دما و گرما در ترمودینامیک
ذرات تشكيل دهنده مواد مثل مولكولها در جنب و جوش هستند و حركات نامنظم مولكولي را انجام مي دهند. از اين رو اين ذرات انرژي جنبشي دارند و از طرفي موقع انجام اين حركات امواج الكترومغناطيسي يا فوتون ها را نشر و جذب مي كنند. دما معياري از شدت اين جنب و جوش هاي نامنظم است. بطوريكه در يك جسم با دماي بالاتر شدت اين جنب و جوش ها زياد و در يك جسم با دماي پايين تر شدت آنها كم است. بعبارت ديگر با افزايش دما، شدت جنب و جوش هاي نامنظم افزايش و با كاهش آن، كاهش مي يابد. كمترين دماي ممكن، صفر مطلق است كه در آن شدت جنب و جوش هاي نامنظم كمترين مقدار ممكن خود را دارد و كمتر از آن ممكن يا قابل مشاهده نيست. براي بيشترين دما شرطي وجود ندارد يا بعبارتی حد بالايي براي دما نداريم.
براي اندازه گيري دما مقیاس های متنوعي مي توان در نظر گرفت كه در ادامه با برخي از موارد متداول آشنا مي شويم. دمای ترموديناميكي يا دماي مطلق بدين صورت است كه براي آن كمترين دماي ممكن يا در واقع دما در نقطه صفر مطلق برابر صفر است و دماي منفي وجود ندارد. در از مقياس كلوين () براي اندازه گيري دماي ترموديناميكي يا مطلق استفاده مي شود. اين مقياس بر اساس مقدار دما در دو نقطه صفر مطلق و نقطه سه گانه آب ( نقطه اي كه در آن هر سه حالت بخار، مايع و جامد براي آب بصورت پايدار وجود دارد و اين امر تنها در يك دماي بخصوص و مشخص امكان پذير است) به ترتيب برابر صفر( چون مقياسي براي دماي ترموديناميكي است) و تعريف مي شود. در كاربردهاي روزمره معمولاً از مقياس سلسيوس يا سانتي گراد () استفاده مي شود كه اين مقياس بر اساس مقدار دما در دو نقطه صفر مطلق و نقطه سه گانه آب به ترتيب برابر و تعريف مي شود. لازم بذكر است كه اغلب اوقات مقياس سلسيوس بر اساس مقدار دما در دو نقطه انجماد و جوشش آب خالص در فشار استاندارد به ترتيب برابر و تعريف مي شود كه گرچه غلط نيست، اما تعريف پذيرفته شده بين المللي نيست. با توجه به تعاريف بالا رابطه دما بر حسب كلوين () و دما بر حسب درجه سلسيوس () بصورت زير خواهد بود:
دقت داشته باشيد كه با توجه به تعاريف يك واحد درجه سلسيوس و يك واحد كلوين از نظر اندازه دقيقاً با هم برابرند.
مقياس فارنهايت () نيز در برخي موارد بكار گرفته شده است كه اين مقياس اينك بر اساس مقدار دما در دو نقطه انجماد و جوشش آب خالص در فشار استاندارد به ترتيب برابر و تعريف مي شود. رابطه دما بر حسب درجه فارنهايت و دما بر حسب درجه سلسيوس بصورت زير است:
همانطور كه موارد بالا نيز نشان مي دهند ، براي تعريف يك مقياس براي دما بايستي مقدار دما در آن مقياس براي دو نقطه بخصوص يا مشخص را معلوم كنيم. براساس همين نيز مي توان مقياس ها را بهم مرتبط ساخت. بعنوان مثال اگر دماي نقطه و نقطه درمقياس به ترتيب برابر و و درمقياس به ترتيب برابر و باشد، ارتباط دما بر حسب با دما بر حسب بصورت زيرخواهد بود:
همانطور كه قبلاً نيز اشاره كرديم، ذرات يك ماده جنب و جوش هاي نامنظم دارند و به همین جهت يك ماده داراي انرژي است كه از آن بعنوان انرژي گرمایی يا محتواي گرمایی ياد مي شود. واضح است كه با افزايش تعداد ذرات (افزايش مقدار ماده) يا افزايش جنب و جوش ذرات ( افزایش دما) مقدار انرژي گرمايي يك ماده هم افزايش مي يابد. علاوه بر مقدار ماده و دما، جنس ذرات نيز در مقدار انرژي گرمايي تاثير گذار است. انرژي گرمايي بطور خود بخود از يك جسم با دماي بالاتر به يك جسم با دماي پايين تر انتقال مي يابد. به انرژي گرمايي موقع انتقال گرما گفته مي شود يا در واقع گرما صورتي از انرژی است كه از جسم با دماي بالاتر به جسم با دماي پايين تر انتقال مي يابد. براي انتقال گرما روشهاي مختلفي مثل رسانش، همرفت، و تابش وجود دارد كه قبلاً با آنها آشنا شده ايد. موقع انتقال گرما از جسم با دماي بالاتر به جسم با دماي پايين تر، جسم با دماي بالاتر انرژي گرمايي از دست مي دهد و بهمين علت شدت جنب و جوش هاي ذرات آن يا دماي آن كاهش مي يابد، در حاليكه جسم با دماي پايين تر انرژي گرمايي مي گيرد و شدت جنب و جوش هاي ذرات آن يا دماي آن افزايش مي يابد بطوريكه درنهايت هر دو جسم با هم همدما شوند يا دماهاي آنها با هم برابر شوند كه در این صورت انتقال خالص گرما بين آنها نخواهيم داشت .
به مقدار گرمايي كه لازم است تا دماي يك جسم با اندازه يك درجه سانتي گراد افزايش يابد ، ظرفيت گرمايي آن جسم مي گويند و معمولاً آن را با علامت نشان مي دهند كه واحد آن از جنس انرژي بر دما مثلاً ژول بر درجه سانتي گراد () يا كالري بر درجه سلسيوس () خواهد بود. دقت داشته باشيد كه در بحث ظرفت گرمايي، گرماي مبادله شده بايستي فقط منجر به تغيير دماي جسم مي شود و همراه با تغيير حالت فيزيكي يا واكنش شيميائي نباشد.
با توجه به تعريف ظرفيت گرمايي مي توان رابطه زير را در نظر گرفت :
تغيير دما × ظرفيت گرمايي = گرماي مبادله شده يا
بعبارتی براي تغيير دماي جسم به اندازه با يستي گرماي با آن مبادله شود. اگر جسم داغتر مي شود () بايستي اين گرما بدان داده شود و اگر جسم سردتر مي شود () بايستي اين گرما از آن گرفته شود.
ظرفيت گرمايي يك جسم علاوه بر جنس به مقدار آن جسم هم بستگي دارد. از اين رو معمولا ظرفيت گرمايي براي مقدار مشخصي از جسم (مثلاً يك گرم يا يك مول) تعريف و گزارش مي شود تا در تركيب با مقدار جسم، ظرفيت گرمايي جسم را نتيجه دهد. ظرفيت گرمايي ويژه () ظرفيت گرمايي به ازاي يك گرم است يا در واقع بيانگر گرماي لازم براي افزايش دماي يك گرم از يك جسم باندازه يك درجه سانتي گراد است. رابطه ظرفيت گرمايي () و ظرفيت گرمايي ويژه () بصورت زير خواهد بود:
ظرفيت گرمايي ويژه × جرم بر حسب گرم= ظرفيت گرمايي يا
واحد ظرفيت گرمايي ويژه انرژي بر دما بر جرم مثل ژول بر گرم بر درجه سانتي گراد خواهد بود.
ظرفيت گرمايي مولي () ظرفيت گرمايي به ازاي يك مول است يا در واقع بيانگر گرماي لازم براي افزايش دماي يك مول از يك جسم به اندازه يك درجه سانتي گراد است. رابطه و به صورت زير خواهد بود:
ظرفيت ظرمايي مولي × تعداد مول = ظرفيت گرمايي يا
واحد ظرفيت گرمايي مولي، انرژي بر دما بر مول مثل ژول بر مول بر درجه سانتي گراد خواهد بود.
تمرين: ظرفيت گرمايي ويژه نقره است.
الف) ظرفيت گرمايي مولي آن بر حسب و چقدر است؟
ب) مقدار گرماي لازم براي افزايش دماي یک قطعه گرمي از فلز نقره به اندازه برحسب ژول چقدر است؟
ج) يك قطعه گرمي از فلز نقره با دماي را داخل يك بشر محتوي گرم آب (با ظرفيت گرمايي ويژه برابر ) مي اندازيم. دماي نهايي بر حسب درجه سانتي گراد چقدر خواهد بود؟ از مبادله گرما با محيط اطراف صرف نظر كنيد.
د) مورد (ج) را از نو با اين فرض كه گرماي مبادله شده به محيط اطراف مي رود، حل كنيد .
