سعة حرارية

السعة الحرارية (إنگليزية: heat capacity) مصطلح من الديناميكا الحرارية يرمز له عادة ب C. وهي خاصية فيزيائية لأي مادة ممكنة تبين مدى قابلية جسم معيـّن مصنوع من هذه المادة لتخزين الطاقة الحرارية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 نبذة من الأسس وأنواع السعة الحرارية

حيث ترمز C لقيمة الطاقة الحرارية Q التي يجب إمداد جسم أو نظام ما بها لرفع درجة حرارته بدرجة مئوية واحدة. وعلى هذا الأساس فإن وحدة السعة الحرارية هي الجول لكل كلفن. عادة ما يميز بين السعة الحرارية عند ضغط قار والسعة الحرارية عند حجم قار:

• السعة الحرارية عند حجم ثابت:$C_{V}=\left({\frac {\partial U}{\partial T}}\right)_{V}$

• السعة الحرارية عند ضغط ثابت: $C_{P}=\left({\frac {\partial H}{\partial T}}\right)_{P}$

كما يمكن تعريف السعة الحرارية بطريقة إحصائية عوض الطريقة الرياضية الترموديناميكية الكلاسيكية.

وجد بالتجربة العملية أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة المادة تختلف حسب طبيعة المادة، فعلى سبيل المثال كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1Kg من الماء درجة مئوية واحدة تساوي 4186J ولكن لرفع درجة حرارة 1Kg من النحاس درجة مئوية واحدة يلزم 387J . ولهذا فإننا نحتاج إلى تعريف كمية فيزيائية جديدة تأخذ في الحسبان طبيعة المادة المكتسبة او الفاقدة للحرارة وهذه الكمية هي السعة الحرارية heat capacity . وتعرف السعة الحرارية بأنها مقدار الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة المادة درجة مئوية واحدة.

 نظرية السعة الحرارية

 العوامل المؤثرة في السعة الحرارية النوعية

الجزيئات تتعرض للعديد من الاهتزازات الداخلية المميزة. Potential energy stored in these internal degrees of freedom contributes to a sample’s heat content, but not to its temperature. More internal degrees of freedom tend to increase a substance's specific heat capacity, so long as temperatures are high enough to overcome quantum effects which limit storage of heat into the non-kinetic energy degrees of freedom.

ووحدة السعة الحرارية النوعية J/kg.C o ، فمثلا السعة الحرارية النوعية للماء تساوي 4186J/kg.C o وهذا يعني اننا نحتاج إلى 4186 جول من الطاقة تلزم لرفع واحد كيلو جرام من الماء درجة مئوية واحدة. ونلاحظ ان الماء هو اكثر العناصر سعة حرارية في الطبيعة وذلك لان اجسامنا تحتوي على 70% من الماء وهذا يجعل درجة حرارة الجسم ثابتة طوال اليوم والا ارتفعت درجة الحرارة في النهار وانخفضت في الليل، كما ان مياه المحيطات والبحار لا تتغير درجة حرارتهم بسرعة حفاظاً على الكائنات الحية التي فيها وهذا من حكمة الله عز وجل بأن يكون للماء اكبر سعة حرارية أي الاقل تأثراً بتغير درجات الحرارة.

يوضح الجدول التالي السعة الحرارية لبعض المواد عند درجة حرارة 25 درجة مئوية (درجة حرارة الغرفة) وعند الضغط الجوي.

Al 900J/kg.C o wood 1700J/kg.C o

Cu 387J/kg.C o glass 837J/kg.C o

Ag 129J/kg.C o water 4186J/kg.C o

Pb 128J/kg.C o ice 2090J/kg.C o

نلاحظ أن الماء له اكبر سعة حرارية نوعية بحيث أنه يلزم 4186 جول لرفع درجة حرارة 1 كيلوجرام من الماء درجة مئوية واحدة بينما يلزم 900 جول من الحرارة للألمنيوم

 جدول السعات الحرارية النوعية

Table of specific heat capacities at 25 °C unless otherwise noted

Notable minima and maxima are shown in maroon

المادة	الطور	Cp J/(g·K)	Cp,m J/(mol·K)	Cv,m J mol−1·K−1	السعة الحرارية الحجمية J/(cm3·K)
الهواء (عند سطح البحر، جاف، 0 °س)	غاز	1.0035	29.07	20.7643	0.001297
الهواء (ظروف الغرفة النمطيةA)	غاز	1.012	29.19	20.85
ألومنيوم	صلب	0.897	24.2		2.422
أمونيا	سائل	4.700	80.08		3.263
النسيج الحيواني (والبشري)	مزيج	3.5	—		3.7*
أنتيمون	صلب	0.207	25.2		1.386
أرگون	غاز	0.5203	20.7862	12.4717
زرنيخ	صلب	0.328	24.6		1.878
بريليوم	صلب	1.82	16.4		3.367
بزموث	صلب	0.123	25.7		1.20
كادميوم	صلب	0.231	—		—
ثاني أكسيد الكربون CO2	gas	0.839*	36.94	28.46
كروم	صلب	0.449	—		—
نحاس	صلب	0.385	24.47		3.45
ألماس	صلب	0.5091	6.115		1.782
إثانول	سائل	2.44	112		1.925
گاسولين	سائل	2.22	228		1.64
زجاج	صلب	0.84
ذهب	صلب	0.129	25.42		2.492
گرانيت	صلب	0.790			2.17
گرافيت	صلب	0.710	8.53		1.534
هليوم	غاز	5.1932	20.7862	12.4717
هيدروجين	غاز	14.30	28.82
كبريتيد الهيدروجين H2S	غاز	1.015*	34.60
حديد	صلب	0.450	25.1		3.537
رصاص	صلب	0.129	26.4		1.44
ليثيوم	صلب	3.58	24.8		1.912
مغنسيوم	صلب	1.02	24.9		1.773
زئبق	سائل	0.1395	27.98		1.888
مثان at 2 °C	غاز	2.191
نيتروجين	غاز	1.040	29.12	20.8
نيون	غاز	1.0301	20.7862	12.4717
أكسجين	غاز	0.918	29.38
شمع الپرافين	صلب	2.5	900		2.325
پولي‌إثيلين (rotomolding grade)	صلب	2.3027
Polyethylene (rotomolding grade)	سائل	2.9308
سليكا (منصهرة)	صلب	0.703	42.2		1.547
فضة	صلب	0.233	24.9		2.44
صفيح	صلب	0.227	—		—
تنگستن	صلب	0.134	24.8		2.58
يورانيوم	صلب	0.116	27.7		2.216
الماء عند 100 °س (بخار)	غاز	2.080	37.47	28.03
الماء عند 25 °س	سائل	4.1813	75.327	74.53	4.1796
الماء عند 100 °C	سائل	4.1813	75.327	74.53	4.2160
الماء عند −10 °س (ثلج)	صلب	2.05	38.09		1.938
زنك	صلب	0.387	25.2		2.76
المادة	الطور	Cp J/(g·K)	Cp,m J/(mol·K)	Cv,m J/(mol·K)	السعة الحرارية الحجمية J/(cm3·K)

^A Assuming an altitude of 194 metres above mean sea level (the world–wide median altitude of human habitation), an indoor temperature of 23 °C, a dewpoint of 9 °C (40.85% relative humidity), and 760 mm–Hg sea level–corrected barometric pressure (molar water vapor content = 1.16%).
*Derived data by calculation. This is for water-rich tissues such as brain. The whole-body average figure for mammals is approximately 2.9 J/(cm³·K)

 السعة الحرارية لمواد البناء

أحياناً تـُنسب في الهندسة المدنية إلى السعة الحرارية بلفظ «الكتلة الحرارية» (thermal mass) ، ويعتبر هذا التعبير لفظ من الألفاظ التقريبية الفظة ، ليتم الأشارة إلى سعة حرارية مباني و اِزدراد أو اِمتصاص الكميات الهائلة من الحرارة من خلال هذه المباني في داخل موادها المستخدمة. مبدئياً الكتلة هي مستقلة عن الحرارة ، والمقصود في هذا الاِرتباط هي «الكتلة التي اِمتصـّت من الحرارة».

من الإمكان أن يتم إيجاد السعة الحرارية كما يلي :

$C=c\cdot m_{thermal}$

بما فيها :

• $C$ السعة الحرارية
• $c$ السعة الحرارية المواصفية (أيضاً معروفة بـ«النوعية»)
• $m_{thermal}$ الكتلة التي اِمتصـّت من الحرارة.

وبسبب أن المباني عموماً لا تـُبنى من مادة واحدة فقط ، فالسعة الحرارية عموماً تتكوّن من جمع من سعات حرارية جزئية :

$C_{total}=\sum _{n=1}^{N}C_{n}=C_{1}+C_{2}+\dotsb +C_{N}=c_{1}\cdot m_{{thermal}_{1}}+c_{2}\cdot m_{{thermal}_{2}}+\dotsb +c_{N}\cdot m_{{thermal}_{N}}$

 جدول السعات الحرارية النوعية للبناء

(عادة تهم قطاع الإنشاءات ومصممو الطاقة الشمسية)

السعة الحرارية النوعية لمواد البناء

المادة	الطور	cp J/(g·K)
Asphalt	صلب	0.920
Brick	صلب	0.840
Concrete	صلب	0.880
Glass, silica	solid	0.840
Glass, crown	صلب	0.670
Glass, flint	صلب	0.503
Glass, pyrex	صلب	0.753
Granite	صلب	0.790
Gypsum	صلب	1.090
Marble, mica	صلب	0.880
Sand	صلب	0.835
Soil	صلب	0.800
Wood	صلب	1.7 (1.2 to 2.3)
المادة	الطور	cp J/(g·K)

 مراجع

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 انظر أيضاً

• Quantum statistical mechanics
• Heat capacity ratio
• Statistical mechanics
• Thermodynamic equations
• Thermodynamic databases for pure substances
• Heat equation
• Heat transfer coefficient
• Latent heat
• Material properties (thermodynamics)
• Joback method (Estimation of heat capacities)
• Specific melting heat
• Specific heat of vaporization
• Volumetric heat capacity
• Thermal mass
• R-value (insulation)