الحرارة الكامنة

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

الحرارة الكامنة (المعروفة أيضًا باسم الطاقة الكامنة أو حرارة التحول ) هي الطاقة المنبعثة أو الممتصة، بواسطة جسم أو نظام ديناميكي حراري ، أثناء عملية ذات درجة حرارة ثابتة - عادةً ما تكون انتقال طور من الدرجة الأولى ، مثل الانصهار أو التكثيف.

يمكن فهم الحرارة الكامنة على أنها طاقة خفية تُضاف أو تُستخرج لتغيير حالة المادة دون تغيير درجة حرارتها أو ضغطها. ويشمل ذلك حرارة الانصهار الكامنة (من الحالة الصلبة إلى السائلة)، وحرارة التبخر الكامنة (من الحالة السائلة إلى الغازية)، وحرارة التسامي الكامنة (من الحالة الصلبة إلى الغازية). [ 1 ] [ 2 ]

تم تقديم هذا المصطلح حوالي عام 1762 من قبل الكيميائي الاسكتلندي جوزيف بلاك . استخدم بلاك المصطلح في سياق قياس السعرات الحرارية حيث تسبب انتقال الحرارة في تغيير حجم الجسم بينما كانت درجة حرارته ثابتة.

وعلى النقيض من الحرارة الكامنة، فإن الحرارة المحسوسة هي طاقة تنتقل على شكل حرارة ، مما يؤدي إلى تغير في درجة حرارة الجسم.

الاستخدام

رسم بياني لدرجة حرارة أطوار الماء المسخن من -100 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية - يوضح المثال الموضح بالخط المتقطع أن إذابة وتسخين 1 كجم من الجليد عند -50 درجة مئوية إلى ماء عند 40 درجة مئوية يتطلب 600 كيلوجول

يشير مصطلحا الحرارة المحسوسة والحرارة الكامنة إلى الطاقة المنتقلة بين الجسم ومحيطه، وتُحددان بحدوث أو عدم حدوث تغير في درجة الحرارة؛ وهما يعتمدان على خصائص الجسم. تُحس الحرارة المحسوسة أو تُدرك في عملية ما على شكل تغير في درجة حرارة الجسم. أما الحرارة الكامنة فهي الطاقة المنتقلة في عملية ما دون تغير في درجة حرارة الجسم، كما في حالة تغير الحالة (صلب/سائل/غاز).

تُلاحظ كل من الحرارة المحسوسة والحرارة الكامنة في العديد من عمليات نقل الطاقة في الطبيعة. ترتبط الحرارة الكامنة بتغير حالة الماء في الغلاف الجوي أو المحيط، كالتبخر والتكثيف والتجمد والانصهار ، بينما الحرارة المحسوسة هي الطاقة المنقولة التي تتجلى في تغير درجة حرارة الغلاف الجوي أو المحيط أو الجليد، دون حدوث تغيرات في الحالة، على الرغم من ارتباطها بتغيرات في الضغط والحجم.

استُخدم المصطلح في الأصل، كما قدمه بلاك، للإشارة إلى الأنظمة التي تُحفظ عمداً عند درجة حرارة ثابتة. ويشير هذا الاستخدام إلى الحرارة الكامنة للتمدد والعديد من الحرارات الكامنة الأخرى ذات الصلة. وتُعرَّف هذه الحرارات الكامنة بشكل مستقل عن الإطار المفاهيمي للديناميكا الحرارية. [ 3 ]

عندما يتم تسخين جسم ما عند درجة حرارة ثابتة بواسطة الإشعاع الحراري في مجال الموجات الدقيقة على سبيل المثال، فقد يتمدد بمقدار يصفه الحرارة الكامنة بالنسبة للحجم أو الحرارة الكامنة للتمدد ، أو يزيد ضغطه بمقدار يصفه الحرارة الكامنة بالنسبة للضغط . [ 4 ]

الحرارة الكامنة هي الطاقة التي ينطلقها أو يمتصها جسم أو نظام ديناميكي حراري خلال عملية ثابتة الحرارة. ومن أنواعها الشائعة حرارة الانصهار الكامنة وحرارة التبخر الكامنة . وتصف هذه المصطلحات اتجاه تدفق الطاقة عند التحول من حالة إلى أخرى: من الصلب إلى السائل، ومن السائل إلى الغاز .

في كلتا الحالتين، يكون التغير ماصًا للحرارة ، أي أن النظام يمتص الطاقة. على سبيل المثال، عندما يتبخر الماء، يلزم توفير طاقة لجزيئات الماء للتغلب على قوى التجاذب بينها والتحول من الماء إلى بخار.

إذا تكثف البخار بعد ذلك إلى سائل على سطح ما، فإن الطاقة الكامنة للبخار التي امتصت أثناء التبخر يتم إطلاقها على شكل حرارة محسوسة للسائل على السطح.

إن القيمة الكبيرة لمحتوى الحرارة لتكثيف بخار الماء هي السبب في أن البخار هو وسيلة تسخين أكثر فعالية بكثير من الماء المغلي، وهو أكثر خطورة.

علم الأرصاد الجوية

في علم الأرصاد الجوية ، يُعرف تدفق الحرارة الكامنة بأنه تدفق الطاقة من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي ، والمرتبط بتبخر الماء أو نتحه على السطح، وما يتبعه من تكثف بخار الماء في طبقة التروبوسفير . وهو عنصر هام في ميزانية طاقة سطح الأرض. وقد شاع قياس تدفق الحرارة الكامنة باستخدام تقنية نسبة بوين ، أو مؤخرًا، منذ منتصف القرن العشرين، باستخدام طريقة التباين الدوامي .

تاريخ

خلفية

التبريد التبخيري

ويليام كولين

في عام ١٧٤٨، نُشرت رواية في كتاب "مقالات إدنبرة الفيزيائية والأدبية" عن تجربة أجراها الطبيب والكيميائي الاسكتلندي ويليام كولين . استخدم كولين مضخة هواء لخفض الضغط في وعاء يحتوي على ثنائي إيثيل الإيثر . لم تُسحب أي حرارة من الإيثر، ومع ذلك غلى الإيثر، لكن درجة حرارته انخفضت. [ ٥ ] [ ٦ ] وفي عام ١٧٥٨، في يوم دافئ في كامبريدج ، إنجلترا، أجرى بنجامين فرانكلين وزميله العالم جون هادلي تجربةً تمثلت في ترطيب كرة مقياس حرارة زئبقي بالإيثر باستمرار، واستخدام منفاخ لتبخير الإيثر. [ ٧ ] مع كل عملية تبخير لاحقة ، سجل مقياس الحرارة درجة حرارة أقل، حتى وصل في النهاية إلى ٧ درجات فهرنهايت (-١٤ درجة مئوية) . وأظهر مقياس حرارة آخر أن درجة حرارة الغرفة كانت ثابتة عند ٦٥ درجة فهرنهايت (١٨ درجة مئوية) . في رسالته بعنوان "التبريد عن طريق التبخر" ، أشار فرانكلين إلى أنه "يمكن للمرء أن يرى إمكانية تجميد رجل حتى الموت في يوم صيفي دافئ". [ 8 ]    

الحرارة الكامنة

جوزيف بلاك

تأتي الكلمة الإنجليزية latent من الكلمة اللاتينية latēns ، والتي تعني الكامن المخفي . [ 9 ] [ 10 ] تم إدخال مصطلح الحرارة الكامنة في علم قياس السعرات الحرارية حوالي عام 1750 بواسطة جوزيف بلاك ، بتكليف من منتجي الويسكي الاسكتلندي الذين كانوا يبحثون عن الكميات المثالية من الوقود والماء لعملية التقطير الخاصة بهم لدراسة تغيرات النظام، مثل تغيرات الحجم والضغط، عندما يتم تثبيت درجة حرارة النظام الديناميكي الحراري في حمام حراري.

كان معروفًا أنه عندما ترتفع درجة حرارة الهواء فوق درجة التجمد - ليصبح الهواء حينها المصدر الحراري الواضح - يذوب الثلج ببطء شديد، وتقترب درجة حرارة الثلج الذائب من درجة تجمده. [ 5 ] في عام 1757، بدأ بلاك بالبحث فيما إذا كانت الحرارة ضرورية لذوبان مادة صلبة، بغض النظر عن أي ارتفاع في درجة الحرارة. وبحسب علم بلاك، كان الرأي السائد آنذاك أن الذوبان مصحوب حتمًا بارتفاع طفيف في درجة الحرارة، وأنه لا حاجة إلى حرارة إضافية تتجاوز ما يتطلبه هذا الارتفاع في درجة الحرارة بحد ذاته. ولكن سرعان ما تمكن بلاك من إثبات أن الذوبان يتطلب حرارة أكبر بكثير مما يمكن تفسيره بارتفاع درجة الحرارة وحده. [ 11 ] [ 12 ] كما تمكن من إثبات أن السائل يُطلق حرارة أثناء تجمده؛ مرة أخرى، أكثر بكثير مما يمكن تفسيره بانخفاض درجة حرارته وحده. [ 13 ]

كان بلاك يقارن التغير في درجة حرارة كميتين متطابقتين من الماء، يتم تسخينهما بنفس الطريقة، إحداهما، على سبيل المثال، مُذابة من الجليد، بينما الأخرى مُسخّنة من حالتها السائلة الباردة. وبمقارنة درجات الحرارة الناتجة، كان يستنتج، على سبيل المثال، أن درجة حرارة العينة المذابة من الجليد كانت  أقل بمقدار 140 درجة فهرنهايت من العينة الأخرى، مما يعني أن ذوبان الجليد امتص 140 درجة من الحرارة التي لا يمكن قياسها بواسطة الترمومتر، ومع ذلك كان لا بد من توفيرها، وبالتالي كانت "كامنة" (غير مرئية). كما استنتج بلاك أن كمية الحرارة الكامنة التي تم توفيرها لغلي المُقطّر (مما يُعطي كمية الوقود اللازمة) يجب امتصاصها أيضًا لتكثيفه مرة أخرى (مما يُعطي ماء التبريد المطلوب). [ 14 ]

قياس الحرارة الكامنة

في عام ١٧٦٢، أعلن بلاك عن البحث والنتائج التالية أمام مجموعة من الأساتذة في جامعة غلاسكو. [ ١٥ ] وضع بلاك كتلتين متساويتين من الجليد عند درجة حرارة ٣٢  فهرنهايت (٠  درجة مئوية) والماء عند درجة حرارة ٣٣  فهرنهايت (٠.٦  درجة مئوية) في وعاءين متطابقين منفصلين جيدًا. سُخِّن كل من الماء والجليد بالتساوي إلى ٤٠  فهرنهايت بواسطة هواء الغرفة، الذي كانت درجة حرارته ثابتة عند ٤٧  فهرنهايت (٨  درجات مئوية). وبالتالي، اكتسب الماء ٧ درجات حرارة (٤٠  -  ٣٣  =  ٧ درجات). سُخِّن الجليد لمدة أطول ٢١ مرة، وبالتالي اكتسب ١٤٧ درجة حرارة ( ٧  ×  ٢١  = ١٤٧ درجة). [ أ ] ارتفعت درجة حرارة الجليد بمقدار ٨ درجات فهرنهايت. وبذلك، امتص الجليد ٨ درجات حرارة، أطلق عليها بلاك اسم الحرارة المحسوسة ، والتي تتجلى في ارتفاع درجة الحرارة، والذي يمكن الشعور به وقياسه. إضافة إلى ذلك، تم امتصاص 139 درجة حرارية (147 - 8) كحرارة كامنة ، تتجلى في تغير الحالة بدلاً من تغير درجة الحرارة. [ 16 ] [ 17 ]  

ثم أوضح بلاك أن درجة حرارة الماء  اللازمة لإذابة كتلة مماثلة من الجليد حتى تصل درجة حرارتها إلى 32  درجة فهرنهايت هي 176 درجة فهرنهايت. وبذلك، يبدو أن 176  - 32  =  144 درجة حرارية مطلوبة لإذابة الجليد. أما القيمة الحديثة لحرارة انصهار الجليد فهي 143 درجة حرارية على المقياس نفسه (79.5 درجة مئوية). [ 18 ] [ 15 ]

أخيرًا، قام بلاك برفع درجة حرارة كتلة من الماء، ثم قام بتبخير كتلة مماثلة من الماء عن طريق التسخين المتساوي. وأظهر أن 830 درجة مئوية من الحرارة كانت ضرورية للتبخير، وذلك بناءً على الوقت اللازم. أما القيمة الحديثة لحرارة تبخير الماء فهي 967 درجة مئوية على المقياس نفسه. [ 19 ]

جيمس بريسكوت جول

وفي وقت لاحق، وصف جيمس بريسكوت جول الطاقة الكامنة بأنها طاقة التفاعل في تكوين معين من الجسيمات، أي شكل من أشكال الطاقة الكامنة ، والحرارة المحسوسة بأنها طاقة يشير إليها مقياس الحرارة، [ 20 ] وربط الأخيرة بالطاقة الحرارية .

الحرارة الكامنة النوعية

الحرارة الكامنة النوعية ( L ) تعبر عن كمية الطاقة على شكل حرارة ( Q ) المطلوبة لإحداث تغيير كامل في حالة وحدة كتلة ( m )، عادةً 1 كجم ، من مادة ما كخاصية مكثفة :

ل=سؤالم.{\displaystyle L={\frac {Q}{m}}.}

الخصائص المكثفة هي خصائص للمادة ولا تعتمد على حجم العينة أو مدتها. ومن القيم الشائعة التي تُذكر وتُجدول في المراجع العلمية الحرارة الكامنة النوعية للانصهار والحرارة الكامنة النوعية للتبخر للعديد من المواد.

انطلاقاً من هذا التعريف، تُحسب الحرارة الكامنة لكتلة معينة من مادة ما بواسطة

سؤال=مل{\displaystyle Q={m}{L}}

أين:

Q هي كمية الطاقة المنبعثة أو الممتصة أثناء تغير حالة المادة ( بالكيلوجول أو بوحدة BTU ).
m هي كتلة المادة (بالكيلوغرام أو بالرطل ) ، و
L هي الحرارة الكامنة النوعية لمادة معينة (بوحدة  كيلوجول/كيلوجرام أو بوحدة حرارية بريطانية  / رطل )، إما L f للانصهار، أو L v للتبخر.

جدول الحرارة الكامنة المحددة

يوضح الجدول التالي الحرارة الكامنة النوعية ودرجات حرارة تغير الطور (عند الضغط القياسي) لبعض السوائل والغازات الشائعة.

مادةطاقة الاندماج ( كيلوجول/كيلوجرام)نقطة الانصهار (°م)معدل التبخر ( كيلوجول/كيلوجرام)نقطة الغليان (°م)نقطة الغليان (كلفن)طاقة التسامي ( كيلوجول/كيلوجرام)
الكحول الإيثيلي108-11485578.3351.45 
الأمونيا332.17-77.741369-33.34239.81 
ثاني أكسيد الكربون184-78574-78.46194.69570 [ 21 ]
الهيليوم  21-268.934.22 
الهيدروجين (2)58-259455-25320.15 
الرصاص [ 22 ]23.0327.587117502023.15 
الميثان59-182.6511-161.6111.55 
نتروجين25.7-210200-19677.15 
الأكسجين13.9-219213-18390.15 
مادة التبريد R134a -101215.9-26.6246.55 
مادة التبريد R152a -116326.5-25248.15 
السيليكون [ 23 ]179014141280032653538.15 
التولوين72.1-93351110.6383.75 
زيت التربنتين  293154427.15 
حمض الفورميك [ 24 ]275.468.351010100.75373.91300
ماء33402264.705100373.152840

الحرارة الكامنة النوعية لتكثيف الماء في السحب

يتم تقريب الحرارة الكامنة النوعية لتكثيف الماء في نطاق درجة الحرارة من -25  درجة مئوية إلى 40  درجة مئوية بواسطة الدالة التكعيبية التجريبية التالية:

لماء(تي)≈(2500.8-2.36تي+0.0016تي2-0.00006تي3) J/g،{\displaystyle L_{\text{water}}(T)\approx \left(2500.8-2.36T+0.0016T^{2}-0.00006T^{3}\right)~{\text{جول/غرام}},}[ 25 ]

حيث درجة الحرارةتي{\displaystyle T}تعتبر القيمة العددية بالدرجة المئوية (°C).

بالنسبة للتسامي والترسيب من الجليد وداخله ، تكون الحرارة الكامنة النوعية ثابتة تقريبًا في نطاق درجة الحرارة من -40  درجة مئوية إلى 0  درجة مئوية ويمكن تقريبها بواسطة الدالة التربيعية التجريبية التالية:

لثلج(تي)≈(2834.1-0.29تي-0.004تي2) J/g.{\displaystyle L_{\text{ice}}(T)\approx \left(2834.1-0.29T-0.004T^{2}\right)~{\text{J/g}}.}[ 25 ]

التغير مع درجة الحرارة (أو الضغط)

اعتماد حرارة التبخر للماء والميثانول والبنزين والأسيتون على درجة الحرارة.

عندما ترتفع درجة الحرارة (أو الضغط) إلى النقطة الحرجة ، تنخفض الحرارة الكامنة للتبخر إلى الصفر.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ كانت "درجات الحرارة" هذه تعتمد على السياق، ولا يمكن استخدامها إلا في حال تطابق الظروف تمامًا، باستثناء العامل المختلف الذي يتم دراسته. فعندما درس بلاك الحرارة النوعية، استندت "درجات الحرارة" إلى التغير في درجة الحرارة مضروبًا في الكتلة. وعندما درس الحرارة الكامنة، استندت إلى التغير في درجة الحرارة مضروبًا في الزمن المنقضي. من الواضح أن هاتين الوحدتين لم تكونا متكافئتين.

مراجع

  1. ↑ بيرو، بيير (1998). من الألف إلى الياء في الديناميكا الحرارية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-856552-6.
  2. ↑ كلارك، جون أو إي (2004). القاموس الأساسي للعلوم . كتب بارنز أند نوبل. رقم ISBN 0-7607-4616-8.
  3. ↑ برايان، جي إتش (1907). الديناميكا الحرارية. رسالة تمهيدية تتناول بشكل رئيسي المبادئ الأولى وتطبيقاتها المباشرة ، بي جي توبنر، لايبزيغ، الصفحات 9، 20-22.
  4. ↑ ماكسويل، جيه سي (1872). نظرية الحرارة ، الطبعة الثالثة، لونجمانز، جرين، وشركاه، لندن، صفحة 73.
  5. 1 2 ويست، جيه بي (15-06-2014). "جوزيف بلاك، ثاني أكسيد الكربون، الحرارة الكامنة، وبدايات اكتشاف غازات التنفس" . المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء. علم وظائف الرئة الخلوي والجزيئي . 306 (12): L1057– L1063. doi : 10.1152/ajplung.00020.2014 . ISSN 1040-0605 . PMID 24682452 .  
  6. ↑ رامزي، دبليو. (1918). حياة ورسائل جوزيف بلاك، طبيب كونستابل. ص 38-39 . 
  7. ↑ "كتابات بنجامين فرانكلين: لندن، 1757-1775" . Historycarper.com. مؤرشف من الأصل في 28 يناير 2011. تم الاطلاع عليه في 14 سبتمبر 2010 .
  8. ↑ "المؤسسون على الإنترنت: من بنجامين فرانكلين إلى جون لينينغ، 17 يونيو 1758" . founders.archives.gov . تم الاطلاع عليه في 30 يونيو 2021 .
  9. ↑ هاربر، دوغلاس. "كامن" . قاموس أصل الكلمات على الإنترنت .
  10. ↑ لويس، تشارلتون ت. (1890). قاموس لاتيني ابتدائي . مدخل كلمة latens .
  11. ↑ رامزي، ويليام (1918). حياة ورسائل جوزيف بلاك، طبيب كونستابل. ص 44. 
  12. ↑ بلاك، جوزيف (1807). روبنسون، جون (محرر). محاضرات في عناصر الكيمياء: ألقيت في جامعة إدنبرة . ماثيو كاري. الصفحات 111-112 . 
  13. ↑ بلاك، جوزيف (1807). روبيسون، جون (محرر). محاضرات في عناصر الكيمياء: ألقيت في جامعة إدنبرة . ماثيو كاري. ص 112. 
  14. ↑ بيرك، جيمس (1979). "الفضل لأهله". اليوم الذي تغير فيه الكون . الحلقة 6. الحدث يقع عند الدقيقة 50 (34 دقيقة). بي بي سي.
  15. 1 2 بلاك، جوزيف (1807). روبنسون، جون (محرر). محاضرات في عناصر الكيمياء: ألقيت في جامعة إدنبرة . ماثيو كاري. ص 120. 
  16. ↑ رامزي، دبليو. (1918). حياة ورسائل جوزيف بلاك، طبيب كونستابل. ص 44. 
  17. ↑ بلاك، جوزيف (1807). روبنسون، جون (محرر). محاضرات في عناصر الكيمياء: ألقيت في جامعة إدنبرة . ماثيو كاري. الصفحات 115-117 . 
  18. ↑ رامزي، دبليو. (1918). حياة ورسائل جوزيف بلاك، طبيب كونستابل. ص 45. 
  19. ↑ رامزي، دبليو. (1918). حياة ورسائل جوزيف بلاك، طبيب كونستابل. ص 45-46 . 
  20. ↑ جول، جي بي (1884)، الورقة العلمية لجيمس بريسكوت جول ، الجمعية الفيزيائية في لندن، ص 274، أميل إلى الاعتقاد بأن كلتا هاتين الفرضيتين ستثبت صحتهما، - أنه في بعض الحالات، وخاصة في حالة الحرارة المحسوسة، أو تلك التي يشير إليها مقياس الحرارة، سيتبين أن الحرارة تتكون من القوة الحيوية لجزيئات الأجسام التي يتم تحفيزها فيها؛ بينما في حالات أخرى، وخاصة في حالة الحرارة الكامنة، تنتج الظواهر عن طريق فصل الجزيئات عن بعضها البعض، مما يؤدي إلى جذبها لبعضها البعض عبر مساحة أكبر. محاضرة عن المادة، والقوة الحية، والحرارة. 5 و12 مايو 1847
  21. ↑ تشيكوس، جيمس س.؛ أكري، ويليام إي. (2002). "إنثالبيات التسامي للمركبات العضوية والعضوية المعدنية. 1910-2001" . مجلة البيانات المرجعية الفيزيائية والكيميائية . 31 (2): 537-698 . doi : 10.1063/1.1475333 . ISSN 0047-2689 . 
  22. ↑ ياوز، كارل ل. (2011). دليل ياوز لخصائص العناصر الكيميائية . نوفيل.
  23. ↑ إيليرت، جلين (2021). "الحرارة الكامنة" . كتاب الفيزياء الإلكتروني .
  24. ↑ "حمض الفورميك" . كتاب NIST الإلكتروني . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 يوليو 2024 .
  25. 1 2 مُطابقة المنحنى متعدد الحدود للجدول 2.1. آر آر روجرز؛ إم كيه ياو (1989). دورة مختصرة في فيزياء السحب ( الطبعة الثالثة). دار بيرغامون للنشر. ص 16. ISBN   0-7506-3215-1.