معلومات عن الحرارة الكامنة
الحرارة الكامنة هي الطاقة التي تمتصها أو تطلقها مادة ما عندما يحدث تغير في حالتها الفيزيائية دون تغير في درجة حرارتها، وتسمى الحرارة الكامنة المرتبطة بذوبان المواد الصلبة أو التجمد أو التحول إلى الحالة السائلة بحرارة الانصهار، أما الحرارة الكامنة المرتبطة بتبخير السوائل أو الصلب أو تكثيف البخار فتسمى حرارة التبخر، وعادة ما يتم تعبير عن الحرارة الكامنة بوحدة الجول أو السعرة الحرارية لكل مول أو وحدة كتلة من المادة المتغيرة.
يعرف الحرارة الكامنة المحددة (L) بأنها كمية الطاقة الحرارية (Q) التي يتم امتصاصها أو إطلاقها عند تعرض الجسم لدرجة حرارة ثابتة.
معادلة الحرارة الكامنة المحددة هي:
L = Q / m
حيث أن
- L هي الحرارة الكامنة المحددة
- Q هي الحرارة الممتصة أو المنبعثة
- M هي كتلة المادة
أكثر أنواع عمليات درجة الحرارة الثابتة شيوعًا هي تغيرات الطور ، مثل الصهر أو التجميد أو التبخير أو التكثيف. تعتبر الطاقة كامنة لأنها مخفية بشكل أساسي داخل الجزيئات حتى يحدث تغير الطور. إنه محدد لأنه يتم التعبير عنه من حيث الطاقة لكل وحدة كتلة. الوحدات الأكثر شيوعًا للحرارة الكامنة المحددة هي الجول لكل جرام والكيلوجول لكل كيلوجرام .
الحرارة الكامنة المحددة هي خاصية مميزة للمادة، ولا تعتمد قيمتها على حجم العينة أو مكان أخذ العينة داخل المادة.
تاريخ الحرارة الكامنة
- قدّم الكيميائي البريطاني جوزيف بلاك مفهوم الحرارة الكامنة في مكان ما بين عامي 1750 و 1762.
- وصف الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول الحرارة الكامنة بأنها شكل من أشكال الطاقة الكامنة. يعتقد جول أن الطاقة تعتمد على الترتيب الدقيق للجسيمات في المادة. في الواقع، يؤثر اتجاه الذرات داخل الجزيء وترابطها الكيميائي وقطبيتها على الحرارة الكامنة.
أنواع انتقال الحرارة الكامنة
توجد نوعان من نقل الحرارة بين الجسم والبيئة، الحرارة الكامنة للانصهار وللتبخر والحرارة المعقولة التي تعتمد على تركيب الجسم.
- تُعرف الحرارة الكامنة للانصهار على أنها الحرارة التي يتم امتصاصها أو إطلاقها عندما يتم ذوبان المادة وتغيير المرحلة من الصلب إلى السائل عند درجة حرارة ثابتة.
- الحرارة الكامنة للتبخر هي الحرارة التي يتم امتصاصها أو إطلاقها عندما تتبخر المادة وتتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية عند درجة حرارة ثابتة.
- الحرارة المعقولة على الرغم من أن الحرارة المعقولة غالبًا ما تسمى بالحرارة الكامنة ، إلا أنها ليست حالة درجة حرارة ثابتة ، ولا يتعلق الأمر بتغيير الطور. تعكس الحرارة المعقولة انتقال الحرارة بين المادة ومحيطها. إنها الحرارة التي يمكن الإحساس بها كتغيير في درجة حرارة الجسم.
الحرارة المعقولة و الأرصاد الجوية
في حين تستخدم الحرارة الكامنة للانصهار والتبخير في الفيزياء والكيمياء ، فإن خبراء الأرصاد الجوية ينظرون أيضًا في الحرارة المعقولة. عندما يتم امتصاص الحرارة الكامنة أو إطلاقها ، فإنها تؤدي إلى عدم الاستقرار في الغلاف الجوي ، مما قد يؤدي إلى الطقس القاسي. يغير التغير في الحرارة الكامنة درجة حرارة الأشياء لأنها تتلامس مع الهواء الدافئ أو البارد. كل من الحرارة الكامنة والمعقولة تتسبب في حركة الهواء ، مما ينتج الرياح والحركة لكتل الهواء.
أمثلة عن الحرارة الكامنة و المعقولة
تمتلئ الحياة اليومية بأمثلة للحرارة الكامنة والمعقولة:
- يحدث غلي الماء على الموقد عندما يتم نقل الطاقة الحرارية من عنصر التسخين إلى الوعاء وبالتالي إلى الماء، وعند توفير كمية كافية من الطاقة، يتمدد الماء السائل لتشكيل بخار ويبدأ الماء في الغلي، ويتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة عند غلي الماء.
- يتطلب تحويل الماء السائل إلى جليد امتصاص طاقة كبيرة في المجمد، حيث يزيل الفريزر الطاقة الحرارية لتحقيق المرحلة الانتقالية، ونظرا لوجود حرارة اندماج كامنة عالية في الماء، يلزم إزالة طاقة أكثر لتحويل الماء إلى جليد بالمقارنة مع تجميد الأكسجين السائل إلى أكسجين صلب لكل وحدة جرام.
- تتسبب الحرارة الكامنة في زيادة حدة الأعاصير. يسخن الهواء لأنه يعبر الماء الدافئ ويلتقط بخار الماء. عندما يتكثف البخار لتشكيل السحب ، يتم إطلاق الحرارة الكامنة في الغلاف الجوي. تؤدي هذه الحرارة المضافة إلى تسخين الهواء ، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار ومساعدة السحب على الارتفاع والعاصفة.
- تتم إطلاق الحرارة بشكل معتدل عندما تمتص التربة الطاقة من أشعة الشمس وتصبح أكثر دفئًا.
- يتأثر التبريد بواسطة العرق بالحرارة الكامنة والمعقولة. عندما يكون هناك نسيم، يكون التبريد التبخيري فعالا للغاية. تتبخر الحرارة بعيدا عن الجسم بسبب الحرارة العالية المخزونة لتبخر الماء. ومع ذلك، يكون التبريد في مكان مشمس أكثر صعوبة مما هو عليه في مكان مظلل، حيث تتنافس الحرارة المعقولة الممتصة من أشعة الشمس مع تأثير التبخير.
أشكال الحرارة الكامنة
- يحتوي ماء المادة الكيميائية على ذرتي هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة، وتتمتمثيله كصيغة كيميائية معينة
H2O. يتطلب التحول بين أي حالتين من هذه الحالات إضافة طاقة أو إطلاق طاقة، اعتمادا على الاتجاه الذي يحدث به التغيير (على سبيل المثال، من السائل إلى الصلب أو من الصلب إلى السائل). - عندما يتم وضع الثلج في محيط دافئ ، تتدفق الطاقة من بيئته إلى الجليد ، مما يزيد من الحركات الداخلية لجزيئات الماء في الهيكل البلوري الصلب. في البداية يسخن الجليد (يزداد في درجة الحرارة) ، ولكن بمجرد أن يصل إلى درجة حرارة معينة (نقطة انصهاره) يبدأ في الذوبان. ويتطلب الانصهار إضافة طاقة.
- أثناء عملية الذوبان، يتم تخزين الطاقة كحرارة كامنة في نظام جزيئات الماء في السائل. تسمى هذه الحرارة الكامنة المرتبطة بالذوبان بالحرارة الكامنة للانصهار. إذا تمت إزالة كمية كافية من الطاقة لتحويل الماء السائل إلى جليد أثناء التجمد، فإن الحرارة الكامنة المخزنة في جزيئات الماء تطلق إلى المناطق المحيطة بشكل حراري. وتسمى هذه الحرارة أيضا الحرارة الكامنة للانصهار.
- يمكن للماء الانتقال مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية، وهذه العملية تسمى التسامي، وتتطلب طاقة من المناطق المحيطة، وتخزن الحرارة الكامنة في جزيئات الغاز كطاقة كامنة للتسامي.
- يُسمى عملية تحويل بخار الماء مباشرةً إلى جليد بالترسيب، وهي الطريقة الرئيسية لتكوين الثلج.
- يقوم الترسيب الحراري بإعادة الحرارة الكامنة إلى البيئة، ولكن عندما يتساقط الثلج، يكون باردًا جدًا لدرجة أننا لا نلاحظ أي إضافة للحرارة الكامنة إلى الهواء البارد.
- يحتاج التحول من الحالة السائلة إلى الحالة البخارية (التبخر) إلى إدخال طاقة من المناطق المحيطة، كما يحدث عند غلي الماء. أثناء عملية التبخر، تتم كسر الروابط بين جزيئات الماء نتيجة للطاقة المضافة للسائل، مما يسمح للجزيئات بالهروب كغاز.
- تتحرك جزيئات الغاز بسرعة ، وبالتالي زادت من الطاقة الحركية وتحمل الطاقة المخزنة كحرارة كامنة. عندما يتم تبريد جزيئات الغاز وإعادة توليفها في سائل ، تتم عملية التكثيف ، ويتم إطلاق الحرارة الكامنة مرة أخرى إلى المناطق المحيطة. الحرارة الكامنة المصاحِبة للتبخر والتكثيف هي الحرارة الكامنة للتبخر.