مقدمه

"ژول" با آزمایش نشان داد که هرگاه مقدار معینی از انرژی مکانیکی به گرما تبدیل شود، مقدار گرمای حاصل همیشه یکسان است. بنابراین هم‌ارزی گرما و کار مکانیکی به‌عنوان دو شکل انرژی ، کاملا محرز است. "هلمهولتز" اولین کسی بود که بوضوح بیان کرد که نه‌تنها گرما و انرژی مکانیکی ، بلکه تمام شکلهای انرژی هم‌ارزند و مقدار معینی از یک شکل انرژی از بین نمی‌رود، مگر آنکه همان مقدار در یکی از شکلهای دیگر انرژی ظاهر شود. بنابراین گرما صورتی از انرژی است.

حال اگر چنانچه بخواهیم دمای جسمی را به اندازه واحد افزایش دهیم، در این صورت بسته به نوع جسم ، این مقدار گرما متفاوت خواهد بود. کلمه ظرفیت در ظرفیت گرمایی بویژه گمراه کننده است، چون عبارت مقدار گرمایی را که یک جسم می‌تواند نگه دارد، به یاد می‌آورد که   اساسا   بی‌معنا است.

اصولا می‌توان ظرفیت گرمایی را به‌عنوان یک ثابت تناسب در نظر گرفت، یعنی مقدار گرمای داده شده به یک جسم با تغییر دمای آن جسم متناسب است و با ضرب کردن ظرفیت گرمایی در طرف دوم این رابطه ، رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می‌شود، یعنی نسبت مقدار انرژی گرمایی( ) که به یک جسم داده می‌شود، بر افزایش دمای متناظر با آن( ) را ظرفیت گرمایی آن جسم می‌گویند.

ظرفیت گرمایی ویژه

ظرفیت گرمایی واحد جرم یک جسم را ظرفیت گرمایی ویژه آن جسم می‌گویند. ظرفیت گرمایی ویژه ، مشخصه ماده‌ایست که جسم را تشکیل داده است. در مورد یک سکه از ظرفیت گرمایی صحبت می‌کنیم، ولی در مورد ماده تشکیل دهنده آن یعنی مس ، گفتگو از ظرفیت گرمایی ویژه مناسبت ندارد. ظرفیت گرمایی یک جسم و ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده ، هیچکدام ثابت نیستند و به محل بازده دمایی بستگی دارند.

مشخصات ظرفیت گرمایی

ظرفیت ، یک مقدار عددی است که واحد آن بر اساس تعریف واحد گرما و واحد دما بیان می‌شود. معمولا گرما را برحسب کالری بیان می‌کنند و کالری طبق تعریف مقدار گرمایی است که باید به یک گرم آب داده شود تا دمای آن را به اندازه یک درجه سانتی‌گراد بالا ببرد. بر این اساس مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک کیلوگرم آب به اندازه یک درجه سانتی‌گراد ، کیلوکالری نامیده می‌شود.

دما را نیز برحسب واحد کلوین بیان می‌کنند، البته دما را برحسب درجه سانتی‌گراد نیز می‌توان بیان کرد. لذا واحد ظرفیت گرمایی خواهد بود.

ظرفیت گرمایی مولی جامدات

یک مول از هر ماده ، مقداری از آن ماده است که شامل تعداد معینی از موجودات بنیادی ، یعنی عدد آووگادرو ‌باشد. این عدد ، حاصل این تعریف است که یک مول از اتمهای کربن (ایزوتوپ کربن 12) دقیقا 12گرم جرم دارد. در سال 1198- 1819، "دولون" و "پتی" خاطر نشان کردند که ظرفیت گرمایی مولی تمام عناصر ، به استثنای چند مورد ، مقادیری در حدود دارند. ظرفیت گرمایی مولی از ضرب کردن گرمای ویژه در وزن مولکولی بدست می‌آید.

در عمل ظرفیتهای گرمایی مولی با دما تغییر می‌کنند، یعنی وقتی که دما به طرف صفر کلوین میل می‌کند، آنها به صفر و وقتی که دما به بی‌نهایت میل می‌کند، آنها به مقدار دولون _ پتی نزدیک می‌شوند. چون به نظر می‌رسد که در تعیین گرمای لازم برای افزایش دمای یک جسم به مقدار معین ، تعداد مولکولها اهمیت داشته باشد و نه نوع آنها ، لذا می‌توان انتظار داشت که ظرفیت‌های گرمایی مولی مواد مختلف تقریبا به نحو یکسانی با دما تغییر ‌کنند.

روش آزمایش :

برای تعیین هر کاری از مشخصه های گرمایی فوق دو (یا چند) ماده با دمای متفاوت اولیه را درون ظرفی که از محیط ایزوله شده باشد یعنی با محیط تبادل گرمایی نکند به نام کالریمتر(گرماسنج) مخلوط می کنند. کالریمتر یک ظرف دو جداره است که بین دو جداره آن خلاء شده است و یا به هر نحو با ریختن مواد عایق گرما، هوای آن خارج شده است. در یک کالریمتر خوب مشابه فلاسک، جدار خارجی آن را برای جلوگیری از تشعشع آینه می کنند. کالریمتر شامل دماسنج ، هم زن، در پوش عایق و در بعضی گونه ها مجهز به یک فیلامای الکتریکی جهت گرم کردن محتویات درون آن است. در آزمایشهای گرماسنجی به دلایل مختلف از جمله داشتن گرمای ویژه کاملا معین و سهولت تبادل گرما و به تعادل رسیدن آن با مواد دیگر مخلوط ، غالبا یکی از مواد مخلوط را آب اختیار می کنند. به هر صورت روش آزمایش به این ترتیب است که m_c گرم از یک ماده سرد (که لازم است مایع باشد) با گرمای ویژه C_c را درون کالریمتر می ریزند و پس از هم زدن و تعادل گرمایی داخل دمای آن را اندازه می گیرند. (θc) سپس به سرعت مقداری از یک ماده گرم به جرم m_H و گرمای ویژه C_H و دمای θ_H را به ظرف اضافه می کنند پس از حصول تعادل مجدد دمای مجدد دمای مخلوط را اندازه می گیریم (θ_F ( . طبق اصل اول ترمودینامیک گرمای گرفته شده توسط کلیه اجسامی که در تبادل گرما شرکت می کنند برابر صفر است :

m_c C_c (θ_F - θc) + A (θ_F - θc) + m_H C_H (θ_F - θ_H) = 0

که در آن A ارزش آبی کالریمتر است.

روش آزمایش :

1) تعیین ارزش آبی کالریمتر : کالریمتر را تمیز و خشک کرده و جرم آن را اندازه می گیریم.(m). سپس در حدود یک ظرفیت آن آب سرد در آن بریزید و مجددا جرم آن را تعیین کنید. پس از هم زدن دمای داخل کالریمتر را اندازه می گیریم (θ_c) . پس از تعیین دمای آب گرم (θ_H)  در پوش کالریمتر را بر می داریم و به سرعت حدود یک سوم دیگر از ظرفیت ظرف به آن آب گرم اضافه کنید و در پوش کالریمتر را می بندیم و پس از حصول تعادل دمای آن را اندازه می گیریم (دمای تعادل یا نهایی θ_H ) یک بار دیگر جرم کالریمتر و محتویات آن را اندازه می گیریم . مقادیر را یادداشت کنید. برای بار دوم آزمایش را با مقادیر متفاوت آب سرد و گرم و دمای آنها تکرار کنید.

2) تعیین گرمای ویژه جسم جامد : مشابه مرحله اول رفتار می کنیم با این تفاوت که جسم گرم را جامدی که در آب در حال جوش است می گیریم.