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 ...^_^
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق