الرئيسية
أحدث الصور
من طرف alaa mansour الخميس ديسمبر 15, 2011 12:14 pmالطاقة الحرارية ، هي شكل من أشكال الطاقة ينتج عنها زيادة في درجة الحرارة. وهيا أيضا مجموع sensible heat والحرارة الكامنة.
التفسير الجزيئي للطاقة الحرارية
تتكون المادة من جزيئات في حالة حركة مستمرة وبذلك يكون لها طاقة حركة KE ويوجد بينها قوى متبادلة ويفصلها عن بعضها مسافات , وبذلك يكون لها طاقة وضع PE ,وعند خفض درجة حرارة المادة بالتبريد فإن سرعة جزيئاتها تقل وكذلك المسافات البينية 0 وعند درجة -273.15 سيليزي تسكن جزيئات المادة 0 وعلى ذلك فالحرارة التي توجد في المادة يرجع معظمها إلى طاقة حركة جزيئاتها0 ومجموع طاقات حركة جزيئات المادة ∑ KE وطاقات وضعها ∑ PE يطلق عليها اسم الطاقة الداخلية ويرمز لها بالرمز u :
∑KE + ∑PEU =
ومعرفة مقدار الطاقة الداخلية لجسم أمر صعب ولكن يمكن بسهولة معرفة مقدار التغير فيها ∆U 0 فإذا عزلنا إناء مملوء بالبخار عزلا حراريا تاما فإن جزيئاته تحتفظ بكل طاقة حركتها ويظل البخار على حالته الغازية إلى ما شاء الله0لكن العزل الحراري التام أمر صعب تحقيقه , لذلك تنقل الطاقة الحراربة ببطء من الإناء المعزول إلى الوسط المحيط , فتقل طاقة حركة جزيئات البخار تدريجيا إلى أن تتحول إلى الحالة السائلة0وبصفة عامة يمكن اعتبار درجة حرارة الجسم(المادة) مقياسا لطاقة حركة جزيئاته والمظهر الملموس لها0
أثر الحرارة على المواد
يجب أن نعرف اولا أن المادة تتكون من جزيئات في حالة حركة مستمرة ونتيجة حركة هذه الجزيئات فان للجزيئات طاقة حركة ونتيجة قوة الجذب المتبادلة بين الجزيئات فان لها طاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين يطلق عليهما اسم الطاقة الداخلية.
الطاقة الداخلية للجسم = طاقة الوضع + طاقة الحركة
وعند التسخين او التبريد فان طاقة حركة الجزيئات تزيد أو تقل تتباعد أو تتقارب وبالتالي تزداد المسافات بين الجزيئات او تقل فتتغير من حالة إلى أخرى.
قد صنف العلماء حالات المادة الى (صلبة- سائلة – غازية)
وصنفها البعض إلى ثلاثة أشكال:
- الجامدة
- المائعة وتشمل ( السوائل والغازات )
- البلازما
والبلازما: هي حالة توجد عليها المادة عند ارتفاع درجة حرارة الغازات الى درجات الحرارة العالية حيث تتفكك الجزيئات الى ايونات موجبة والكترونات السالبة مكونة خليطا من الايونات المشحونة وهي ما تسمى بالبلازما وهي تؤلف القسم الاعظم من مادة الكون والمجرات0
ومما سبق يمكن القول أن:
- درجة حرارة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة حركة جزيئاته.
- حالة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة وضع جزيئاته.
فمثلا الماء عند درجتين 50 و80 تكون طاقة الحركة مختلفة وطاقة الوضع ثابتة.
لعلك لاحظت أن الأسلاك الممدودة تكون مرتخية صيفا ومشدودة شتاء, وزيادة انتفاخ إطارات السيارة نهارا ونقص انتفاخها ليلا, وتجمد الدهن داخل الاوعية شتاء و سيولته صيفا, فما سبب هذه الظاهرة؟ ان اكتساب المادة لكمية من الطاقة الحرارية يؤدي إلى زيادة طاقة حركة جزيئاتها(وزيادة سرعتها) فترتفع درجة حرارتها0فتتدافع الجزيئات مع بعضها مما يؤدي إلى زيادة المسافات البينية فتزداد أبعادها الهندسية – الطول والعرض والارتفاع-أي أنها تتمدد فيزداد طولها ومساحة سطحها وحجمها0 وباستمرار اكتساب المادة للطاقة الحرارية تستمر درجة حرارتها في الارتفاع إلى أن تصل إلى درجة معينة تتحول عندها من حالة إلى أخرى عند نفس الدرجة , والطاقة الحرارية المكتسبة في هذه الحالة تختزن على طاقة وضع كامنة, وعند تحول المادة تماما تصرف الطاقة الحرارية التي تكتسب بعد ذلك في زيادة طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى, أي تزداد طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى(فترتفع درجة حرارتها).
التمدد الحراري للأجسام Thermal expantion
يتوقف مقدار تمدد المادة بالتسخين على مقدار قوى التماسك بين جزيئاتها, فالمادة الصلبة يكون مقدار تمددها بالتسخين صغيرا جدا نظرا لكبر قوى التماسك بين جزيئاتها,في حين أن تمدد السوائل يكون أكبر من تمدد الأجسام الصلبة بالتسخين , أما الغازات فيكون تمددها بالتسخين أكبر بكثير من السوائل لأن قوى التماسك بين جزيئات الغاز تكاد تكون معدومة0
التمدد الخطي (الطولي) للأجسام الصلبةLiner expantuion
تختلف قوى التماسك بين جزيئات المواد الصلبة باختلاف انواعها 0لذلك يختلف مقدار الزيادة في الطول-أي التمدد الطولي بالتسخين.
وقد وجد بالتجربة العملية أن التمدد الطولي لجسم بالتسخين يتوقف على:
1- طول الجسم عند الصفر السيليزي
L0 ∆L ά L0
2 - مقدار الارتفاع في درجة الحرارة
∆T ∆T ∆L ά
3 - نوع مادة الجسم (∆L تتوقف على نوع مادة الجسم)
ومن ذلك نجد أن:
∆T ∆L ά L0.
.L0.∆T ∆L= ثابت
هذا الثابت يتوقف على نوع المادة ويطلق عليه اسم معامل التمدد الخطيLinear expantion cpefficient ويرمز له بالحرف اللاتيني α ( الفا)
∆L= α L0 ∆T ………………….(1)
معامل التمدد الخطي Linear expantion coefficient
من المعادلة رقم (1) نجد أن : α = ∆L \ L0 ∆T /Cº
وعلى ذلك يمكن تعريف معامل التمدد الخطي على أنه:
مقدار الزيادة التي تطرأ على وحدة الأطوال من المادة عند رفع درجة حرارتها درجة سيليزية واحدة ابتداءا من الصفر السيليزي.
وبذلك يمكن تعيين αلمادة جسم بمعلومية كل من الطولL1 عند T1 , L2عند T2 باستخدام العلاقة التالية:
α= ∆L \ L0 (T2-T1) ∆L = L2-L1
التمدد الحجمي للأجسام الصلبة
ذكرنا بأن الجسم الصلب عندما يسخن فإن جميع أبعاده تتمدد وهذا يعني أن حجمه يزداد ويعرف ذلك التمدد الحجمي يمكن حساب مقدار التغير (الويادة أو النقصان) الذي يحدث في جسم معين من الجسم الصلب عندما تتغير درجة حرارته بمقدار ∆T من المعادلة التالية:
∆V = V × β ×∆T
حيث (∆V ) هي التغير في حجم الجسم الصلب
(V ) هي الحجم الاصلي للجسم الصلب عند الدرجة المنخفضة
(∆T ) التغير في درجة الحرارة
(β ) مقدار ثابت يرف بمعامل التمدد الحجمي للمادة ويتوقف على نوع المادة نفسها ويقدر بنفس وحدات معامل التمدد الخطي
وحيث أن ∆T β = ∆V/V
في ضوء هذه العلاقة يمكن تعريف معامل التمدد الحجمي :
معامل التمدد الحجمي : مقدار التغير الذي يطرأ على حجم وحدة الحجوم من المادة عندما تتغير درجة حرارتها درجة واحدة سيليزية وهناك علاقة ين معامل التمدد الحجمي ومعامل التمدد الخخطي لنفس المادة وهي علاقة تقريبية ولكنها صحيحة
Β = 3 α
مثال : كرة من النحاس حجمها 60 cm عند درجة حرارة 25 0C سخنت حتى درجة حرارة 75 0C اوجد حجمها عند الدرجة الاخيرة اذا علمت ان معامل التمدد الخطي لمادة النحاس ( 17X10-6 / 0C )
تمدد السوائل
عرفنا أن الاجسام الصلبة تتمدد خطيا وسطحيا وحجميا لأن لها شكل ثابت. أما السوائل فليس لها شكل ثابت بل تأخذ شكل الاناء الحاوي لها وتحتفظ بحجومها لذلك فان السوائل تتميز بنوع واحد من التمدد هو التمدد الحجمي ويتوقف مقدار التغير في حجم سائل عندما يكتسب مقدارامعين من الطاقة الحرارية على العوامل التالية:
1- الحجم الأصلي للسائل (V)
2- مقدار التغير في درجة حرارة السائل (∆T )
3- نوع مادة السائل
ويمكن حساب التغير في الحجم من العلاقة التالية:
∆V = V X η X ∆T
حيث η مقدار ثابت يتوقف على نوع مادة السائل ويسمى معمل التمدد الحجمي للسائل
درجة الحرارة وقياسها
درجة الحرارة
يمكن تعريف درجة الحرارة بأنها عدد يدل على حالة الجسم من حيث السخونة أو البرودة .ويطلق على الجهاز الذي يقوم بقياس درجة الحرارة اسم المحرر أو مقياس درجة الحرارة Thermometer .
قياس الحرارة
درجة الانصهار
درجة الانصهار، هي الدرجة التي تتحول عندها المادة من الحالة السائلة الى الحالة الصلبة وتظل ثابتة اثناء الانصهار حيث تصرف الحرارة الى تحول المادة من الحالةالصلبة الى الحالة السائلة بزيادة المسافات بين جزيئات المادة والتي تسمى بالطاقة الكامنة للانصهار.
الطاقة الكامنة للانصهار
الطاقة الحرارية المختزنة على شكل طاقة وضع والمنصرفة في تحويل المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة.
وبالتالي يمكن القول أن حرارة الانصهار هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل وحدة الكتل من المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة عند نفس الدرجة.
درجة التبخير
درجة التبخير، هي الدرجة تتحول عندها المادة من الحالة السائلة الى الحالة الغازية وتظل ثابتة اثناء عملية التبخير.
الطاقة الكامنة للتصعيد(التبخير): كمية الحرارة اللازمة لتصعيد وحدة الكتل من السائل دون تغير درجة حرارت.
الترمومترات Thermometers
تقوم فكرة عمل أي ترمومتر على العناصر التالية:
1- مادة ترمومترية
2- صفة ترمومترية
3- تدريج حراري
وهناك عدة أنواع من الترمومترات تيعا لنوع الماة الترمومترية المستخدمة ,فمنها الترمومتر السائل , والترمومتر الغازي والترمومتر الصلب. وفي جميع الأنواع يتم اختيار صفة فيزيائية تتغير بتغير درجة الحرارة(الحجم, ضغط. كثافة ,مقاومة) ومن خلال قياس التغير في هذه الصفة يمكن تعيين درجة الحرارة. ولكي تحدد الترمومترات المختلفة نفس درجة الحرارة تدرج بناء على نقاط مختارة لاجسام تكون درجة حرارتها ثابتة دائما في الظروف المعتادة مثل درجة انصهار الجليد ودرجة غليان الماء تحت الضغط العياري وبناء على ذلك فهناك عدة تدريجات:
1- التدريج السيليزي Celsius Scale :
صممه العلم السويدي اندرس سيلسيوس وفيه اعتبر درجة انصهار الجليد تحت الضغط العياري هي الصفر. ودرجة غليان الماء تحت الضغط العياري هي 100° وقسم المسافة بينهما إلى 100 قسم متساو, كل قسم يعادل درجة واحدة سيليزية.
2- التدريج الفهرنهيتي Fahrenheit Scale :
صممه العالم جابريل فهرنهيت ,حيث اعتبر أبرد درجة حرارة في انجلترا (وتبلغ20° C-) هي الصفر, ودرجة حرارة الانسان هي 100° وقسم المسافة بينهما إلى 100 قسم متساو كل قسم يعادل درجة فهرنهيتية واحدة (1°F) .
عند مقارنة هذا المقياس بالمقياس السيليزي كانت درجة انصهار الجليد تقابل 32°F, ودرجة غليان الماء تقابل 212°F, وبالتالي عند التحويل من السيليزي (Tc) إلى الفهرنهيتي(Fc) نستخدم العلاقة التالية:
1- Tc × 9/5 + 32 = Tf
وعند التحويل من الفهرنهيتي إلى السيليزي نستخدم العلاقة التالية:
2-( Tf – 32 ) × 9/5 = Tc
3 -التدريج المطلق أو الكلفني Absolute or Kelvin Scale :
صممه اللورد كيلفن حيث اعتبر درجة الحرارة التي ينعدم عندها الطاقة الداخلية للمادة هي الصفر , وتقابل هذه الدرجة في التدريج السيليزي -273.15° , وبإهمال الكسور فإنه يمكن الحصول على الدرجة الكلفنية (المطلقة) من العلاقة:
T°k= Tc + 273 , T°c = T°k – 273
وبذلك تكون درجة انصهار الجليد تقابل على التدريج الكلفني273°K ودرجة غليان الماء 373° K.
الصفر المطلق: هو درجة الحرارة التي ينعدم عندها ضغط كمية معينة من الغاز عند ثبات حجمها. أو هو درجة الحرارة التي ينعدم عندها حجم كمية معينة من الغاز عند ثبات ضغطها
الحرارة النوعية والسعة الحراري
من المعروف أن إنتقال الطاقة الحرارية من جسم لاخر يتوقف على درجة حرارة كل من الجسمين ولايتوقف على مقدار الطاقة الحرارية التى يحويها كل منهما حيث تنتقل الحرارة من الأجسام الأعلى درجة حرارة إلى الأجسام الأقل درجة حرارة .
وعند حدوث الإتزان الحرارى تكون :
كمية الطاقة الحرارية المكتسبة = كمية الطاقة الحرارية المفقودة
وهناك عوامل تتوقف عليها كمية الطاقة الحرارية المفقودة أو المكتسبة ( ( Q
1 -كتلة الجسم m ) ) m α Q
2 -التغير فى درجة حرارة الجسم T ∆ T ∆ α Q
3 - نوع مادة الجسم ∆T 0m 0 c = Q
حيث ( C ) مقدار ثابت يتوقف على نوع مادة الجسم ويطلق عليه اسم الحرارة النوعية .
الحرارة النوعية للمادة ( c ) هي:
كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلو جرام واحد من المادة درجة سيليزية واحدة . وهناك مايسمى بالسعة الحرارية للجسم ويمكن تعريفه كما يلى :
السعة الحرارية للجسم ( C ) هى :
كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الجسم كله درجة واحدة سيليزية ويلاحظ أن الحرارة النوعية للمادة ( c ) ثابتة المقدار تتوقف على نوع المادة فقط فى حين السعة الحرارية ( C ) متغيرة المقدار لأن الكتلة متغيرة وتتوقف على كتلة الجسم m وحرارته النوعية m0 c C =
وتقاس الطاقة الحرارية ( Q )بوحدة أخرى تسمى السعر ومضاعفاته الكيلوسعر
ويمكن تعريفها كما يلي:
السعر: كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء درجة واحدة سيليزية وهناك علاقة تربط بين السعر والجول
18 ( J ) . 4 = 1( cal)
تغير الحالة
المادة الصلبة عندما تكتسب كمية من الطاقة الحرارية فان درجة حرارتها تأخذ في الارتفاع تدريجيا الى ان تصل الى درجة حرارة معينة تبدأ عندها في الانصهار وتثبت درجة حرارة المادة عند هذه الدرجة الى ان يتم انصهارها كلها ثم تأخذ درجة حرارتها في الارتفاع مرة أخرى ويرجع ثبات درجة حرارة المادة أثناء الانصهار ان هذه الحرارة تصرف في تحويل المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة وتخزن هذه الطاقة على شكل طاقة وضع تسمى الطاقة الكامنة للانصهار ويطلق على كمية الحرارة اللازمة لتحويل وحدة الكتل في المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة عند نفس الدرجة اسم حرارة الانصهار Lf على ذلك يمكن حساب كمية الطاقة الحرارية اللازمة لصهر كتلة من المادة من المعادلة التالية
Qf = Lf . m
حيث ( Lf ) حرارة الانصهار و ( m ) كتلة المادة.
كذلك يمكن تعريف ( حرارة التبخير ) عند تحويل المادة من الحالة السائلة الى الحالة الغازية بأنها كمية الحرارة اللازمة لتصعيد وحدة الكتل من السائل من الحالة السائلة الى الحالة الغازية دون تغير في درجة حرارتها ويرمز لها Lv
ويمكن حساب كمية الطاقة الحرارية اللازمة للتبخير من المعادلة التالية:
Qv = Lv . m
حيث ( Lv ) حرارة الانصهار و ( m ) كتلة السائل
أثر الضغط على درجة الانصهار
اثبتت التجارب العملية ان المواد المختلفة يزداد درجة انصهارها بزيادة الضغط الواقع على سطحها ماعدا الماء والحديد الزهر فان درجة الانصهار تقل بازدياد الضغط الواقع على سطحها ذلك لأن المواد التي يزداد حجمها عند التجمد ( الماء ) تعمل زيادة الضغط المؤثر على سطحها الى تقارب الجزيئات وتقاوم زيادة المسافات البينية لكي تتجمد أي تحافظ على سيولتها لذلك تنصهر عند درجة حرارة أقل من انصهارها تحت الضغط العياري المعتاد وبالتالي تنخفض درجة انصهارها بزيادة الضغط
أثر الضغط على درجة الغليان
اثبتت التجارب ايضا ان زيادة الضغط الوئثر على سطح السائل يؤدي الى ارتفاع درجة الغليان ونقص الضغط يؤدي الى انخفاض درجة الغليان ويمكن تفسير ذلك في ضوء النظرية الجزيئية يأن زيادة الضغط تعمل على تقليل المسافات البينية بين جزيئات السائل مما يساعد على احتفاظ السائل بحالة سيولته وللتغلب على تقليل المسافات البينية يتطلب ذلك زيادة في الطاقة الحركية بين جزيئاتها وهذا يتطلب رفع درجة حرارة السائل حتى يتحول من الحالة السائلة الى الحالة الغازية. [1]
التفسير الجزيئي للطاقة الحرارية
تتكون المادة من جزيئات في حالة حركة مستمرة وبذلك يكون لها طاقة حركة KE ويوجد بينها قوى متبادلة ويفصلها عن بعضها مسافات , وبذلك يكون لها طاقة وضع PE ,وعند خفض درجة حرارة المادة بالتبريد فإن سرعة جزيئاتها تقل وكذلك المسافات البينية 0 وعند درجة -273.15 سيليزي تسكن جزيئات المادة 0 وعلى ذلك فالحرارة التي توجد في المادة يرجع معظمها إلى طاقة حركة جزيئاتها0 ومجموع طاقات حركة جزيئات المادة ∑ KE وطاقات وضعها ∑ PE يطلق عليها اسم الطاقة الداخلية ويرمز لها بالرمز u :
∑KE + ∑PEU =
ومعرفة مقدار الطاقة الداخلية لجسم أمر صعب ولكن يمكن بسهولة معرفة مقدار التغير فيها ∆U 0 فإذا عزلنا إناء مملوء بالبخار عزلا حراريا تاما فإن جزيئاته تحتفظ بكل طاقة حركتها ويظل البخار على حالته الغازية إلى ما شاء الله0لكن العزل الحراري التام أمر صعب تحقيقه , لذلك تنقل الطاقة الحراربة ببطء من الإناء المعزول إلى الوسط المحيط , فتقل طاقة حركة جزيئات البخار تدريجيا إلى أن تتحول إلى الحالة السائلة0وبصفة عامة يمكن اعتبار درجة حرارة الجسم(المادة) مقياسا لطاقة حركة جزيئاته والمظهر الملموس لها0
أثر الحرارة على المواد
يجب أن نعرف اولا أن المادة تتكون من جزيئات في حالة حركة مستمرة ونتيجة حركة هذه الجزيئات فان للجزيئات طاقة حركة ونتيجة قوة الجذب المتبادلة بين الجزيئات فان لها طاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين يطلق عليهما اسم الطاقة الداخلية.
الطاقة الداخلية للجسم = طاقة الوضع + طاقة الحركة
وعند التسخين او التبريد فان طاقة حركة الجزيئات تزيد أو تقل تتباعد أو تتقارب وبالتالي تزداد المسافات بين الجزيئات او تقل فتتغير من حالة إلى أخرى.
قد صنف العلماء حالات المادة الى (صلبة- سائلة – غازية)
وصنفها البعض إلى ثلاثة أشكال:
- الجامدة
- المائعة وتشمل ( السوائل والغازات )
- البلازما
والبلازما: هي حالة توجد عليها المادة عند ارتفاع درجة حرارة الغازات الى درجات الحرارة العالية حيث تتفكك الجزيئات الى ايونات موجبة والكترونات السالبة مكونة خليطا من الايونات المشحونة وهي ما تسمى بالبلازما وهي تؤلف القسم الاعظم من مادة الكون والمجرات0
ومما سبق يمكن القول أن:
- درجة حرارة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة حركة جزيئاته.
- حالة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة وضع جزيئاته.
فمثلا الماء عند درجتين 50 و80 تكون طاقة الحركة مختلفة وطاقة الوضع ثابتة.
لعلك لاحظت أن الأسلاك الممدودة تكون مرتخية صيفا ومشدودة شتاء, وزيادة انتفاخ إطارات السيارة نهارا ونقص انتفاخها ليلا, وتجمد الدهن داخل الاوعية شتاء و سيولته صيفا, فما سبب هذه الظاهرة؟ ان اكتساب المادة لكمية من الطاقة الحرارية يؤدي إلى زيادة طاقة حركة جزيئاتها(وزيادة سرعتها) فترتفع درجة حرارتها0فتتدافع الجزيئات مع بعضها مما يؤدي إلى زيادة المسافات البينية فتزداد أبعادها الهندسية – الطول والعرض والارتفاع-أي أنها تتمدد فيزداد طولها ومساحة سطحها وحجمها0 وباستمرار اكتساب المادة للطاقة الحرارية تستمر درجة حرارتها في الارتفاع إلى أن تصل إلى درجة معينة تتحول عندها من حالة إلى أخرى عند نفس الدرجة , والطاقة الحرارية المكتسبة في هذه الحالة تختزن على طاقة وضع كامنة, وعند تحول المادة تماما تصرف الطاقة الحرارية التي تكتسب بعد ذلك في زيادة طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى, أي تزداد طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى(فترتفع درجة حرارتها).
التمدد الحراري للأجسام Thermal expantion
يتوقف مقدار تمدد المادة بالتسخين على مقدار قوى التماسك بين جزيئاتها, فالمادة الصلبة يكون مقدار تمددها بالتسخين صغيرا جدا نظرا لكبر قوى التماسك بين جزيئاتها,في حين أن تمدد السوائل يكون أكبر من تمدد الأجسام الصلبة بالتسخين , أما الغازات فيكون تمددها بالتسخين أكبر بكثير من السوائل لأن قوى التماسك بين جزيئات الغاز تكاد تكون معدومة0
التمدد الخطي (الطولي) للأجسام الصلبةLiner expantuion
تختلف قوى التماسك بين جزيئات المواد الصلبة باختلاف انواعها 0لذلك يختلف مقدار الزيادة في الطول-أي التمدد الطولي بالتسخين.
وقد وجد بالتجربة العملية أن التمدد الطولي لجسم بالتسخين يتوقف على:
1- طول الجسم عند الصفر السيليزي
L0 ∆L ά L0
2 - مقدار الارتفاع في درجة الحرارة
∆T ∆T ∆L ά
3 - نوع مادة الجسم (∆L تتوقف على نوع مادة الجسم)
ومن ذلك نجد أن:
∆T ∆L ά L0.
.L0.∆T ∆L= ثابت
هذا الثابت يتوقف على نوع المادة ويطلق عليه اسم معامل التمدد الخطيLinear expantion cpefficient ويرمز له بالحرف اللاتيني α ( الفا)
∆L= α L0 ∆T ………………….(1)
معامل التمدد الخطي Linear expantion coefficient
من المعادلة رقم (1) نجد أن : α = ∆L \ L0 ∆T /Cº
وعلى ذلك يمكن تعريف معامل التمدد الخطي على أنه:
مقدار الزيادة التي تطرأ على وحدة الأطوال من المادة عند رفع درجة حرارتها درجة سيليزية واحدة ابتداءا من الصفر السيليزي.
وبذلك يمكن تعيين αلمادة جسم بمعلومية كل من الطولL1 عند T1 , L2عند T2 باستخدام العلاقة التالية:
α= ∆L \ L0 (T2-T1) ∆L = L2-L1
التمدد الحجمي للأجسام الصلبة
ذكرنا بأن الجسم الصلب عندما يسخن فإن جميع أبعاده تتمدد وهذا يعني أن حجمه يزداد ويعرف ذلك التمدد الحجمي يمكن حساب مقدار التغير (الويادة أو النقصان) الذي يحدث في جسم معين من الجسم الصلب عندما تتغير درجة حرارته بمقدار ∆T من المعادلة التالية:
∆V = V × β ×∆T
حيث (∆V ) هي التغير في حجم الجسم الصلب
(V ) هي الحجم الاصلي للجسم الصلب عند الدرجة المنخفضة
(∆T ) التغير في درجة الحرارة
(β ) مقدار ثابت يرف بمعامل التمدد الحجمي للمادة ويتوقف على نوع المادة نفسها ويقدر بنفس وحدات معامل التمدد الخطي
وحيث أن ∆T β = ∆V/V
في ضوء هذه العلاقة يمكن تعريف معامل التمدد الحجمي :
معامل التمدد الحجمي : مقدار التغير الذي يطرأ على حجم وحدة الحجوم من المادة عندما تتغير درجة حرارتها درجة واحدة سيليزية وهناك علاقة ين معامل التمدد الحجمي ومعامل التمدد الخخطي لنفس المادة وهي علاقة تقريبية ولكنها صحيحة
Β = 3 α
مثال : كرة من النحاس حجمها 60 cm عند درجة حرارة 25 0C سخنت حتى درجة حرارة 75 0C اوجد حجمها عند الدرجة الاخيرة اذا علمت ان معامل التمدد الخطي لمادة النحاس ( 17X10-6 / 0C )
تمدد السوائل
عرفنا أن الاجسام الصلبة تتمدد خطيا وسطحيا وحجميا لأن لها شكل ثابت. أما السوائل فليس لها شكل ثابت بل تأخذ شكل الاناء الحاوي لها وتحتفظ بحجومها لذلك فان السوائل تتميز بنوع واحد من التمدد هو التمدد الحجمي ويتوقف مقدار التغير في حجم سائل عندما يكتسب مقدارامعين من الطاقة الحرارية على العوامل التالية:
1- الحجم الأصلي للسائل (V)
2- مقدار التغير في درجة حرارة السائل (∆T )
3- نوع مادة السائل
ويمكن حساب التغير في الحجم من العلاقة التالية:
∆V = V X η X ∆T
حيث η مقدار ثابت يتوقف على نوع مادة السائل ويسمى معمل التمدد الحجمي للسائل
درجة الحرارة وقياسها
درجة الحرارة
يمكن تعريف درجة الحرارة بأنها عدد يدل على حالة الجسم من حيث السخونة أو البرودة .ويطلق على الجهاز الذي يقوم بقياس درجة الحرارة اسم المحرر أو مقياس درجة الحرارة Thermometer .
قياس الحرارة
درجة الانصهار
درجة الانصهار، هي الدرجة التي تتحول عندها المادة من الحالة السائلة الى الحالة الصلبة وتظل ثابتة اثناء الانصهار حيث تصرف الحرارة الى تحول المادة من الحالةالصلبة الى الحالة السائلة بزيادة المسافات بين جزيئات المادة والتي تسمى بالطاقة الكامنة للانصهار.
الطاقة الكامنة للانصهار
الطاقة الحرارية المختزنة على شكل طاقة وضع والمنصرفة في تحويل المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة.
وبالتالي يمكن القول أن حرارة الانصهار هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل وحدة الكتل من المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة عند نفس الدرجة.
درجة التبخير
درجة التبخير، هي الدرجة تتحول عندها المادة من الحالة السائلة الى الحالة الغازية وتظل ثابتة اثناء عملية التبخير.
الطاقة الكامنة للتصعيد(التبخير): كمية الحرارة اللازمة لتصعيد وحدة الكتل من السائل دون تغير درجة حرارت.
الترمومترات Thermometers
تقوم فكرة عمل أي ترمومتر على العناصر التالية:
1- مادة ترمومترية
2- صفة ترمومترية
3- تدريج حراري
وهناك عدة أنواع من الترمومترات تيعا لنوع الماة الترمومترية المستخدمة ,فمنها الترمومتر السائل , والترمومتر الغازي والترمومتر الصلب. وفي جميع الأنواع يتم اختيار صفة فيزيائية تتغير بتغير درجة الحرارة(الحجم, ضغط. كثافة ,مقاومة) ومن خلال قياس التغير في هذه الصفة يمكن تعيين درجة الحرارة. ولكي تحدد الترمومترات المختلفة نفس درجة الحرارة تدرج بناء على نقاط مختارة لاجسام تكون درجة حرارتها ثابتة دائما في الظروف المعتادة مثل درجة انصهار الجليد ودرجة غليان الماء تحت الضغط العياري وبناء على ذلك فهناك عدة تدريجات:
1- التدريج السيليزي Celsius Scale :
صممه العلم السويدي اندرس سيلسيوس وفيه اعتبر درجة انصهار الجليد تحت الضغط العياري هي الصفر. ودرجة غليان الماء تحت الضغط العياري هي 100° وقسم المسافة بينهما إلى 100 قسم متساو, كل قسم يعادل درجة واحدة سيليزية.
2- التدريج الفهرنهيتي Fahrenheit Scale :
صممه العالم جابريل فهرنهيت ,حيث اعتبر أبرد درجة حرارة في انجلترا (وتبلغ20° C-) هي الصفر, ودرجة حرارة الانسان هي 100° وقسم المسافة بينهما إلى 100 قسم متساو كل قسم يعادل درجة فهرنهيتية واحدة (1°F) .
عند مقارنة هذا المقياس بالمقياس السيليزي كانت درجة انصهار الجليد تقابل 32°F, ودرجة غليان الماء تقابل 212°F, وبالتالي عند التحويل من السيليزي (Tc) إلى الفهرنهيتي(Fc) نستخدم العلاقة التالية:
1- Tc × 9/5 + 32 = Tf
وعند التحويل من الفهرنهيتي إلى السيليزي نستخدم العلاقة التالية:
2-( Tf – 32 ) × 9/5 = Tc
3 -التدريج المطلق أو الكلفني Absolute or Kelvin Scale :
صممه اللورد كيلفن حيث اعتبر درجة الحرارة التي ينعدم عندها الطاقة الداخلية للمادة هي الصفر , وتقابل هذه الدرجة في التدريج السيليزي -273.15° , وبإهمال الكسور فإنه يمكن الحصول على الدرجة الكلفنية (المطلقة) من العلاقة:
T°k= Tc + 273 , T°c = T°k – 273
وبذلك تكون درجة انصهار الجليد تقابل على التدريج الكلفني273°K ودرجة غليان الماء 373° K.
الصفر المطلق: هو درجة الحرارة التي ينعدم عندها ضغط كمية معينة من الغاز عند ثبات حجمها. أو هو درجة الحرارة التي ينعدم عندها حجم كمية معينة من الغاز عند ثبات ضغطها
الحرارة النوعية والسعة الحراري
من المعروف أن إنتقال الطاقة الحرارية من جسم لاخر يتوقف على درجة حرارة كل من الجسمين ولايتوقف على مقدار الطاقة الحرارية التى يحويها كل منهما حيث تنتقل الحرارة من الأجسام الأعلى درجة حرارة إلى الأجسام الأقل درجة حرارة .
وعند حدوث الإتزان الحرارى تكون :
كمية الطاقة الحرارية المكتسبة = كمية الطاقة الحرارية المفقودة
وهناك عوامل تتوقف عليها كمية الطاقة الحرارية المفقودة أو المكتسبة ( ( Q
1 -كتلة الجسم m ) ) m α Q
2 -التغير فى درجة حرارة الجسم T ∆ T ∆ α Q
3 - نوع مادة الجسم ∆T 0m 0 c = Q
حيث ( C ) مقدار ثابت يتوقف على نوع مادة الجسم ويطلق عليه اسم الحرارة النوعية .
الحرارة النوعية للمادة ( c ) هي:
كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلو جرام واحد من المادة درجة سيليزية واحدة . وهناك مايسمى بالسعة الحرارية للجسم ويمكن تعريفه كما يلى :
السعة الحرارية للجسم ( C ) هى :
كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الجسم كله درجة واحدة سيليزية ويلاحظ أن الحرارة النوعية للمادة ( c ) ثابتة المقدار تتوقف على نوع المادة فقط فى حين السعة الحرارية ( C ) متغيرة المقدار لأن الكتلة متغيرة وتتوقف على كتلة الجسم m وحرارته النوعية m0 c C =
وتقاس الطاقة الحرارية ( Q )بوحدة أخرى تسمى السعر ومضاعفاته الكيلوسعر
ويمكن تعريفها كما يلي:
السعر: كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء درجة واحدة سيليزية وهناك علاقة تربط بين السعر والجول
18 ( J ) . 4 = 1( cal)
تغير الحالة
المادة الصلبة عندما تكتسب كمية من الطاقة الحرارية فان درجة حرارتها تأخذ في الارتفاع تدريجيا الى ان تصل الى درجة حرارة معينة تبدأ عندها في الانصهار وتثبت درجة حرارة المادة عند هذه الدرجة الى ان يتم انصهارها كلها ثم تأخذ درجة حرارتها في الارتفاع مرة أخرى ويرجع ثبات درجة حرارة المادة أثناء الانصهار ان هذه الحرارة تصرف في تحويل المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة وتخزن هذه الطاقة على شكل طاقة وضع تسمى الطاقة الكامنة للانصهار ويطلق على كمية الحرارة اللازمة لتحويل وحدة الكتل في المادة من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة عند نفس الدرجة اسم حرارة الانصهار Lf على ذلك يمكن حساب كمية الطاقة الحرارية اللازمة لصهر كتلة من المادة من المعادلة التالية
Qf = Lf . m
حيث ( Lf ) حرارة الانصهار و ( m ) كتلة المادة.
كذلك يمكن تعريف ( حرارة التبخير ) عند تحويل المادة من الحالة السائلة الى الحالة الغازية بأنها كمية الحرارة اللازمة لتصعيد وحدة الكتل من السائل من الحالة السائلة الى الحالة الغازية دون تغير في درجة حرارتها ويرمز لها Lv
ويمكن حساب كمية الطاقة الحرارية اللازمة للتبخير من المعادلة التالية:
Qv = Lv . m
حيث ( Lv ) حرارة الانصهار و ( m ) كتلة السائل
أثر الضغط على درجة الانصهار
اثبتت التجارب العملية ان المواد المختلفة يزداد درجة انصهارها بزيادة الضغط الواقع على سطحها ماعدا الماء والحديد الزهر فان درجة الانصهار تقل بازدياد الضغط الواقع على سطحها ذلك لأن المواد التي يزداد حجمها عند التجمد ( الماء ) تعمل زيادة الضغط المؤثر على سطحها الى تقارب الجزيئات وتقاوم زيادة المسافات البينية لكي تتجمد أي تحافظ على سيولتها لذلك تنصهر عند درجة حرارة أقل من انصهارها تحت الضغط العياري المعتاد وبالتالي تنخفض درجة انصهارها بزيادة الضغط
أثر الضغط على درجة الغليان
اثبتت التجارب ايضا ان زيادة الضغط الوئثر على سطح السائل يؤدي الى ارتفاع درجة الغليان ونقص الضغط يؤدي الى انخفاض درجة الغليان ويمكن تفسير ذلك في ضوء النظرية الجزيئية يأن زيادة الضغط تعمل على تقليل المسافات البينية بين جزيئات السائل مما يساعد على احتفاظ السائل بحالة سيولته وللتغلب على تقليل المسافات البينية يتطلب ذلك زيادة في الطاقة الحركية بين جزيئاتها وهذا يتطلب رفع درجة حرارة السائل حتى يتحول من الحالة السائلة الى الحالة الغازية. [1]