ظرفیت گرمایی ویژه (Specific Heat Capacity)

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده، مقدار انرژی گرمایی است که برای افزایش دمای یک گرم از آن ماده به اندازه یک درجه سانتی‌گراد نیاز است. این مقدار برای هر ماده متفاوت است و یک ویژگی ذاتی ماده محسوب می‌شود.

فرمول محاسبه ظرفیت گرمایی ویژه و مثال

فرمول کلی:

• Q = m × c × ΔT

در این فرمول:

•  Q: مقدار گرمای مبادله شده (بر حسب ژول، J)
•  m: جرم ماده (بر حسب گرم، g)
•  c: ظرفیت گرمایی ویژه ماده (بر حسب ژول بر گرم بر درجه سانتی‌گراد، J/g°C)
•  ΔT: تغییر دما (بر حسب درجه سانتی‌گراد، °C)
• اگر بخواهیم ظرفیت گرمایی ویژه (c) را محاسبه کنیم، فرمول به صورت زیر تغییر می‌کند:
  c = Q / (m × ΔT)

مثال محاسبه ظرفیت گرمایی ویژه :

فرض کنید می‌خواهیم ظرفیت گرمایی ویژه یک فلز را محاسبه کنیم. یک قطعه 100 گرمی از این فلز را در آب گرم قرار می‌دهیم. دمای اولیه فلز 20 درجه سانتی‌گراد و دمای نهایی آن 50 درجه سانتی‌گراد می‌شود. اگر فلز 1000 ژول انرژی گرمایی جذب کرده باشد، ظرفیت گرمایی ویژه آن چقدر است؟

حل:

• m = 100 گرم
•  ΔT = 50°C - 20°C = 30°C
• Q = 1000 ژول
• با جایگذاری در فرمول:
• c = 1000 J / (100 g × 30°C) = 1/3 J/g°C

پس ظرفیت گرمایی ویژه این فلز 1/3 ژول بر گرم بر درجه سانتی‌گراد است.

انواع ظرفیت گرمایی

• ۱. ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت (\( C_v \)): برای سیستمهای بسته که انبساط ندارند.
• ۲. ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت (\( C_p \)): برای سیستمهایی که اجازه انبساط دارند (مثلاً گازها).
• - برای گازهای ایدهآل: \( C_p - C_v = R \) (ثابت گازها).
  

کاربردهای ظرفیت گرمایی ویژه:

• انتخاب مواد برای ساخت وسایل: برای مثال، در ساخت ظروف آشپزی از موادی با ظرفیت گرمایی ویژه بالا استفاده می‌شود تا گرما را به خوبی جذب کنند.
• سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی: در طراحی این سیستم‌ها، ظرفیت گرمایی ویژه مواد مورد استفاده بسیار مهم است.
• فرایندهای صنعتی: در بسیاری از فرایندهای صنعتی، کنترل دما اهمیت زیادی دارد و آگاهی از ظرفیت گرمایی ویژه مواد به این امر کمک می‌کند.
  

مزایا گرمای ویژه

• کنترل دمای آسان در سیستمهای انرژی.
• کاهش مصرف انرژی در ساختمانها با استفاده از مواد با ظرفیت گرمایی بالا.
• کاربرد در ذخیرهسازی انرژی گرمایی (مثلاً در نیروگاههای خورشیدی).

مواد با ظرفیت گرمایی ویژه بالا و پایین

• بالا: آب 4186 ، بتن 880 
• پایین: فلزات : مانند مس : 385  آلومینیوم : 900 ، آهن : 450 

تفاوت ظرفیت گرمای ویژه با رسانایی گرمایی

• ظرفیت گرمایی ویژه: میزان ذخیره انرژی گرمایی.

• رسانایی گرمایی: سرعت انتقال گرما در ماده.

نکته:

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده به دما و فشار نیز بستگی دارد، اما در بسیاری از موارد این وابستگی کم است و می‌توان آن را نادیده گرفت.
واحدهای مختلفی برای ظرفیت گرمایی ویژه استفاده می‌شود، اما رایج‌ترین آن‌ها ژول بر گرم بر درجه سانتی‌گراد است.