الكتلة الحرارية

في تصميم المباني، الكتلة الحرارية هي خاصية لمادة المبنى تتطلب تدفق الحرارة من أجل تغيير درجة حرارتها.

لا يتفق جميع الكتّاب على تعريف الخاصية الفيزيائية للمادة التي تُسمى "الكتلة الحرارية". يستخدمها معظمهم كمرادف للسعة الحرارية ، أي قدرة الجسم على تخزين الطاقة الحرارية . ويُشار إليها عادةً بالرمز C _th ، ووحدتها في النظام الدولي للوحدات هي جول/كلفن أو جول/درجة مئوية (وهما متكافئتان).

لأن:

• يصف كريستوف راينهارت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الكتلة الحرارية بأنها حجمها مضروبًا في سعتها الحرارية الحجمية . ^{[ 1 ]}

• يكتب كل من راندا غطاس وفرانز جوزيف أولم وأليسون ليدويث، وهم أيضًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن "الكتلة الحرارية تعتمد على العلاقة بين السعة الحرارية النوعية والكثافة والسمك والتوصيل الحراري للمادة" ^{[ 2 ]} على الرغم من أنهم لا يقدمون وحدة، ويصفون المواد فقط بأنها "منخفضة" أو "عالية" الكتلة الحرارية.
• كريس ريردون يربط الكتلة الحرارية بالسعة الحرارية الحجمية. ^{[ 3 ]}

أدى غياب تعريف موحد لما تصفه خاصية الكتلة الحرارية للمادة إلى رفض بعض الكتّاب استخدامها في تصميم المباني باعتبارها علماً زائفاً . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

المعادلة التي تربط الطاقة الحرارية بالكتلة الحرارية هي:

${\displaystyle Q=C_{\mathrm {th} }\Delta T\,}$

حيث Q هي الطاقة الحرارية المنقولة، _{و Cth} هي الكتلة الحرارية للجسم، و ΔT هو التغير في درجة الحرارة.

على سبيل المثال، إذا أُضيفت 250  جول من الطاقة الحرارية إلى ترس نحاسي كتلته الحرارية 38.46  جول/درجة مئوية، سترتفع درجة حرارته بمقدار 6.50  درجة مئوية. إذا كان الجسم مكونًا من مادة متجانسة ذات خصائص فيزيائية معروفة بدقة، فإن الكتلة الحرارية تساوي ببساطة كتلة المادة الموجودة مضروبة في السعة الحرارية النوعية لتلك المادة. أما بالنسبة للأجسام المكونة من مواد متعددة، فيمكن استخدام مجموع السعات الحرارية لمكوناتها النقية في الحساب، أو في بعض الحالات (كما هو الحال بالنسبة لحيوان كامل، على سبيل المثال) يمكن قياس القيمة مباشرةً للجسم بأكمله.

تُعدّ السعة الحرارية خاصية شاملة ، وهي سمة مميزة لجسم ما؛ أما الخاصية المكثفة المقابلة لها فهي السعة الحرارية النوعية، والتي تُعبّر عنها كمية المادة، مثل الكتلة أو عدد المولات، ويجب ضربها بوحدات مماثلة للحصول على السعة الحرارية لكامل الجسم. وبالتالي، يمكن حساب السعة الحرارية بشكل مكافئ كحاصل ضرب كتلة الجسم ( m) في السعة الحرارية النوعية (c) للمادة، أو كحاصل ضرب عدد مولات الجزيئات الموجودة (n) في السعة الحرارية النوعية المولية.${\displaystyle {\bar {c}}}$. لمناقشة سبب اختلاف قدرات تخزين الطاقة الحرارية للمواد النقية، انظر العوامل التي تؤثر على السعة الحرارية النوعية .

بالنسبة لجسم ذي تركيب متجانس،${\displaystyle C_{\mathrm {th} }}$يمكن تقريبها بواسطة

${\displaystyle C_{\mathrm {th} }=mc_{\mathrm {p} }}$

أين${\displaystyle m}$كتلة الجسم و${\displaystyle c_{\mathrm {p} }}$تمثل السعة الحرارية النوعية للمادة عند ضغط ثابت، محسوبةً على مدى نطاق درجة الحرارة المعني. بالنسبة للأجسام المكونة من مواد مختلفة متعددة، يمكن ببساطة جمع الكتل الحرارية للمكونات المختلفة.

يصف كريستوف راينهارد تأثير السعة الحرارية على النحو التالي: ^{[ 7 ]}

• إذا كان تذبذب درجة الحرارة اليومية الخارجية يتذبذب بشكل متكرر حول درجة حرارة مرغوبة (نقطة توازن)، فإن إضافة كتلة حرارية قد تزيد من ساعات الراحة في فترة زمنية معينة.
• قد تشكل الكتلة الحرارية عائقاً أمام الحفاظ على راحة المكان، على سبيل المثال عندما يتم استخدامها بشكل متقطع فقط.
• لا يكون للكتلة الحرارية أي تأثير فعلي إذا ظل اتجاه تدفق الحرارة عبر غلاف المبنى ثابتًا لفترات طويلة من الزمن.

لا تُحسب السعة الحرارية عادةً في هندسة المباني. في الولايات المتحدة وكندا، تشترط قوانين البناء الوطنية ومعظم السلطات المحلية والولائية تحديد أحجام معدات التدفئة والتبريد وفقًا لدليل J ^{[ 8 ]} الصادر عن جمعية مقاولي تكييف الهواء في أمريكا . يعتمد دليل J على قياسات دقيقة لأبعاد المبنى، وبنائه، وعزله، وإحكام إغلاقه، وخصائصه، وأحمال شاغليه، ولكنه لا يأخذ السعة الحرارية في الحسبان. يفترض دليل J وجود سعة حرارية معينة، حيث تُصمم المعدات وفقًا له للحفاظ على الراحة عند النسبة المئوية الأولى لدرجة الحرارة للتدفئة، والنسبة المئوية التاسعة والتسعين لدرجة الحرارة للتبريد. يفترض الدليل أن المبنى يتمتع بسعة حرارية كافية للحفاظ على الراحة خلال فترات قصيرة خارج نطاق هاتين القيمتين.

• القدرة الحرارية النوعية
• تخزين الطاقة الحرارية
• القصور الحراري