تم النشر اليوم 2024/06/03 | حرارة كامنة

الحرارة الكامنة لبعض المواد

الحرارة الكامنة للانصهار وللغليان لبعض المواد المعهودة، بوحدة(جول / جرام)
المــادة حرارة كامنة انصهار J/g درجة انصهار °C حرارة كامنة للتبخر J/g درجة الغليان °C
كحول إيثيلي 108 −114 855 78.3
الأمونيا 332.17 −77.74 1369 −33.34
ثاني اكسيد الكربون 184 −78 574 −57
هيليوم 21 −268.93
هيدروجين(2) 58 −259 455 −253
رصاص 23.0 327.5 871 1750
نيتروجين 25.7 −210 200 −196
أكسجين 13.9 −219 213 −183
المثلج 2،1،1،1-رباعي فلورو الإيثان −101 215.9 −26.6
المثلج R152a −116 326.5 -25
تولوين 72.1 −93 351 110.6
تربنتين 293
ماء 334 0 2264.76 100

استخدام الحرارة الكامنة في التدفئة

مدفئة للجيب تباع في البلاد الباردة
يستخدم الحرارة الكامنة وعلى الأخص الناتجة أثناء التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة للتدفئة بوساطة عبوات مناسبة تباع في الأسواق في البلاد الباردة. فعند شحن العبوة، وتكون عادة من الأملاح أو البارافين، تنصهر المادة وتحتفظ بكمية كبيرة من حرارة الانصهار. وعند الاستخدام تنطلق تلك الحرارة ثانيا عند التصلب.

في الفيزياء والكيمياء

انصهار مادة صلبة نقية ثم تبخرها بعد تحولها إلى سائل: تغير درجة الحرارة مع زيادة زمن التسخين .
في الفيزياء والكيمياء جزء الطاقة الداخلية للمادة تتغير بحسب وجود المادة في طور الحالة الصلبة أو الحالة السائلة، والحالة الغازية. فنعرف خلال عملية انصهار مادة أننا نمد المادة الصلبة بحرارة من أجل صهرها، تلك الحرارة التي يختزنها المادة التي أصبحت سائلة هي طاقة كامنة. و حرارة التبخر هي الحرارة التي نعطيها لسائل لكي نحوله إلى بخار. وحرارة التبخر هي الحرارة اللازمة لتبخير مول واحد من المادة عند نقطة غليانها تحت الضغط القياسي (101.325 kPa)، تلك الحرارة أيضاً هي أحد أنواع الحرارة الكامنة التي تحتفظ بها المادة. ولكي نحول الماء مثلاً إلى ثلج (حالة صلبة) لا بد من أن نسحب منه حرارة الانصهار ثانياً، أي نسحب منه الحرارة الكامنة الخاصة بالتجمد، وهي مساوية لحرارة الانصهار . تبين لنا الترموديناميكا (ديناميكا الحركة الحرارية) أن الحرارة الكامنة في المواد سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية تتعلق بحركة الذرات فيها.

الطاقة الكامنة في الجزيئات

تتكون الجزيئات من ذرات مرتبطة بعضها ببعض. مثلا جزيئ الأكسجين أو النيتروجين يتكون من ذرتين. وجزيئ ثاني أكسيد الكربون يتكون من ثلاثة ذرات مرتبطة في شكل مستقيم وتتوسطهم ذرة (أو أيون) الكربون. ويتكون جزيئ الماء من ثلاثة ذرات تشكل مثلثا متساوي الضلعان وتتوسطتهم ذرة الأكسجين(تقدر زاوية المثلث عند ذرة الأكسجين بنحو 113 درجة). كل ذرات تلك الجزيئات تمارس اهتزازات حول موقع اتزانها وتعمل الاواصر بين الذرات مثل رباط المطاط وتسمح لها بالاهتزاز. وتقدر طاقة الکامنه لكل نوع من تلك الاهتزازات بمعدل المقدار (kT/2) حيث k هو ثابت بولتزمان و T هی درجة الحرارة بالكلفن.

حرارة تبخر بعض المواد النقية

حرارة التبخر أو إنثالبي التبخر لبعض المواد المعهودة مقاسة عند درجة غليان كل منها تحت الضغط الجوي القياسي: المادة حرارة التبخر
(كيلوجول / مول)
حرارة التبخر
(كيلوجول/كيلوجرام) الأمونيا 23.35 1371
البوتان 21.0 320
إيثانول 38.6 841
الهيدروجين 0.46 451.9
ميثان 8.19 760
الميثانول 35.3 1104
بروبان 15.7 356
فوسفين 14.6 429.4
الماء 40.65 2257

حرارة انصهار بعض المواد النقية

المادة حرارة الانصهار (ألف جول/كيلوجرام) حرارة الانصهار (ألف جول/مول)
الألمونيوم 398 10,7
الرصاص 23,4 4,85
الكروم 325 16,93
الحديد 268 15,0
الذهب 63 12,4
الجرافيت 16750 201
الكادميوم 55 6,2
البوتاسيوم 63 2,5
الكوبلت 291,8 17,2
ثاني أكسيد الكربون 180 7,9
النحاس 210 13,3
المغنسيوم 373 9,1
المنجنيز 264 14,5
الصوديوم 113 2,6
النيكل 301 17,7
البرافين 200 … 240
الفسفور 21 0,7
البلاتين 100 19,5
الزئبق 11,81 2,37
الأكسجين 13 0,2
الكبريت l (monoklin) 38 1,2
الفضة 105 11,3
السيليكون 1803,7 50,66
شمع 176
ماء 333,5 6,01
الهيدروجين 59 0,06
التنجستن 191,3 35,2
الزنك 113 7,4
القصدير 59 7,03

الحركة الاهتزازية

هناك نوع آخر من الطاقة الكامنة، نجدها مثلاً في البلورات كنظام ترموديناميكي. في البلورات تترتب الذرات في شكل شبكي ثلاثي الأبعاد حيث تتخذ كل ذرة موضعاً في البلورة وتكون محاطة بستة ذرات أخرى (في العادة): ذرتين فوق وتحت، وذرتين أمام وخلف، وذرتين على اليمين واليسار. و تقوم الذرة في موضعها هذا بحركة اهتزازية حول موضع الاتزان بفعل الحرارة المضافة. وتتحكم الطاقة الكامنة في الحركة الاهتزازية للذرات، بحيث تعيد الذرة إلى وضع الاتزان عندما تتعداه إلى أقصى بعد عنه. وتقاس تلك الحركة الاهتزازية في المتوسط ب( kT/2 )حيث k ثابت بولتزمان و T درجة الحرارة بالكلفن.

انصهار مادة صلبة

عندما نقوم بتسخين مادة صلبة نقية تبدأ درجة حرارته في الارتفاع حتى تصل إلى نقطة الانصهار وتحول الحرارة التي يمتصها الجسم الصلب إلى سائل. خلال تلك الفترة تظل درجة حرارة النظام ثابته حتى تتحول كل المادة الصلبة إلى حالة سائلة (تحول الطور). وبعدما تتحول كل قطعة المادة الصلبة إلى سائل تبدأ درجة حرارة السائل في الزيادة مع استمرار التسخين. ويستمر ارتفاع درجة حرارة السائل بمواصلة التسخين حتى تصل درجة حرارته إلى نقطة الغليان، وعندها يبدأ السائل يتحول إلى بخار. وهذا أيضا هو تحول طوري آخر. خلال عملية التبخير تبقى درجة حرارة النظام ثابتة. فمثلا بالنسبة للماء تظل درجة حرارة الماء الذي يغلى ثابته عند درجة 100 درجة مئوية حتى يتحول كل الماء إلى بخار. في هذه الأثناء يختزن البخار الحرارة التي اكتسبها خلال تحوله من حالة سائلة إلى طور حالة غازية في هيئة حرارة كامنة. كمية الحرارة اللازمة لانصهار مادة ما تسمى حرارة انصهار أو انثالبي الانصهار أو الحرارة الكامنة للانصهار، وهي تقاس جول/مول، أو تقاس جول/كيلوجرام. ويبين الشكل البياني تغير درجة الحرارة (المحور الرأسي) للمادة الصلبة مع زمن التسخين (المحور الأفقي). ونرى ثبات درجة الحرارة عند تحول المادة الصلبة إلى سائل، وكذلك ثبات درجة الحرارة عند نقطة الغليان أثناء تحول السائل إلى بخار .

معادلة الحرارة الكامنة

لحساب الحرارة الكامنة تـُستعمل المعادلة: Q
=
m
L {displaystyle Q=mL,}
حيث: Q كمية الطاقة المُمتصة أو الصادرة من المادة أثناء تحولها من حالة إلى حالة بالجول m كتلة المادة L الحرارة الكامنة للمادة[ تختلف من مادة لمادة (أنظر الجدول)] (J kg−1). أي أنه لتعيين الحرارة الكامنة لمادة معينة، نعين كمية الحرارة الناتجة أثناء تحول المادة من الحالة الغازية مثلاً إلى الحالة السائلة ونقسمها على كتلة المادة بالجرام أو بالكيلوجرام.

شرح مبسط

الحرارة الكامنة (بالإنجليزية: Latent heat)‏ أو الطاقة الكامنة (بالإنجليزية: Latent heat)‏ هي كمية من الحرارة اللازمة لتحويل المادة من حالة إلى أخرى لكل واحد كيلو جرام من المادة عند درجة حرارة ثابتة، وتعتبر من الخصائص المميزة للمادة، (أي من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة أو إلى الحالة الغازية)، وحدة قياسها هي الجول.[1][2][3]