ظرفیت گرمایی یک ویژگی گسترده است که به عنوان مقدار انرژی تعریف می شود که باید از یک ماده کم یا به آن اضافه شود تا دمای آن کاهش یا افزایش یابد. [1]. نسبت گرمای اضافه شده به افزایش دمای سیستم است. ظرفیت گرمایی با نماد نشان داده می شود سی با واحد SI از J/K (ژول/کلوین) [2].

وقتی ظرفیت گرمایی یک ماده بر جرم آن تقسیم شود، حاصل مقدار آن ماده است ظرفیت گرمایی ویژه، یک ویژگی فشرده است که به اندازه یا جرم نمونه وابسته نیست [2].

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• ظرفیت گرمایی ویژه چیست
• چگونه محاسبه می شود و چه چیزی بر آن تأثیر می گذارد
• چه برنامه هایی به عنوان یک عامل کلیدی درگیر است

ظرفیت حرارتی خاص

ظرفیت حرارتی خاص، یا به سادگی گرمای ویژه، به ظرفیت گرمایی در واحد جرم یک ماده خالص اشاره دارد. به عبارت دیگر، به عنوان مقدار حرارت مورد نیاز برای افزایش دمای 1 کیلوگرم از یک ماده به میزان 1K تعریف می شود و بر حسب بیان می شود. J/kg·K یا معادل آن J/kg·°C. به عنوان یک ویژگی فشرده، ظرفیت گرمایی ویژه با تغییر نوع یا فاز ماده تغییر می‌کند و می‌تواند برای اجسام با اندازه دلخواه در نظر گرفته شود.

آب به عنوان یک عامل حفظ حیات روی زمین، یکی از بزرگترین مقادیر ظرفیت گرمایی ویژه را در بین تمام مواد دارد که ده برابر گرمای ویژه آهن و پنج برابر گرمای ویژه شیشه است. این بدان معناست که برای بالا بردن دمای آب 10 برابر بیشتر از آهن و 5 برابر گرما نسبت به شیشه نیاز دارد. [3].

در جدول زیر ظرفیت حرارتی ویژه برخی از ترکیبات، عناصر و مواد ذکر شده است [4]، [5]:

ظرفیت گرمایی ویژه در فشار یا حجم ثابت

گرمای ویژه در حجم ثابت زمانی است که ولوم در حین گرم شدن در یک بازه کوتاه دما ثابت می ماند و با نماد نشان داده می شود ج_v.

گرمای ویژه در فشار ثابتاز سوی دیگر، زمانی است که فشار در حین گرم شدن در یک بازه کوتاه دما ثابت می ماند و با نماد نشان داده می شود. ج_پ.

گرمای ویژه در فشار ثابت (ج_پ) رایج ترین بیان ظرفیت گرمایی یک ماده است و می تواند از آنتالپی ماده بدست آید که انرژی کلی در یک سیستم است که هم انرژی داخلی و هم انرژی لازم برای جابجایی محیط آن را شامل می شود، همانطور که در معادله زیر نشان داده شده است. [1]:

`c_p=(frac{delta H}{delta T})_p`

جایی که اچ آنتالپی است، تی دما، و زیرمجموعه است پ فشار ثابت را نشان می دهد. برای یک بازه کوتاه دما، گرمای ویژه ممکن است به عنوان یک مقدار ثابت در نظر گرفته شود. با این حال، از آنجایی که رابطه بین گرمای ویژه و دما وجود دارد غیر خطی، ممکن است بهتر است به صورت چند جمله ای برای محدوده دمایی خاص منتقل شود [1].

گرمای ویژه دارای مقادیر نامتناهی است – این واقعیت در مورد گازهایی که فشار و حجم آنها به طور قابل توجهی با دما تغییر می کند قابل توجه است. استخراج گرمای ویژه گاز بدون تامین مقدار ثابت گرما ممکن نیست. بنابراین، استخراج گرمای ویژه گازها با قرار دادن آنها در فشار ثابت یا حجم ثابت ضروری است [6].

کاربردهای ظرفیت گرمایی ویژه

رابطه متقابل شامل جرم، انرژی و ظرفیت گرمایی ویژه کاربرد فراوانی دارد. ظرفیت گرمایی ویژه آب مایع که به غیر از آمونیاک مایع بالاترین میزان است، به حجم های بزرگ آب اجازه می دهد تا نقش مهمی در آب و هوا و آب و هوای زمین ایفا کنند. به عنوان مثال، یک دریاچه در طول فصل بهار کندتر از هوای بالای آن گرم می شود، در حالی که در پاییز انرژی که دریاچه در هنگام خنک شدن از دریاچه خارج می شود، کاهش دمای هوا را کاهش می دهد. [4].

در کاربردهای تجاری، ظروف پخت و پز از کف صیقلی با موادی مانند مس یا آلومینیوم استفاده می کنند. به دلیل گرمای مخصوص کم، می توان کف را به سرعت گرم کرد. دستگیره های قابلمه، با این حال، با مواد با حرارت ویژه بالا ساخته شده اند تا در برابر افزایش گرما مقاومت کنند و ایمنی را تضمین کنند. عایق های حرارتی همواره از موادی با حرارت ویژه بالا استفاده می کنند [5].

زمانی که رستوران‌های فست‌فود به مشتریان اطلاع می‌دهند که کیک سیب داغ‌تر از بسته‌بندی کاغذی یا پوسته پای است، ارتباط ظرفیت گرمایی ویژه قابل مشاهده است. با وجود قرار دادن لفاف، پوسته پای و فیلینگ در دمای یکسان، مقدار انرژی منتقل شده به انگشتان (یا زبان) از فیلینگ از مقدار انرژی منتقل شده از لفاف و پوسته بیشتر است. این به دلیل ظرفیت گرمایی ویژه متفاوت هر ماده است [4].

[1] SK McGuire، MG Jenkins، “Ceramic Testing”، در M. Kutz (ویرایشگر)، کتابچه راهنمای انتخاب مواد، نیویورک: جان وایلی و پسران، 2002.

[2] PF Hansen، “فصل 2: ​​مفاهیم ترمودینامیکی”، در OM Jensen (ویرایش)، علم مصالح ساختمانی، برلین: Springer Science & Business Media، 2009.

[3] “حرارت ویژه”، nd [Online]. موجود: https://courses.lumenlearning.com/boundless-physics/chapter/specific-heat/

[4] J. Kotz، P. Treichel، J. Townsend، “فصل 5: اصول واکنش پذیری شیمیایی: انرژی و واکنش های شیمیایی”. شیمی و واکنش پذیری شیمیایی، Cengage Learning، 2008.

[5] فران سیورنا، مرجع آماده ASM: خواص حرارتی فلزات، ASM International، 2002.

[6] “ظرفیت حرارتی ویژه”، nd [Online]. در دسترس: https://www.toppr.com/guides/physics/thermal-properties-of-matter/specific-heat-capacity/