الدرس الأول: تبادل الطاقة الحرارية (Thermal Energy Transfer)
الثانوي - الصف الحادي عشر - المسار الأكاديمي
الدرس الأول: تبادل الطاقة الحرارية (Thermal Energy Transfer)
تطور فهم الناس للحرارة مع الزمن. كان يُعتقد قديمًا أن الحرارة تشبه المائع في انسيابها داخل الأجسام والمواد. لكن مع تطور الفيزياء، تغير هذا المفهوم تمامًا.
في هذا الدرس، سوف نتعرف على المفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية، مثل: درجة الحرارة، الطاقة الحرارية، الطاقة الداخلية، الحرارة، السعة الحرارية النوعية، والاتزان الحراري. هذه المفاهيم ضرورية لفهم كيفية انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام وتأثير ذلك على درجة حرارتها وحالتها الفيزيائية.
أولاً: درجة الحرارة (Temperature)
1. تعريفها
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات المكونة لجسم ما. فكلما زادت الطاقة الحركية للجسيمات، ارتفعت درجة حرارة الجسم.
2. الفرق بين الوصف النوعي والكمي
الوصف النوعي (الحواس)
وصف الجسم بأنه "ساخن" أو "بارد" باستخدام الحواس. هذا وصف غير دقيق ويعتمد على الشخص.
الوصف الكمي (القياس)
قياس درجة الحرارة باستخدام موازين حرارة مدرجة (مثل السليسيوس، فهرنهايت، كلفن). يعطي قيمة عددية دقيقة.
3. مقاييس درجة الحرارة
- °Cالسليسيوس (Celsius): يستخدم في معظم دول العالم.
- °Fالفهرنهايت (Fahrenheit): شائع في الولايات المتحدة.
- Kالكلفن (Kelvin): المقياس المطلق في النظام الدولي للوحدات، ويستخدم في المعادلات الفيزيائية.
العلاقة بين الكلفن والسليسيوس:
ملاحظة: الفرق في درجة الحرارة (ΔT) له نفس القيمة العددية سواء قيست بوحدة سليسيوس أو كلفن؛ لأن 1°C = 1 K.
ثانياً: الطاقة الحرارية والطاقة الداخلية
1. الطاقة الحرارية (Thermal Energy)
الطاقة الحرارية هي مجموع الطاقات الحركية لجميع جسيمات الجسم (ذرّات أو جزيئات). وتعتمد على: كتلة الجسم (عدد الجسيمات) ودرجة حرارة الجسم.
2. الطاقة الداخلية (Internal Energy)
الطاقة الداخلية (U) هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة (المرتبطة بالقوى بين الجسيمات) لجميع جسيمات المادة. تُقاس بوحدة الجول (J). تزداد الطاقة الداخلية للنظام بزيادة درجة حرارته أو بتغير حالته الفيزيائية.
العوامل التي تعتمد عليها الطاقة الداخلية:
- • للمواد الصلبة والسائلة: تعتمد على درجة الحرارة، كمية المادة (الكتلة)، وتركيبها الكيميائي.
- • للغازات: تعتمد على ضغط الغاز بالإضافة إلى العوامل السابقة.
العلاقة بينهما:
الطاقة الحرارية هي جزء من الطاقة الداخلية (الجزء المرتبط بالحركة). بينما الطاقة الداخلية تشمل أيضاً طاقة الوضع المتبادلة بين الجسيمات.
ثالثاً: الحرارة (Heat) والمكافئ الميكانيكي الحراري
1. مفهوم الحرارة
الحرارة (Q) هي الطاقة التي تنتقل بين جسمين (أو نظامين) نتيجة اختلاف درجات حرارتهما. تنتقل الحرارة تلقائياً من الجسم الأعلى درجة حرارة إلى الجسم الأقل درجة حرارة، حتى يصل النظامان إلى الاتزان الحراري.
2. وحدات قياس الحرارة (السعر والجول)
الجول (Joule)
الوحدة الدولية (SI) لقياس الطاقة والحرارة والشغل.
السعر (cal)
كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة (1 جرام) من الماء النقي بمقدار درجة سيلسيوس واحدة.
المكافئ الميكانيكي الحراري
حيث J = 4.186 J/cal، أي 1 cal = 4.186 J.
رابعاً: السعة الحرارية النوعية (Specific Heat Capacity)
1. تعريفها
السعة الحرارية النوعية (c) هي كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 kg من مادة معينة بمقدار 1 K (أو 1°C). وهي خاصية للمادة تعتمد على نوعها فقط.
2. الصيغة الرياضية
3. السعة الحرارية النوعية لبعض المواد
| المادة | c (J/kg·K) | المادة | c (J/kg·K) |
|---|---|---|---|
| الماء (15°C) | 4186 | الألمنيوم | 900 |
| الجليد (-5°C) | 2090 | الحديد | 448 |
| بخار الماء (100°C) | 2010 | النحاس | 387 |
| الرمل | 840 | الذهب | 129 |
ملاحظة هامة: الماء له سعة حرارية نوعية كبيرة جداً مقارنة بمعظم المواد. لذلك يُستخدم في أنظمة التبريد.
مثال 1 (ص 64)
قطعة رصاص كتلتها 250g ودرجة حرارتها 20°C، زُوّدت بكمية حرارة 2.4kJ. السعة الحرارية للرصاص = 128 J/kg·K. احسب درجة حرارتها النهائية.
مثال 2 (ص 64-65)
سخان قدرته 1.5kW، يحتوي 20kg ماء (15°C إلى 65°C). احسب الزمن اللازم للتسخين.
خامساً: الاتزان الحراري (Thermal Equilibrium)
عند اتصال جسمين (أو أكثر) بدرجات حرارة مختلفة حرارياً، تنتقل الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد حتى تتساوى درجات حرارتهما. عندها يقال إن النظامين في اتزان حراري.
مبدأ حفظ الطاقة في الأنظمة المغلقة المعزولة
إذا كان النظام مغلقاً ومعزولاً حرارياً، فإن مجموع التغيرات في الطاقة الحرارية لأجزاء النظام يساوي صفراً: ΣQ = 0، أي أن الحرارة المفقودة من الأجزاء الساخنة = الحرارة المكتسبة من الباردة.
معادلة الاتزان الحراري
Q_lost = m_hot c_hot (T_f - T_hot,initial) و Q_gained = m_cold c_cold (T_f - T_cold,initial)
و T_f هي درجة الحرارة النهائية المشتركة عند الاتزان.
مثال 3 (ص 68)
مسعر ماء 0.4kg (20°C) وكرة فلزية 0.05kg (200°C). الحرارة النهائية 22.4°C. احسب السعة الحرارية للكرة.
مثال 4 (ص 69)
خلط ماء بارد 1.2kg (20°C) مع ماء ساخن 0.4kg (80°C). احسب درجة الحرارة النهائية.
تطبيقات حياتية
- • صرف الحرارة عبر الماء: تُتيح سعة الماء الحرارية الكبيرة امتصاصه لطاقة ضخمة دون ارتفاع هائل بحرارته. يستخدم في رادياتير تبريد المركبات.
- • أواني الطهي: الأواني المعدنية (كالألمنيوم) سعتها قليلة تسخن سريعاً.
- • حفظ طاقة المباني: استخدام مواد ذات سعة ضخمة (كالخرسانة) يخزّن حرارة النهار لبثّها ليلاً.
أسئلة للتفكير (ص 70)
- • الفرق بين درجة الحرارة والطاقة الحرارية؟
درجة الحرارة "متوسط" طاقة الجسيمات، والطاقة الحرارية "مجموع" الطاقات الحركية. - • هل الأجسام الساخنة طاقتها الحرارية أكبر دائماً؟
لا. جسم صغير ساخن جداً قد تكون طاقته الحرارية أقل من جبل جليدي بارد ضخم. - • سعة حرارية نوعية كبيرة في المدفأة؟
ميزة: تخزين وبث حرارة لفترة أطول. عيب: بطء الإحماء.
خلاصة الدرس
| المفهوم | التعريف | الصيغة / المعادلة | الوحدة |
|---|---|---|---|
| درجة الحرارة | متوسط الطاقة الحركية للجسيمات | - | K, °C, °F |
| الطاقة الحرارية | مجموع الطاقات الحركية للجسيمات | - | J |
| الطاقة الداخلية | طاقة حركية + طاقة كامنة للجسيمات | U = KE + PE | J |
| الحرارة (Q) | طاقة منتقلة بسبب اختلاف درجات الحرارة | Q = m c ΔT | J |
| السعة الحرارية النوعية | الطاقة لرفع 1 kg بمقدار 1 K | c = Q/(m ΔT) | J/kg·K |
| الاتزان الحراري | تساوي درجات الحرارة، وصافي انتقال الحرارة صفر | ΣQ = 0 | - |