1-2 الحرارة

يقوم درس الحرارة على قياس كميات الطاقة المتبادلة في العمليات الكيميائية والفيزيائية باستخدام المسعر، وحساب كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة اعتمادا على كتلة المادة والحرارة النوعية والتغير في درجات الحرارة عبر المعادلة $q = c \times m \times \Delta T$. كما يربط الدرس بين المحتوى الحراري والتفاعلات الطاردة والماصة للحرارة عبر إشارات التغير في المحتوى الحراري $\Delta H_{\text{rxn}}$. ففي التفاعل الطارد للحرارة تنطلق الطاقة وتكون إشارة $\Delta H_{\text{rxn}}$ سالبة، بينما في التفاعل الماص تُمَتص الطاقة وتكون الإشارة موجبة. على سبيل المثال، إذا سخنت قطعة فلز كتلتها $50.0 \text{ g}$ ووضعناها في مسعر يحتوي على ماء، فإن الحرارة تنتقل من الفلز إلى الماء حتى تتساوى درجات الحرارة، وبتطبيق قانون تساوي كميات الحرارة المفقودة والمكتسبة يمكنك حساب الحرارة النوعية للفلز بدقة.

الفكرة الأساسية

التغير الحراري للتفاعل يساوي المحتوى الحراري للنواتج مطروحا منه المحتوى الحراري للمتفاعلات، ويمكن قياس كميات الحرارة المكتسبة أو المفقودة في التفاعلات باستخدام المسعر تحت ضغط ثابت.

الشرح

نستخدم في المختبر جهازا معزولا يسمى المسعر لقياس كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة في أثناء عملية كيميائية أو فيزيائية؛ إذ توضع كمية معلومة من الماء لتمتص الطاقة أو تزود التفاعل بها، لنقيس التغير في درجة حرارة الماء. ولحساب كمية الحرارة نستخدم المعادلة الشهيرة: $q = c \times m \times \Delta T$ حيث يمثل الرمز $q$ كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة، ويمثل الرمز $c$ الحرارة النوعية وهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة سيليزية واحدة، ويمثل الرمز $m$ كتلة المادة بالجرام، بينما يمثل الرمز $\Delta T$ التغير في درجة الحرارة الناتج عن طرح درجة الحرارة الابتدائية من النهائية. وعند دراسة التفاعلات الكيميائية، نسمي الجزء الذي نحتاج لدراسته بالنظام، وكل ما عداه بالمحيط، ومجموعهما يمثل الكون. ونعرف المحتوى الحراري للمضاعفات أو المادة تحت ضغط ثابت بأنه خاصية تسمى المحتوى الحراري ويرمز لها بالرمز $H$. ولأننا لا نستطيع قياس القيمة المطلقة للمحتوى الحراري للمادة، فإننا نقيس التغير في المحتوى الحراري للتفاعل الكيميائي ويرمز له بالرمز $\Delta H_{\text{rxn}}$ وفق المعادلة: $\Delta H_{\text{rxn}} = H_{\text{products}} - H_{\text{reactants}}$ فإذا كان التفاعل طاردا للحرارة تنتقل الحرارة من النظام إلى المحيط وتكون النواتج ذات محتوى حراري أقل من المتفاعلات فتكون إشارة $\Delta H_{\text{rxn}}$ سالبة. وإذا كان التفاعل ماصا للحرارة تنتقل الحرارة من المحيط إلى النظام وتكون النواتج ذات محتوى حراري أكبر من المتفاعلات فتكون إشارة $\Delta H_{\text{rxn}}$ موجبة.

مثال محلول خطوة بخطوة

امتصت قطعة فلز كتلتها $4.68 \text{ g}$ ما مقداره $256 \text{ J}$ من الحرارة عندما ارتفعت درجة حرارتها بمقدار $182 \text { C}^\circ$. احسب الحرارة النوعية للفلز.

الخطوة الأولى: تحديد المعطيات والمطلوب من المسألة. كتلة الفلز $m = 4.68 \text{ g}$ كمية الحرارة المكتسبة $q = 256 \text{ J}$ التغير في درجة الحرارة $\Delta T = 182 \text { C}^\circ$ المطلوب: الحرارة النوعية $c = ? \text{ J/}({g} \cdot \text{ C}^\circ)$

الخطوة الثانية: كتابة المعادلة وحلها لإيجاد المجهول. معادلة كمية الحرارة هي: $q = c \times m \times \Delta T$ نعيد ترتيب المعادلة لعزل الحرارة النوعية $c$ في طرف لوحدها: $c = \frac{q}{m \times \Delta T}$

الخطوة الثالثة: تعويض الأقيم الحسابية الناتجة. $c = \frac{256 \text{ J}}{(4.68 \text{ g})(182 \text { C}^\circ)} = 0.301 \text{ J/}({g} \cdot \text{ C}^\circ)$

أخطاء شائعة

• الخلط بين إشارة $\Delta H_{\text{rxn}}$ الموجبة والسالبة واعتقاد أن التفاعل الماص له طاقة منطلقة.
• إهمال وضع الوحدات الصحيحة بجانب الأرقام مثل الجول لكل جرام درجة سيليزية.
• الخطأ في حساب التغير في درجة الحرارة $\Delta T$ بطرح القيمة الابتدائية من النهائية بشكل معكوس.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: عينة من فلز كتلتها $90.0 \text{ g}$ امتصت $25.6 \text{ J}$ من الحرارة عندما ازدادت درجة حرارتها $1.18 \text { C}^\circ$. ما الحرارة النوعية للفلز؟ الإجابة: بتطبيق المعادلة $c = \frac{q}{m \times \Delta_{T}}$ نحصل على الناتجة: $c = \frac{25.6 \text{ J}}{(90.0 \text{ g})(1.18 \text { C}^\circ)} = 0.241 \text{ J/}({g} \cdot \text{ C}^\circ)$

السؤال الثاني: ما كمية الحرارة التي تكتسبها صخرة من الجرانيت كتلتها $1.00 \times 10^3 \text{ g}$ إذا ارتفعت درجة حرارتها من $10.0 \text { C}^\circ$ إلى $29.0 \text { C}^\circ$، إذا علمت أن الحرارة النوعية للجرانيت $0.803 \text{ J/}({g} \cdot \text{ C}^\circ)$؟ الإجابة: نحسب التغير في درجات الحرارة أولا $\Delta T = 29.0 - 10.0 = 19.0 \text { C}^\circ$، ثم نطبق معادلة كمية الحرارة: $q = c \times m \times \Delta T$ $q = 0.803 \text{ J/}({g} \cdot \text{ C}^\circ) \times 1.00 \times 10^3 \text{ g} \times 19.0 \text { C}^\circ = 15257 \text{ J}$