الأسبوع 4 · الموضوع ١-٣ «الخواص الفيزيائية للماء» (٢): الحرارة ودرجة الحرارة وكلفن والحرارة النوعية وحساب كمية الحرارة ونسيم البحر والحرارة الكامنة للتصعيد وتأثير الحرارة في الكائنات البحرية · 3 دروس
2
الحرارة النوعية وقانون كمية الحرارة Q = mcΔt
Integrated Science Sec 1 Term 1, Unit 1: pp. 20–27
الهدفأشرح الحرارة النوعية وأستخدم القانون Q = m × c × Δt مع الكتل بالكيلوجرام.
كلمات جديدة
الحرارة النوعية (c) · كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة ١ kg من المادة بمقدار ١ K؛ ووحدتها J/kg·Kالجول (J) · وحدة الحرارة والطاقةΔt (التغير في درجة الحرارة) · درجة الحرارة النهائية ناقص الابتدائية، بـ °C أو K
الشرح
تحتاج المواد المختلفة إلى كميات حرارة مختلفة كي ترتفع درجة حرارتها. والحرارة النوعية c هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة ١ kg من المادة بمقدار ١ K، بوحدة J/kg·K. وكلما زادت c احتاجت الكتلة نفسها إلى طاقة أكبر لترتفع الارتفاع نفسه، وكانت أبطأ في التسخن والتبرد. فالماء النقي c له ٤٢٠٠ J/kg·K، وماء البحر ٣٩٠٠، والهواء ١٠٠٥، والألومنيوم ٩٠٠، والنحاس ٣٩٠، والرصاص ١٢٨. وكمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة Q = m × c × Δt، حيث m بالكيلوجرام وΔt بـ °C أو K. وتعني Q السالبة أن الحرارة فُقدت. وحوّل الجرامات إلى كيلوجرامات دائمًا أولًا: ٣٠٠ g تساوي ٠٫٣ kg. وفي المخلوط الذي لا تضيع منه حرارة إلى المحيط تساوي الحرارة التي يفقدها الجسم الساخن الحرارة التي يكتسبها الجسم البارد. وتعتمد c على المادة وحالتها (فالجليد والماء مختلفان) وعلى الشوائب.
أمثلة محلولة
كم من الحرارة يلزم لتسخين ١٫٥ kg من الماء من ١٨ °C إلى ٣٨ °C؟ Δt = ٣٨ − ١٨ = ٢٠ K. Q = m × c × Δt = ١٫٥ × ٤٢٠٠ × ٢٠ = ١٢٦ ٠٠٠ J.
أُعطيت ١٢٦ ٠٠٠ J نفسها إلى ١٫٥ kg من النحاس. إذن Δt = Q ÷ (m × c) = ١٢٦ ٠٠٠ ÷ (١٫٥ × ٣٩٠) = ١٢٦ ٠٠٠ ÷ ٥٨٥ ≈ ٢١٥ K. فالنحاس حرارته النوعية أقل بكثير، فترفع الحرارة نفسها درجة حرارته أكثر بكثير من الماء.
نحوّل الوحدات. سُخّن ٣٠٠ g من الرصاص بمقدار ٤٠ K. m = ٠٫٣ kg، فـ Q = ٠٫٣ × ١٢٨ × ٤٠ = ١٥٣٦ J. ولو استُخدم ٣٠٠ بدل ٠٫٣ لجاء الجواب أكبر ١٠٠٠ مرة.
المزج، توسّع. أُسقط ٠٫٤ kg من الألومنيوم عند ١٠٠ °C في ١ kg من الماء عند ٢٠ °C. بلا فقد: الحرارة المفقودة = الحرارة المكتسبة: ٠٫٤ × ٩٠٠ × (١٠٠ − T) = ١ × ٤٢٠٠ × (T − ٢٠). فينتج ٣٦ ٠٠٠ − 360T = 4200T − ٨٤ ٠٠٠، ومنه ١٢٠ ٠٠٠ = 4560T وT ≈ ٢٦٫٣ °C.
نشاط الفصل
الرمل والماء في الشمس، بمساعدة أحد الكبار. ضع كتلتين متساويتين من الرمل الجاف وماء الصنبور في كوبين متطابقين واتركهما جنبًا إلى جنب في ضوء الشمس ساعة. المس كلًّا منهما لمسًا خفيفًا، وإن توفر مقياس مطبخ رقمي فاقرأ درجتيهما. صف أيهما أدفأ ملمسًا ثم أيهما يبرد أسرع في الظل. واربط ما تجده بقيم الحرارة النوعية في الجدول.
تدرّب
1
احسب الحرارة اللازمة لتسخين ٠٫٥ kg من ماء مالح بمقدار ١٠ K.
Q = 0.5 × 3900 × 10 = 19 500 J.
2
سُخّن ٢ kg من الألومنيوم من ٢٠ °C إلى ٤٥ °C. أوجد Q.
Δt = ٢٥ K، Q = ٢ × ٩٠٠ × ٢٥ = ٤٥ ٠٠٠ J.
3
أُعطيت ١٢ ٦٠٠ J من الحرارة إلى ٠٫٥ kg من الماء. بكم ترتفع درجة حرارته؟
Δt = 12 600 ÷ (0.5 × 4200) = 6 K.
4
كتلتان متساويتان من النحاس والماء تكتسبان الحرارة نفسها. أيهما ترتفع حرارته أكثر ولماذا؟
النحاس، لأن حرارته النوعية (٣٩٠) أقل كثيرًا من حرارة الماء (٤٢٠٠).
