیم

جامد

1.82

16.4

 

3.367

بیسموت

جامد

0.123

25.7

 

1.20

مس

جامد

0.385

24.47

 

3.45

کربن دی اکسید

گاز

0.839

36.94

28.46

 

الماس

جامد

0.5091

6.115

 

1.782

اتانول

مایع

2.44

112

 

1.925

گازوییل

مایع

2.22

228

 

1.64

شیشه

جامد

0.84

     

طلا

جامد

0.129

25.42

 

2.492

گرانیت

جامد

0.790

   

2.17

گرافیت

جامد

0.710

8.53

 

1.534

هلیم

گاز

5.1932

20.7862

12.4717

 

هیدروژن

گاز

14.30

28.82

   

سولفید هیدروژن

گاز

1.015*

34.60

   

آهن

جامد

0.450

25.1

 

3.537

سرب

جامد

0.127

26.4

 

1.44

لیتیم

جامد

3.58

24.8

 

1.912

منیزیم

جامد

1.02

24.9

 

1.773

جیوه

مایع

0.1395

27.98

 

1.888

متان  275k

گاز

2.191

     

نیتروژن

گاز

1.040

29.12

20.8

 

نئون

گاز

1.0301

20.7862

12.4717

 

اکسیژن

گاز

0.918

29.38

   

پارافین

جامد

2.5

900

 

2.325

پلی اتیلن

مایع

2.9308

     

سیلیس (ذوب شده)

مایع

0.703

42.2

 

1.547

نقره

جامد

0.233

24.9

 

2.44

تنگستن

جامد

0.134

24.8

 

2.58

اورانیوم

جامد

0.116

27.7

 

2.216

آب (بخار)

گاز (100 °C)

2.080

37.47

28.03

 

آب

مایع (25 °C)

4.1813

75.327

74.53

4.186

آب (یخ)

جامد (-10 °C)

2.05

38.09

 

1.938

روی

جامد

0.387

25.2

 

2.76

تمام اندازه گیری ها در 25 °C
 

 

 
 

همان طور كه می ‏دانید دادن گرما به جسم باعث افزایش دمای آن می ‏شود اما سؤال این است كه:

افزایش دما چه رابطه ‏ای با مقدار گرمای داده شده دارد؟

یا میزان افزایش دما به چه عواملی بستگی دارد؟

اجازه دهید سؤال فوق را به شكل دیگری مطرح كنیم:

   1ـ ظرف آبی را روی اجاق گاز روشن قرار دهید. آیا زمان لازم برای رساندن دمای آب از30 درجه به 40 درجه با زمان لازم برای رساندن دمای آب از  30 درجه به 90 درجه یكسان است؟ ...ادامه

 
 

در ترمودینامیک اغلب از مولکول صحبت نمی شود و برای توجیه برخی از ویژگی های ترمودینامیکی از نظریه سنتیکی استفاده می شود . به طورکلی دو نوع ظرفیت گرمایی وجود دارد:

1-           Cv یا ظرفیت گرمایی در حجم ثابت  Cv=du/dt

2-           Cp یا ظرفیت گرمایی در فشار ثابت Cp=dH/dt

اختلاف این دو در حالت برابر است با Cp-Cv=n R   در اکثر منابع از ظرفیت گرمایی مولی استفاده می شود نه ظرفیت گرمایی ویژه

الف – ظرفیت گرمایی برای گازها :

مقدار انرژی درونی به ازای هر درجه انتقالی 1/2RT  و برای سه درجه آزادی 3/2RT می باشد که Cv=3/2R و Cp=5/2R  بدست می آید در جدول صفحه 42 شیمی سال سوم مقادیر ظرفیت گرمایی برحسب Cp داده شده است به عنوان مثال برای گاز ایدهال هلیم به صورت زیر محاسبه می شود :

Cp=5/2R=5/2(8.314)=20.8J/mol.k                                                              

مقدار انرژی درونی به ازای هر درجه آزادی چرخشی 1/2RT تعریف می شود لذا برای مولکول های H2,N2,O2 به علت وجود دو حرکت چرخشی Cp=7/2R=29.1j/k.mol تفاوت جزیی مفادیر داده شده به نوع پیوند مولکول مربوط است .در مولکول هایی مانند بخار آب و آمونیاک با افزایش تعداد پیوند و درجات آزادی مقدار Cp  افزایش می یابد ...ادامه

 
 

The specific heat is the amount of heat per unit mass required to raise the temperature by one degree Celsius. The relationship between heat and temperature change is usually expressed in the form shown below where c is the specific heat. The relationship does not apply if a phase change is encountered, because the heat added or removed during a phase change does not change the temperature...more

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
مطالب مرتبط