انواع ظرفیت گرمایی

ظرفیت گرمایی چیست؟

فرض کنید دو میله یکی از جنس آهن و دیگری از جنس پلاستیک باشد. اگر این دو را روی یک حرارت برابر (70 درجه سانتی گراد) قرار دهیم؛ (با توجه به این که در نهایت دمای هر دو در نهایت به 70 درجه سانتی گراد خواهد رسید)، کدامیک زودتر داغ می شود؟

جواب سر راست است؛ هر کدام که ظرفیت گرمایی کمتری داشته باشد. اما ظرفیت گرمایی یک واژه مبهم است و نیاز به تعریف دقیق تری دارد. اما راستی ظرفیت گرمایی چیست؟ اگر بخواهیم به زبان ساده صحبت کنیم ظرفیت گرمایی را می توان مشابه با ظرفیت آدم ها در برابر شوخی در نظر گرفت؛ به بعضی آدم ها اصطلاحا بی جنبه (بی ظرفیت) و به برخی دیگر با جنبه (با ظرفیت) می گوییم و این طور تعریف می کنیم که اگر با آدم های با ظرفیت شوخی کنیم خیلی بعید است که عصبانی بشوند اما آدم های بی جنبه یا همان آدم های بی ظرفیت به راحتیو با یک شوخی ساده ممکن است ناراحت بشوند یا حتی از کوره در بروند.

ظرفیت گرمایی هم چیزی شبیه به همین است؛ ماده ای که ظرفیت گرمایی بالایی دارد در برابر تغییرات دمایی به آهستگی تغییر می کند و خودش را به تعادل می رساند اما ماده با ظرفیت گرمایی پایین به تغییرات دمایی سریعا واکنش نشان می دهد و خودش را با شرایط جدید به تعادل می رساند.

در شیمی فیزیک ما دو نوع ظرفیت گرمایی داریم:

ظرفیت گرمایی در حجم ثابت:

این پارامتر به صورت تغییرات انرژی درونی نسبت به تغییرات دما در حجم ثابت تعریف می شود و فرمول آن به صورت زیر است:

$\large C_{V}=\left ( \frac{\partial U}{\partial T} \right )_{V}$

ظرفیت گرمایی در فشار ثابت:

این پارامتر به صورت تغییرات آنتالپی نسبت به تغییرات دما تعریف شده و فرمول آن به صورت زیر است:

$\large C_{p}=\left ( \frac{\partial H}{\partial T} \right )_{p}$

این دو نوع ظرفیت گرمایی به روش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و همچنین به هم مربوط بوده و البته با فرمول بندی های دیگری نیز معرفی می شوند. مثلا می توان به جای استفاده از مشتقات جزئی از دیفرانسیل آن ها نیز استفاده کرد:

$\large dU=C_{V}dT\rightarrow \Delta U=C_{V}\Delta T$

$\large dH=C_{p}dT\rightarrow \Delta H=C_{p}\Delta T$

توجه: دو فرمول بالایی در مورد یک مول ماده صحیح اند و اگر در مورد بیش از 1 مول مورد استفاده قرار گیرند باید سمت راست تساوی ها در تعداد مول ضرب شود.

جالب است بدانید که ظرفیت های گرمایی پارامتر هایی وابسته به دما هستند و با افزایش دما این ظرفیت افزایش می یابد به طوری که در دمای جوش یک مایع، ظرفیت گرمایی آن به بی نهایت می رسد معنی آن این استکه تا تبخیر همه مایع، دمای آن در دمای جوش ثابت می ماند.

شما می توانید این را مورد آزمایش قرار دهید. برای انجام این آزمایش یک دماسنج جیوه ای را درون یک کتری آب قرار دهید و زیر آن را حرارت دهید تا آب به جوش آید؛ خواهید دید که دمای آب پس از به جوش آمدن افزایش نمی یابد و در حدود 100 درجه سانتی گراد متوقف می شود. برای اطمینان بیشتر می توانید از شعله ای بزرگ تر و سپس کوچکتر نیز استفاده کنید اما همچنان دمای آب در 100 درجه سانتی گراد ثابت خواهد ماند.

تغییرات ظرفیت گرمایی در فشار ثابت نسبت به دما را می توان به صورت زیر نشان داد:

$\large C_{p}=a+bT+\frac{C}{T^{2}}$