الفصل السادس (الطاقة الحرارية) : - الدرس الأول (درجة الحرارة والطاقة الحرارية) : - شرح درس درجة الحرارة والطاقة الحرارية

                 

                       

                                 

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

شرح درس درجة الحرارة والطاقة الحرارية – الطاقة الحرارية

نبدأ على بركة الله

الديناميكا الحرارية : هي دراسة تحولات الحرارة إلى أشكال أخرى من أشكال الطاقة .

على الرغم من أن دراسة الديناميكا الحرارية بدأت في القرن الثامن عشر ، إلا أنه لم يتم الربط بين مفاهيم الديناميكا الحرارية وحركة الذرات و الجزيئات في المواد الصلبة والسوائل والغازات حتى عام 1990 تقريبا .

تستخدم مفاهيم الديناميكا الحرارية اليوم على نطاق واسع في التطبيقات المختلفة ويستخدم المهندسون قوانين الديناميكا الحرارية في تطوير أداء الثلاجات ، ومحركات المركبات ،والطائرات ، وآلات أخرى .

درسنا سابقا كيف تتصادم الأجسام وتتبادل طاقاتها الحرارية . فعلى سبيل المثال ، الجزيئات الموجودة في غاز ما لها طاقات حركية خطية ودورانية . وقد يكون للجزيئات طاقة وضع خلال اهتزازها وترابطها .

درجة حرارة الغاز : الطاقة الكلية للجزيئات بالطاقة الحرارية . ويرتبط متوسط الطاقة لكل جزيء .

ما الذي يجعل الجسم ساخنا ؟

عندما تملأ بالونا بغاز الهيليوم يتمدد مطاط البالون وذلك بفعل تصادم ذرات الغاز بجدار البالون الداخلي بشكل متكرر ، إذ تصطدم كل ذرة من بلايين ذرات غاز الهليوم التي في البالون بجداره المطاطي ، ثم ترتد إلى الخلف لتصطدم بالطرف الآخر من البالون ، كما في الشكل 1-5 . وقد تلاحظ أن البالون يصبح أكبر قليلا إذا عرضته لأشعة الشمس ، لأن طاقة أشعة الشمس تجعل ذرات الغاز تتحرك أسرع ،لذا تصطدم بالجدار بمعدل أكبر . و يؤدي كل تصادم ذري إلى إحداث قوة أكبر على جدار البالون . ولذا يتمدد المطاط ، مما يؤدي إلى تمدد البالون كليا . أما عند تبريد البالون فإنه سنكمش قليلا ، لأن خفض درجة الحرارة يبطئ من حركة ذرات الهيليوم مما يجعل البالون ينكمش .

لذرات المواد الصلبة طاقة حركية أيضا ، ولكنها لا تتمكن من الحركة بحرية مثل ذرات الغاز . والطريقة الوحيدة لتصور التركيب الجزيئي للمادة الصلبة ، تكون برسم عدد من الذرات المرتبطة معا بنوابض تسمح لها بالحركة في صورة ارتدادات مختلفة الشدة إلى الأمام ، وإلى الخلف .

ملاحظة : للجسم الساخن طاقة حرارية أكبر من الجسم البارد المشابه له . حيث أن الجزيئات في الجسم الساخن لها طاقة حرارية أكبر من الجزيئات في الجسم البارد .

ملاحظة : الجزيئات داخل الجسم ليس لها كمية الطاقة نفسها .

تعتمد درجة الحرارة على متوسط الطاقة الحركية للجزيئات في الجسم فقط ، وهي لا تعتمد على عدد الذرات في الجسم . وتقسم الطاقة الحركية الكلية على عدد الجزيئات الموجودة في الجسم لحساب متوسط الطاقة الحركية . لذا تتناسب الطاقة الحرارية في الجسم مع عدد الجزيئات فيه ، في حين أن درجة الحرارة لا تعتمد على عدد الجزيئات في الجسم .

 

 

كيف تقيس درجة حرارة جسمك ؟

عندما تشعر بأنك مصاب بالحمى ، فقد تضع مقياس حرارة في فمك وتنتظر بضع دقائق قبل أن تنظر إلى قراءة درجة الحرارة على المقياس . و تقوم آلية عمل مقياس الحرارة كما يلي :

قياس درجة الحرارة تتضمن التصادمات وانتقالات الطاقة بين مقياس الحرارة وجسمك ، فعندما يكون جسمك ساخنا مقارنة بمقياس الحرارة فذلك يعني أن الجزيئات في جسمك لها طاقة حرارية أكبر ، وتتحرك بسرعة أكبر من الجزيئات التي في المقياس . وعندما يلامس أنبوب المقياس الزجاجي البارد جلدك الذي يكون أدفأ من الزجاج فإن الجزيئات المتحركة بسرعة في جلدك تصطدم بالجزيئات المتحركة ببطء في الأنبوب الزجاجي ، فتنتقل الطاقة عندئذ من جلدك إلى الزجاج عن طريق عملية التوصيل الحراري .

التوصيل الحراري : هو انتقال الطاقة الحركية عندما تتصادم الجزيئات . أي أن الطاقة الحرارية للجزيئات المكونة لمقياس الحرارة تزداد ، وفي الوقت نفسه تتناقص الطاقة الحرارية للجزيئات في الجلد .

 عندما يصبح معدل انتقال الطاقة من الزجاج إلى الجسم مساويا لمعدل انتقال الطاقة من الجسم إلى الزجاج عند اللحظة التي تتساوى فيها درجتا حرارة الجسم ومقياس الحرارة . فإنه عندئذ إن الجسم ومقياس الحرارة وصلا إلى الاتزان الحراري .

الاتزان الحراري : هي الحالة التي يصبح عندها معدلا تدفق الطاقة بين جسمين متساويين ، ويكون لكلا الجسمين درجة الحرارة نفسها .

مقياسا درجة الحرارة : السلسيوس والكلفن

ابتكر عالم الفلك والفيزياء السويدي أندريه سلسيوس عام 1741 م مقياسا يعتمد على خصائص الماء . ففي هذا المقياس – الذي يسمى الآن مقياس سليوس – تعرف نقطة تجمد الماء النقي لتكون 0 C  ونقطة غليان الماء النقي عند مستوى سطح البحر لتكون 100 C .

يوضح الشكل السابق المدى الواسع لدرجات الحرارة الموجودة في الكون .

علل : إن مقياس سلسيوس مفيد في القياسات اليومية لدرجة الحرارة ، غير أن استخدامه في المسائل العلمية والهندسية غير عملي .

لأنه يحتوي على درجات حرارة سالبة .

ملاحظة : الطاقة الحركية دائما موجبة .

مقياس الكلفن : هو تدريج قياس يبدأ من الصفر المطلق .

ملاحظة : إن نقطة الصفر في مقياس كلفن تعرف بأنها نقطة الصفر المطلق .وتسمى الدرجة الواحدة على هذا المقياس كلفن

يمكن التحويل بين الكلفن والسلسيوس بالعلاقة

Tc +273 = Tk

الحرارة وتدفق الطاقة الحرارية :

الحرارة : هي الطاقة التي تنتقل بين جسمين . وهي تتدفق من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد .

ملاحظة : لا يمكن أن  تنتقل الحرارة من الجسم الابرد إلى الجسم الأسخن أبدا .

ملاحظة : يرمز لكمية الحرارة بالرمز Q وتقاس بوحدة الجول .

ملاحظة : عندما تكون Q سالبة فهذا يعني أن الحرارة تنبعث من الجسم .

ملاحظة : عندما تكون Q موجبة فهذا يعني أن الجسم امتص حرارة .

علل : عند وضع نهاية قضيب في النار فإن الحرارة تصل للطرف الآخر في فترة زمنية قصيرة .

لان الجزيئات في القضيب كانت تتلامس معا مباشرة مما يجعل انتقال الحرارة أسرع .

هل يمكن أن تنتقل الطاقة الحرارية ان لم يكن هناك تلامس بين جزيئات الجسم ؟ كيف ذلك ؟

نعم ، فعند تسخين الماء الموجود في دورق فإن الماء الموجود في القاع يسخن بفعل التوصيل ويصعد إلى أعلى في حين ينزل الماء البارد من أعلى نحو القاع . فتتدفق الحرارة بين الماء الساخن الصاعد للأعلى والماء البارد النازل للأسفل .

الحمل الحراري : حركة المائع في المادة السائلة أو الغازية التي تحدث بسبب اختلاف درجة الحرارة .

من الأمثلة التي يحدث بها الحمل الحراري : الاضطرابات الجوية ، العواصف الرعدية .

الإشعاع الحراري : هو انتقال الطاقة بواسطة الأمواج الكهرومغناطيسية .

مثال : تعمل الشمس على تسخين الأرض وذلك من بعد 150 مليون كيلومتر .

نستنتج مما سبق أن هناك ثلاث طرق للانتقال الحراري :

1-  التوصيل الحراري : تنتقل الحرارة بين جسمين متلامسين

2-  الحمل الحراري : تنتقل الحرارة بين جسمين غير متلامسين

3-  الإشعاع الحراري : انتقال الحرارة بين جسمين غير متلامسين بواسطة الأمواج الكهرومغناطيسية.

السعة الحرارة النوعية :

بعض الأجسام لها قابلية لإكتساب الحرارة أكثر من غيرها . ففي الأيام المشمسة تكون حرارة الرمل أكثر من حرارة ماء البحر رغم تعرضهما للطاقة الحرارية من المصدر نفسه (الشمس) وخلال الفترة الزمنية نفسها . ومن هنا نستنتج أن ازدياد حرارة الجسم يعتمد على كتلة الجسم ونوع مادته .

السعة الحرارة النوعية : هي كمية الطاقة التي يجب أن تكتسبها المادة لترتفع درجة حرارة وحدة الكتل من هذه المادة درجة سليزية واحدة .

يرمز للسعة الحرارية النوعية بالرمز C وتقاس بوحدة J/kg.K في نظام الوحدات العالمي . ويبين الجدول التالي قيم السعة الحرارية النوعية لبعض المواد المعروفة .

ملاحظة : يعتمد مقدار الحرارة التي يكتسبها جسم ما أو يفقدها عند تغير درجة حرارته يعتمد على كتلته وعلى التغير في درجة حرارته وعلى السعة الحرارية النوعية لمادة الجسم .

كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة :

النص الفيزيائي : كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة تساوي كتلة الجسم مضروبة في سعته الحرارية النوعية ، في الفرق بين درجتي حرارته النهائية والابتدائية .

المسعر : قياس الحرارة النوعية :

يستخدم المسعر لقياس التغير في الطاقة الحرارية . ويكون المسعر معزولا تماما بحيث يكون انتقال الطاقة إلى المحيط الخارجي أقل ما يمكن .

ألية عمل المسعر :

1-  توضع كتلة مقيسة من مادة مسخنة عند درجة حرارة عالية داخل المسعر الذي يحتوي أيضا على كتلة معروفة من الماء البارد وتكون درجة حرارة الماء معروفة أيضا .

2-  فتنتقل الحرارة المفقودة من المادة إلى الماء البارد

3-  يحسب التغير في الطاقة الحرارية للمادة من خلال الزيادة الحاصلة في درجة حرارة الماء .

هناك عدة أنواع من المسعرات فمنها ما تستعمل لقياس التفاعلات الكيميائية ومنها ما تستعمل لقياس محتوى الأطعمة من الطاقة .

ملاحظة : يعتمد عمل المسعر على مبدأ حفظ الطاقة في النظام المغلق والمعزول ، بحيث لا تدخل الطاقة هذا النظام او تغادره . ونتيجة لذلك فإنه عندما تزداد طاقة جزء معين فإن طاقة الجزء الآخر يجب أن تنقص بالمقدار نفسه .

حفظ الطاقة :

ثابت = EA + EB

النص الفيزيائي : تكون الطاقة الحرارية في النظام المغلق والمعزول للجسم A مضافا إليها الطاقة الحرارية للجسم B مقدارا ثابتا .

ملاحظة : تقسم الحيوانات إلى مجموعتين اعتمادا على درجات حرارة أجسامها :

1-  حيوانات ثابتة درجة الحرارة : تبقى درجات حرارة أجسامها مستقرة بغض النظر عن درجة حرارة المحيط .

2-  حيوانات متغيرة درجة الحرارة : ترتفع درجة حرارة اجسامها عندما تكون درجة حرارة المحيط مرتفعة .

تم بحمد الله

نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات

" نرد على جميع التعليقات "

بالتوفيق للجميع ...^_^