قياس كمية الحرارة ( الكالوريمترية)

تجري الكثير من التجارب المتعلقة بالحرارة في إناء يسمى المسعر، وهو جهاز يعزل المواد عزلاً حرارياً بحيث لا تستطيع الحرارة أن تسرى منها  أو إليها من الوسط المحيط. وتعتبر قارورة الترموس العادي مسعراً جيداً إلى حد كبير، إذ لا تتمكن الحرارة من المرور خلال الجدار الزجاجي المزدوج بفضل الطلاء المعدني اللامع الذي تحمله والفراغ الموجود بين الجدارين.

لنفرض أننا وضعنا مادتين أو أكثر ذات درجات حرارة مختلفة سوياً في المسعر. هذه المواد سوف تتبادل الطاقة الحرارية فيما بينها إلى أن تصل جميعها إلى نفس درجة الحرارة، أي إلى أن تصل إلى حالة الاتزان الحراري. وحيث أن الطاقة لا يمكنها الانتقال من أو إلى المواد الموجودة بالسعر، فإن قانون بقاء الطاقة يقودنا إلى استنتاج هام جداً. إذا اعتبرنا أن كميات الحرارة المكتسبة تغيرات موجبة، وكيات الحرارة المفقودة تغيرات سالبة، فإن:

مجموع التبادلات الحرارية داخل المسعر تساوي صفراً.

ويمكن صياغة هذا المعنى بأسلوب آخر على الصورة : الطاقة الكلية للنظام المعزول داخل المسعر لا تتغير.

وقبل تطبيق هذه الفكرة على مختلف الأمثلة، لنراجع معاً أنواع التبادلات الحرارية التي قد تقابلنا.

1ـ إذا تغير درجة حرارة كتلة قدرها m من درجة حرارة ابتدائية T₀ إلى درجة حرارة نهائية T_f، فإن كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة تكون :

= m(T₀ – T_f) Q

حيث c السعة الحرارية النوعية للمادة. تذكر ان هذا ينطبق فقط على مدى درجات الحرارة التي لا يحدث فيها تغير في طور المادة.

2- عند انصهار كتلة قدرها m من المادة، أن الحرارة المتبادلة تساوي Q_f = +mH_f، أما في حالة التبلور فإن الحرارة المتبادلة تكون Q_f = -mH_f.

3- عند تبخر كتلة من المادة قدرها m، أن الحرارة المتبادلة تكون Q_v = +mH_v ، وعند تكثف هذه المادة فإن التبادل الحراري يساوي .Q_v = -mH_v

ويلخص الشكل (1) كميات الحرارة المرتبطة بارتفاع درجة حرارة المادة وتغيراتها الطورية. ويلاحظ هنا أن الحرارة النوعية تختلف باختلاف الطور؛ فالحرارة النوعية للثلج وبخار الماء، على سبيل المثال، مختلفة عن قيمتها في حالة الماء السائل. وطبقاً لمناقشتنا السابقة، يلاحظ أيضأً أن الحرارة المكتسبة أو المفقودة بواسطة المادة أثناء تغير الطور لا تغير درجة حرارة هذه المادة.