هناك ثلاث حالات / مراحل للمادة وهي الصلبة والسائلة والغازية. يمكن أن توجد نفس المادة في جميع المراحل الثلاث تحت ظروف مختلفة من درجة الحرارة والضغط. على سبيل المثال ، يتحول الثلج (صلب) عند درجة حرارة 0 عند تسخينه إلى ماء (سائل) عند 0 درجة مئوية ، والذي يتحول عند تسخين إضافي إلى بخار (غاز) عند 100 درجة مئوية. وهكذا ، عند ضغط جوي واحد ، يوجد الماء في المراحل الثلاث عند درجات حرارة مختلفة.
تسمى عملية التغيير من حالة إلى أخرى عند درجة حرارة ثابتة تغيير المرحلة . يتم إحضاره بسبب تبادل الحرارة.
يُعرف التغيير من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة بالذوبان ، بينما يسمى التغيير الانعكاسي من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بالتجميد. يُعرف التغيير من سائل إلى بخار بالتبخير ، بينما يسمى التغيير العكسي من الغاز إلى السائل بالتكثيف (أو التميع). يسمى التغيير المباشر من مادة صلبة إلى بخار بالتسامي ويطلق على التغيير العكسي من البخار إلى الحالة الصلبة الترسيب.
يسمى تغيير المرحلة الصلبة إلى الحالة السائلة عن طريق امتصاص الحرارة عند درجة حرارة ثابتة بالذوبان. ال تسمى درجة الحرارة الثابتة التي تتغير عندها المادة الصلبة إلى سائل نقطة انصهار المادة الصلبة. يسمى التغيير العكسي من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة مع تحرير الحرارة عند درجة حرارة ثابتة بالتجميد وتسمى درجة الحرارة التي يتجمد فيها السائل إلى الحالة الصلبة نقطة التجمد. يتم امتصاص الطاقة الحرارية أثناء الذوبان ويتم رفضها أثناء التجميد عند درجة حرارة ثابتة.
منحنى تسخين الجليد أثناء الذوبان
انظر إلى الرسم البياني أعلاه. تظل درجة حرارة الجليد ثابتة تساوي 0 درجة مئوية في الجزء AB حتى يذوب الجليد بالكامل. يتم استخدام الحرارة التي يتم توفيرها خلال هذا الوقت لإذابة الجليد. بعد ذلك ، تبدأ درجة حرارة الماء المتكون من ذوبان الجليد في الارتفاع من 0 درجة مئوية (الجزء قبل الميلاد).
|
يسمى التغيير من المرحلة السائلة إلى الغازية (أو البخار) عند امتصاص الحرارة عند درجة حرارة ثابتة بالتبخير. تسمى درجة الحرارة الخاصة التي يحدث عندها التبخر نقطة غليان السائل. وبالمثل ، فإن التغيير من البخار إلى الطور السائل عند تحرير الحرارة عند درجة حرارة ثابتة يسمى التكثيف ودرجة الحرارة الخاصة التي يحدث عندها التكثيف تسمى نقطة تكثيف البخار.
يتم امتصاص الطاقة الحرارية عند درجة حرارة ثابتة أثناء التبخر ، بينما يتم تحرير نفس الكمية من الطاقة الحرارية أثناء التكثيف عند درجة الحرارة هذه لنفس كتلة المادة.
منحنى تسخين الماء
عند النقطة أ ، يكون الماء في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) ثم مع امتصاص الطاقة الحرارية ، ترتفع درجة حرارة الماء باستمرار في الجزء AB حيث يكون في الحالة السائلة. عند النقطة B يبدأ الغليان ولا ترتفع درجة الحرارة أكثر في الجزء قبل الميلاد ، يتم امتصاص الطاقة الحرارية باستمرار وتمثل غليان الماء ، كونها B كنقطة غليان الماء.
|
 | لماذا نضيف الملح أثناء طهي البقول؟ لماذا يستغرق طهي الطعام في التلال وقتًا أطول منه في السهول؟ |
أثناء تغيير طور المادة الذي يحدث عند درجة حرارة ثابتة يتم امتصاص أو تحرير كمية كبيرة من الطاقة الحرارية. نظرًا لأن الطاقة الحرارية الممتصة أو المحررة في تغيير الطور لا تتجلى خارجيًا بأي ارتفاع أو انخفاض في درجة الحرارة ، فإنها تسمى الحرارة الكامنة.
تسمى الحرارة الكامنة ، عند التعبير عنها لوحدة كتلة مادة ما ، بالحرارة الكامنة النوعية ويُشار إليها بالرمز L.
الحرارة الكامنة النوعية لمرحلة ما هي كمية الطاقة الحرارية الممتصة أو المحررة بواسطة وحدة كتلة من المادة للتغير في الطور عند درجة حرارة ثابتة. لذلك ، Q كمية الطاقة الحرارية الممتصة أو المحررة بواسطة كمية معينة من المادة لتغيير المرحلة التي تكون الحرارة الكامنة الخاصة بها هي L ، هي |
وحدة SI للحرارة الكامنة النوعية هي J kg -1 ، والوحدات الشائعة الأخرى هي cal g -1 .
1 كال جم -1 = 4.2 × 10 3 جول كجم -1
حرارة الانصهار هي الطاقة الحرارية التي يجب سحبها لتصلب كتلة أو كمية معينة من السوائل أو إضافتها لإذابة كتلة أو كمية معينة من المادة الصلبة. ويسمى أيضًا الحرارة الكامنة للانصهار. حرارة التبخر الكامنة هي الحرارة المستهلكة أو التي يتم تفريغها عندما تتفكك المادة ، وتتغير الحالة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية عند درجة حرارة ثابتة.
الحرارة الكامنة لانصهار الجليد هي الطاقة الحرارية المطلوبة لإذابة كتلة وحدة من الجليد عند 0 درجة مئوية في الماء عند 0 درجة مئوية دون أي تغيير في درجة الحرارة. الحرارة الكامنة لتجميد الجليد هي الطاقة الحرارية المحررة / المنبعثة عندما تتجمد كتلة وحدة من الماء عند 0 درجة مئوية إلى ثلج عند 0 درجة مئوية دون أي تغيير في درجة الحرارة. بالنسبة للثلج ، تبلغ الحرارة الكامنة للانصهار 336000 جول / كجم -1 ، مما يعني أن 1 كجم من الثلج عند درجة حرارة 0 درجة مئوية تمتص 336000 جول من الطاقة الحرارية لتحويلها إلى ماء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. للتبخير ، هو مقدار الحرارة (540 كالوري جرام -1 ) المتوقع أن يتغير أكثر من 1 جرام من الماء إلى 1 جرام من دخان الماء. يتم إطلاق مقياس مماثل للحرارة في مرحلة الحركة أثناء تراكم 1 جرام من دخان الماء إلى 1 جرام من الماء.
شرح الحرارة الكامنة للانصهار على أساس النموذج الحركي
وفقًا للنموذج الحركي ، تهتز الجزيئات الموجودة في المادة الصلبة حول متوسط موضعها. الطاقة الكلية للجزيء هي مجموع الطاقة الحركية (التي تعتمد على درجة الحرارة) بسبب حركتها وطاقتها الكامنة (التي تعتمد على قوة الجذب بين الجزيئات والفصل بينها). عندما تتحول المادة الصلبة إلى سائل دون تغيير في درجة الحرارة ، فإن متوسط الحركية للجزيئات لا يتغير ولكن الفصل بين الجزيئات يزداد في المتوسط. بعض الطاقة مطلوبة لزيادة الفصل ضد قوى الجذب بين الجزيئات (أي لزيادة الطاقة الكامنة للجزيئات). وبالتالي فإن الطاقة الحرارية التي يتم توفيرها أثناء الذوبان تستخدم فقط لزيادة الطاقة الكامنة للجزيئات وتسمى الحرارة الكامنة للذوبان.
| مادة | الحرارة الكامنة المحددة للانصهار في J / g | الحرارة الكامنة للتبخر في J / g |
| الزئبق | 11.6 | 295 |
| حديد | 209 | 6340 |
| صوديوم | 113 | 4237 |
| جليد | 336 | 2260 |
أمثلة
السؤال 1: ما مقدار الطاقة الحرارية المطلوبة لإذابة 10 كجم من الجليد؟ (الحرارة الكامنة النوعية للجليد = 336 جول جم -1 )
الحل: م = 10 كجم ، L = 336 جول ز -1
الطاقة الحرارية المطلوبة = مل = 10000 × 336 = 3360000 جول
السؤال 2: تنخفض درجة حرارة 250 جرامًا من الماء عند 40 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية عن طريق إضافة الثلج إليها. أوجد كتلة الجليد المضافة. (الجليد الحراري الكامن المحدد هو 336 J g -1 والسعة الحرارية النوعية للماء هي 4.2 J g -1 K -1 )
الحل: الطاقة الحرارية المفقودة بواسطة الماء = الطاقة الحرارية التي يكتسبها الجليد
الانخفاض في درجة الحرارة 40 - 0 = 40 درجة مئوية.
فقدان الحرارة بواسطة الماء = m⋅c⋅Δt = 250 × 4.2 × 40 = 42000 J
الحرارة المكتسبة بواسطة الجليد = 42000 = كتلة الجليد × 336 ⇒ كتلة الجليد = 42000 ∕ 336 = 125 جم
السؤال 3: يغلي 10125J من الطاقة الحرارية 4.5 جم من الماء عند 100 درجة مئوية ليخرج عند 100 درجة مئوية ، أوجد الحرارة الكامنة للبخار في وحدات النظام الدولي.
الحل: الحرارة الكامنة للبخار L = 10125 J ∕ (4.5 × 10 -3 ) kg = 2250 × 10 3 J ∕ kg
