حرارة كامنة
عودة للموسوعةالحرارة الكامنة (بالإنجليزية: Latent heat) أوالطاقة الكامنة (بالإنجليزية: Latent heat) هي كمية من الحرارة اللازمة لتحويل المادة من حالة إلى أخرى لكل واحد كيلوجرام من المادة، وتعتبر من الخصائص المميزة للمادة، (أي من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة أوإلى الحالة الغازية)، وحدة قياسها هي الجول.
وهذا التعريف يرجع إلى جوزيف بلاك في عام 1750. والحدثة مستنبطة من الحدثة اللأتينية latere والتي تعني كامن أومختبئ. إلا ان هذا التعريف قد استبدل حديثا بتعبير إنثالبي التحول.
مثلاً : الحرارة الكامنة حرارة تبخر، وبالنسبة للماء هي كمية الحرارة اللازمة لتبخير واحد كيلوجرام من الماء. ومن المعروف حتى الماء يبدأ بالغليان في ظروف الضغط العادي عند درجة حرارة ثابتة وهي 100 درجة مئوية. وعند 100 درجة مئوية تظل درجة الحرارة ثابتة حتي يتحول جميع الماء إلى بخار.
كذلك توجد لكل سائل سواء كان ماء أوزئبقا أونحاسا حرارته الخاصة به للبخر. وبالتالي فكل مادة لها حرارة تبخر أوغليان وحرارة انصهار أوتجمد ويمكن تعيينها معمليا.
وهناك كمية حرارة أخرى للحرارة الكامنة وهي حرارة كامنة للتجمد حرارة انصهار. وهي كمية الحرارة اللآزمة لتحويل 1 كيلوجرام من المادة الصلبة، مثل الحديد من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وهذا يحدث عند درجة حرارة معينة تختلف من مادة لمادة.
والمميز لذلك التحول من حالة إلى حالة أنه يحدث دائما عند درجة حرارة ثابتة. أي أننا بتبريد الماء مثلا إلى درجة الصفر، يبدأ الماء في التحول إلى ثلج. وتظل درجة الحرارة ثابتة عند درجة الصفر المئوي رغم استمرارنا في التبريد، ولا تبدأ درجة الحرارة في الهبوط ثانيا إلا بعد تحول جميع الماء إلى ثلج.
وخلال تحول المادة الصلبة إلى سائل وكذلك عند تحول السائل إلى الحالة الغازية لا بد من تزويد المادة بحرارة من الخارج، ولهذا يسمى هذا النوع من العمليات بأنها تمتص الحرارة. وبالعكس، عندما يتحول الغاز إلى سائل، أوالسائل إلى الحالة الصلبة ينتج عن ذلك حرارة ولذلك نقول عن ذلك النوع من التحول أنه يـُصدر حرارة أومصحوبا بنشر للحرارة.
وعلى سبيل المثال عندما يتحول جزيئا للماء من حالة السيولة إلى بخار فإن سطح الماء يفقد شيئا من الحرارة وتنخفض درجة حرارة الماء. ذلك لأنه تلزم طاقة للتغلب على القوى الرابطة بين الجزيئات في الوسط السائل، بحيث يتحرر الجزيئ ويغادر سطع الماء. وعند تكثف جزيئ الماء وعودته وارتباطه بالماء ثانيا، فإنا يطلق تلك الحرارة ويعيدها إلى الماء، تلك الحرارة التي اكتسبها من قبل عندما تحول إلى بخار.
وبسبب الحرارة الكامنة (السخانة/الإنثالبية) العالية المقدار لتكثيف بخار الماء فهويعتبر وسط ممتاز للتسخين ويفوق الماء المغلي في ذلك، إلا حتى خطورته كبيرة في نفس الوقت.
في الفيزياء والكيمياء
في الفيزياء والكيمياء جزء الطاقة الداخلية لمادة تتغير بحسب وجود المادة في طور الحالة الصلبة أوالحالة السائلة , والحالة الغازية.
فنعهد خلال عملية انصهار مادة أننا نمد المادة الصلبة بحرارة من أجل صهرها، تلك الحرارة التي يختزنها المادة التي أصبحت سائلة هي طاقة كامنة .
وحرارة 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 أيضا هي أحد أنواع الحرارة الكامنة تحتفظ بها المادة .
ولكي نحول الماء مثلا إلى ثلج (حالة صلبة ) لا بد من ان نسحب منه حرارة الانصهار ثانيا، أي نسحب منه الحرارة الكامنة الخاصة بالتجمد، وهي مساوية لحرارة الانصهار .
- تبين لنا الترموديناميكا (ديناميكا الحركة الحرارية) حتى الحرارة الكامنة في المواد سواء كانت صلبة أوسائلة أوغازية تتعلق بحركة الذرات فيها .
معادلة الحرارة الكامنة
لحساب الحرارة الكامنة تـُستعمل المعادلة:
حيث:
Q كمية الطاقة المُمتصة أوالصادرة 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 مثلا إلى الحالة السائلة ونقسمها على كتلة المادة بالجرام أوبالكيلوجرام.
استخدام الحرارة الكامنة في التدفئة
يستخدم الحرارة الكامنة وعلى الأخص الناتجة أثناء التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة للتدفئة بوساطة عبوات مناسبة تباع في الاسواق في البلاد الباردة. فعند شحن العبوة، وتكون عادة من الأملاح أوالبارافين، تنصهر المادة وتحتفظ بكمية كبيرة من حرارة الانصهار. وعند الاستخدام تنطلق تلك الحرارة ثانيا عند التصلب.
الحرارة الكامنة لبعض المواد
| 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 فلوروالإيثان | −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 |
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 جميع المادة الصلبة إلى حالة سائلة (تحول الطور ). وبعدما تتحول جميع بترة المادة الصلبة إلى سائل تبدأ درجة حرارة السائل في الزيادة مع استمرار التسخين . ويستمر ازدياد درجة حرارة السائل بمواصلة التسخين حتى تصل درجة حرارته إلى نقطة الغليان ، وعندها يبدأ السائل يتحول إلى بخار . وهذا أيضا هوتحول طوري آخر .
خلال عملية التبخير تظل درجة حرارة النظام ثابتة . فمثلا بالنسبة للماء تظل درجة حرارة الماء الذي يغلى ثابته عند درجة 100 درجة مئوية حتى يتحول جميع 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 تسمى حرارة انصهار أوانثالبي الانصهار أوالحرارة الكامنة للانصهار، وهي تقاس جول/مول ، أوتقاس 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 .
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 |
| المضى | 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 |
حرارة تبخر بعض المواد النقية
حرارة التبخر أوإنثالبي التبخر لبعض المواد المعهودة مقاسة عند درجة غليان جميع 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 |
الحركة الاهتزازية
هناك نوع آخر من الطاقة الكامنة ة نجدها مثلا في البلورات كنظام ترموديناميكي . في البلورات تترتب الذرات في شكل شبكي ثلاثي الأبعاد حيث تتخد جميع ذرة موضعا في البلورة وتكون محاطة بستة ذرات أخرى (في العادة) : ذرتين فوق وتحت، وذرتين أمام وخلف، وذرتين على اليمين واليسار . وتقوم الذرة في موضعها هذا بحركة اهتزازية حول موضع الاتزان بعمل الحرارة المضافه .
وتتحكم الطاقة الكامنة في الحركة الاهتزازية للذرات حيث تعيد الذرة إلى وضع الاتزان عندما تتعداه إلى أقصى بعد عنه. وتقاس تلك الحركة الاهتزازية في المتوسط ب( kT/2 )حيث k ثابت بولتزمان وT درجة الحرارة بالكلفن.
الطاقة الكامنة في الجزيئات
تتكون الجزيئات من ذرات مرتبطة بعضها ببعض. مثلا جزيئ الأكسجين أوالنيتروجين يتكون من ذرتين. وجزيئ ثاني أكسيد الكربون يتكون من ثلاثة ذرات مرتبطة في شكل مستقيم وتتوسطهم ذرة (أوأيون) الكربون. ويتكون جزيئ الماء من ثلاثة ذرات تشكل مثلثا متساوي الضلعان وتتوسطتهم ذرة الأكسجين(تقدر زاوية المثلث عند ذرة الأكسجين بنحو113 درجة). جميع ذرات تلك الجزيئات تمارس اهتزازات حول مسقط 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 هوثابت بولتزمان وT هی درجة الحرارة بالكلفن.
انظر أيضا
- حرارة نوعية.
- طاقة داخلية.
- حرارة محسوسة.
- طاقة داخلية.
- المحتوى الحراري (إنثالبي).
- حرارة التسامي.
مراجع
- ^ Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN .
- ^ Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN . صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
- ^ R. R. Rogers; M. K. Yau (1989). A Short Course in Cloud Physics (الطبعة 3rd). Pergamon Press. صفحة 16. ISBN .
- ^ Yaws' Handbook of Properties of the Chemical Elements 2011 Knovel
- ^ W.B. Frank, W.E. Haupin, H. Vogt, M. Bruno, J Thonstad, R.K. Dawless, H. Kvande, O.A. Taiwo: Aluminium in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a01_459.pub2
- ^ C.A. Sutherland, E.F. Milner, R.C. Kerby, H. Teindl, A. Melin, H.M. Bolt: Lead in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a15_193.pub2
- ^ J.H. Downing, P.D. Deeley, R. Fichte: Chromium and Chromium Alloys in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a07 043.
- ^ K.-H. Schulte-Schrepping, M. Piscator: Cadmium and Cadmium Compounds in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a04_499.
- ^ J.D. Donaldson, D. Beyersmann: Cobalt and Cobalt Compounds in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a07_281.pub2.
- ^ A. Lossin: Copper in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a07_471.
- ^ A. Klemm, G. Hartmann, L. Lange: Sodium and Sodium Alloys in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a24 277
- ^ M. Simon, P. Jönk, G. Wühl-Couturier, S. Halbach: Mercury, Mercury Alloys, and Mercury Compounds in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a16 269.pub2
- ^ W. Zulehner, B. Neuer, G. Rau: Silicon in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a23_721
- ^ E. Lassner, W.-D. Schubert, E. Lüderitz, H.U. Wolf: Tungsten, Tungsten Alloys, and Tungsten Compounds in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a27_229
- ^ G.G. Graf: Zinc in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a28_509
- ^ G.G. Graf: Tin, Tin Alloys, and Tin Compounds in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a27_049
التصنيفات: ديناميكا حرارية, ديناميكا حرارية جوية, ظاهرة فيزيائية, كيمياء حرارية, صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون, مقالات تحتوي نصا بالإنجليزية, بوابة كيمياء فيزيائية/مقالات متعلقة, بوابة علم المواد/مقالات متعلقة, بوابة الكيمياء/مقالات متعلقة, بوابة الفيزياء/مقالات متعلقة, بوابة طاقة/مقالات متعلقة, جميع المقالات التي تستخدم شريط بوابات
