الفصل الرابع: الخصائص الحرارية للمادة

تغير حالة المادة: هو تحويل المادة من حالة إلى أخرى بتأثير الضغط ودرجة الحرارة.

الحرارة الكامنة للانصهار: كمية الحرارة اللازمة لتحويل وحدة الكتل من حالة الصلابة إلى حالة السيولة في نفس درجة الحرارة (بثبوت الضغط)، فالماء ينصهر في الصفر السيليزي ووحداتها J / Kg (جول/كغم).

كمية الحرارة الكامنة للانصهار = الكتلة × الحرارة الكامنة للانصهار.

null.

• Q: كمية الحرارة اللازمة لانصهار المادة.
• m: الكتلة.
• L_f: الحرارة الكاملة للانصهار.

احسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل قطعة من الجليد كتلتها 25 g بدرجة حرارة 0 c إلى ماء عند درجة الحرارة نفسها.

كمية الحرارة الكتلة × الحرارة الكامنة للانصهار.

null.

احسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل 2 kg من الجليد بدرجة 15 c- إلى ماء بدرجة حرارة 25 c علماً أن الحرارة النوعية للماء 4200J / Kg ° C والحرارة الكامنة لانصهار الجليد عند 0C هي 335KJ / Kg

والحرارة النوعية للجليد تساوي 2093J / Kg ° C

لرفع درجة حرارة الجليد 15ºC- إلى 0ºC يلزم تزويده بكمية من الحرارة مقدارها يساوي:

كمية الحرارة = الكتلة × الحرارة النوعية للجليد × فرق درجات الحرارة.

Q₃= m x C_water x ΔT

=2 x 4200 x (25-0)

=50 x 4200

Q₃=210000Joule

ولحساب كميات الحرارة التي تم تزويد الجليد بها حتى أصبح ماء بدرجة حرارة 25ºC يساوي:

Q_total = Q₁+ Q₂+ Q₃

= 62790 + 670000 + 210000

كمية الحرارة الكلية

Qtotal =942790Joule

• التبخر: هو تصاعد جزيئات السائل التي في السطح بعد أن تكسب طاقة كافية من المحيط لتفك ارتباطها بالسائل وتصبح بخار، لذا يبرد الجسم المحيط به.
• الغليان: هو تحول السائل إلى بخار سريع تحدث في جميع أجزاء السائل في درجة حرارة معينة تسمى درجة الغليان،
• ولكل مادة درجة غليان خاصة بها عند ضغط جوي معين.
• الحرارة الكامنة للتبخر: كمية الحرارة اللازمة لتحويل وحدة الكتل من المادة من حالة السيولة إلى الحالة الغازية عند درجة الغليان.
• كمية الحرارة اللازمة لتحويل السائل إلى بخار في نفس الدرجة = الكتلة × الحراراة الكامنة للتصعيد.

Q = m L_y

Q: كمية الحرارة.

M: الكتلة.

L: الحرارة الكامنة للتبخر وحداتها KJ/Kg.

ترتفع درجة حرارة الجو تدريجياً ويبطيء مع استمرار البرد (الوفر)؟

لأنه عند انجماد الماء فإنه يمنح حرارة إلى الجو.

يرى الإنسان زفيره في أيام الشتاء الباردة؟

لتكاثف بخار الماء الدافيء الموجود في هواء الزفير بسبب برودة الجو.

احسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل 3 kg من الماء درجة حرارته 20ºC إلى بخار درجة حرارته 110ºC علماً أن الحرارة النوعية للماء تساوي 4200J / kg والحرارة الكامنة لتبخر الماء 2260kJ / kg والحرارة النوعية لبخار الماء 2010J / kg ºC

كمية الحرارة الكلية = كمية الحرارة اللازمة لتسخين الماء من 20ºC إلى 100ºC + كمية الحرارة اللازمة لتحويل الماء إلى بخار عند درجة حرارة +100ºC كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة بخار الماء من 100ºC إلى 110ºC.

null.

طرائق انتقال الحرارة:

1. التوصيل.
2. الحمل.
3. الإشعاع.

• التوصيل: تنقل المواد الصلبة الحرارة بالتوصيل وتختلف المواد في نقلها للحرارة حسب التركيب الداخلي للمادة، فالفلزات مواد جيدة للتوصيل الحراري لاحتوائها على إلكترونات حرة وتقارب ذراتها، بينما في الخشب والمطاط يكون التوصيل الحراري ضعيف، أو رديئة التوصيل.
• الانحدار الحراري: مقدار التغير في درجة حرارة الموصل في كل متر من طوله حينما تنتقل الحرارة عمودياً على مساحة مقطعه العرضي.

الانحدار الحراري null=null

ما العلاقة بين انسياب الطاقة والانحدار الحراري؟

كلما زاد الانحدار الحراري يزداد مقدار انسياب الطاقة الحرارية.

المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية = معدل التوصيل الحراري × مساحة المقطع العرضي × الانحدار الحراري.

أو null.

• H: المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية بالتوصيل ووحداتها (واط).
• A: مساحة المقطع ووحداتها m²

null: الفرق بدرجات الحرارة.

• l: طول الساق (أو سمكه).
• K: معامل التوصيل الحراري ووحداته watt / m.° C

ملاحظة: المواد الصلبة المختلفة لها معاملات توصيل ( K ) حرارية مختلفة.

يستعمل رجال الإطفاء خوذة على الرأس مصنوعة من النحاس الأصفر بدلاً من خوذة مصنوعة من النحاس الأحمر.

وذلك لأن معامل التوصيل للنحاس الأصفر أقل بكثير من معامل التوصيل الحراري للنحاس الأحمر فيكون نقل الحرارة للنحاس الأصفر أقل بكثير من توصيل النحاس الأحمر وهذا ما ينفعهم في أثناء عملهم.

ساق من الحديد طوله 50 cm ومساحة مقطعه 1cm² وضع أحد طرفيه على لهب درجة حرارته 200ºC ووضع طرفه الآخر في جليد مجروش 0ºC إذا كان الساق مغلفاً بمادة عازلة علماً أن معامل التوصيل الحراري للحديد يساوي 79watt/m.ºC، احسب:

1. الانحدار الحراري؟

null.

2. المعدل الزمني لانسياب الطاقة الحرارية؟

المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية = معامل التوصيل الحراري ×مساحة المقطع ×الانحدار الحراري.

• null.
• null.

غرفة لها نافذة زجاجية ذات طبقة واحدة فإذا كان طول النافذة 2.2 m وعرضها 1.2 m وسمكها 5 mm وعلى افتراض إن درجة حرارة سطح النافذة الزجاجية داخل الغرفة 22ºC ودرجة حرارتها.

من الخارج 3ºC احسب المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية من الغرفة علماً أن معامل التوصيل الحراري للزجاج 0.8W/m. ºC؟

المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية = معامل التوصيل الحراري ×مساحة المقطع العرضي ×الانحدار الحراري.

null.

تطبيقات على التوصيل الحراري:

1. استعمال المعادن لصناعة أواني الطبخ.
2. استعمال مواد عازلة للمقابض في أواني الطبخ.

العزل الحراري عند بناء البيوت وذلك باستعمال مواد عازلة مثل الهواء والزجاج وغيرها من المواد، أو قد يستعمل جدار مكون من طبقتين لهما سمكان مختلفان null ولهما معامل توصيل مختلف، يعمل على العزل الحراري وبنفس الفكرة يصنع قنينة الترموس إذ يصنع من طبقة داخلية من البلاستيك وخارجية من البوليسترين، لتقليل تسرب الحرارة.

إذا وضع قالب من الثلج في صندوق من الألمنيوم ووضع قالب آخر مماثل للأول في صندوق من الخشب، فأي القالبين ينصهر أولاً في درجة حرارة الغرفة.

قالب الثلج الموضوع في صندوق الألمنيوم لأن معامل التوصيل الحراري للألمنيوم أكبر من معامل التوصيل الحراري للخشب فيكون الألمنيوم ذو نقل وتسريب للحرارة إلى الثلج أكبر، فينصهر أولاً.

انتقال الحرارة بطريقة الحمل:

إن جزيئات المادة نفسها تتحرك وتنتقل من مكان إلى آخر والحمل الحراري يحصل فقط في الموائع ولا يحصل في المواد الصلبة.

مثال ذلك مدفأة موضوعة في أحد جوانب الغرفة فنجد بعد مدة من الزمن من الزمن أن الغرفة كلها تصبح دافئة وهذا دليل على انتقال الحرارة وكذلك يحصل انتقال الحرارة بطريقة الحمل في المواد السائلة.

أنواع الحمل الحراري:

• الحمل الحراري الطبيعي الحر: وهو الحمل الذي يحصل في بيوتنا عند وضع المدافئ، بتأثير الجاذبية الأرضية حيث يكون الهواء البارد أكبر كثافة فيهبط للأسفل لأن القوة الصعودية له أقل من وزنه، بينما كثافة الهواء الساخن قليلة فيرتفع للأعلى حاملاً معه الطاقة لأن القوة الصعودية له أكبر من وزنه.
• الحمل الحراري الاضطراري القسري: في هذا النوع يحرض المائع على الدوران من خلال تركيب مضخة أو مروحة في مجرى المائع ينشأ عنه فرق في الضغط يجبر الجزيئات على الحركة، كما يحصل في تبريد محرك السيارة حيث يعمل المحرك بتدوير مروحة ترفع الماء وتدوره، أو كما يحصل عند وضع مشعات في الأرض تسخن الهواء ليصعد للأعلى.

أي من طرائق انتقال الحرارة تستعمل في تبريد محرك السيارة وضح ذلك.

يستعمل في تبريد الحمل الحراري الاضطراري القسري.

انتقال الحرارة بالإشعاع: هذا النوع من انتقال الحرارة يحصل في حالة عدم وجود وسط ناقل كما يحصل في التوصيل والحمل، لذلك تنتقل حرارة الشمس إلى الأرض عن طريق الإشعاع إذ لا يوجد وسط بين الشمس والغلاف الجوي للأرض، لذلك تنتقل الطاقة بواسطة الأشعة الكهرومغناطيسية وبسرعة الضوء والشمس تبعث الأمواج من تحت الحمراء إلى الأشعة البنفسجية وأن مقدار الطاقة يعتمد على:

• مساحة السطح الباعث للطاقة فعند زيادة مساحة السطح تزداد طاقة الإشعاع.
• لون السطح، مثلاً السطح الأسود يشع طاقة تفوق كثيراً معدل إشعاع السطح ذو اللون الفاتح.
• درجة الحرارة، الأجسام تشع طاقة على شكل موجات كهرومغناطيسية يمكن رؤيتها من الأحمر إلى الأبيض إذا كانت درجة حرارتها مرتفعة، بينما تكون هذه الإشعاعات غير مرئية إذا كانت درجة حرارتها منخفضة فإنها تشع الموجات تحت الحمراء.

إن الأجسام جيدة الإشعاع هي في نفس الوقت جيدة الامتصاص: إن مقدار الطاقة الحرارية الممتصة تختلف باختلاف ما يلي:

• نوع المادة.
• لون المادة.
• مدى صقلها.

تطبيقات انتقال الحرارة بطريقتي الحمل والإشعاع:

• البيوت البلاستيكية (بطريقة الإشعاع).
• السخان الشمسي (بطريقة الإشعاع).
• التدفئة المركزية (بطريقتي الحمل والإشعاع).
• التصوير الليلي بالإشعاع تحت الحمراء (طريقة الإشعاع).

• التلوث الحراري: وهو ما يقوم به الإنسان من رفع درجة حرارة البر والجو والماء فيؤدي إلى خلل في التركيبة البيئية، أو تلوث المياه أو الجو بالمداخن أو الفضلات التي تطرحها المحطات النووية، فهي تتلخص في مصادر توليد الطاقة الكهربائية التي تسبب زيادة الحرارة في المياه والجو.
• محطات الطاقة النووية.
• الصناعات النفطية والمصافي التي تلوث الجو والأنهار.

اختر العبارة الصحيحة لكل مما يأتي:

1. حينما يبدأ الماء بالتحول من حالة إلى أخرى فإن، درجة حرارته:

• ترتفع بمقدار درجة سيليزية واحدة.
• تتغير باستمرار.
• تنخفض بمقدار درجة سيليزية واحدة ثم تثبت حتى تتحول كمية الماء جميعها.
• تبقى ثابتة حتى تتحول كمية الماء جميعها.

2. عند اتصال الجسم الأول الذي درجة حرارته T₁ مع الجسم الثاني الذي درجة حرارته T2 والمعزولين حرارياً عن الوسط المحيط بهما فإذا كانت T1>T₂ فإن انتقال الطاقة الحرارية بينهما يستمر إلى أن تصبح:

• درجة حرارة الجسم الثاني أقل من درجة حرارة الجسم الأول.
• درجة حرارة الجسم الأول أقل من درجة حرارة الجسم الثاني.
• عندما يصبح كلاهما عند درجة الحرارة نفسها (T). حيث T₂<T<T-
• درجة حرارة الجسم الأول تصبح صفراً.

3. إذا كان المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية من زجاج شباك الغرفة إلى خارجها هو H فإذا قلت مساحة وسمك الزجاج إلى النصف فإن المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية يساوي:

• 4H
• 2H
• H
• H/2

4. انتقال الحرارة في الغازات يتم بواسطة:

• الإشعاع فقط.
• الحمل فقط.
• الإشعاع والحمل فقط.
• الإشعاع والحمل والتوصيل.

5. عندما يتكثف البخار ويتحول إلى سائل فإن:

• درجة حرارته ترتفع.
• درجة حرارته تنخفض.
• يمتص حرارة.
• يبعث حرارة.

6. انتقال الحرارة في الفراغ يتم بوساطة:

1. الإشعاع فقط.
2. الحمل فقط.
3. الإشعاع والحمل فقط.
4. الإشعاع والحمل والتوصيل.

7. عند ثبوت كل من الكتلة ودرجة الحرارة فإن كمية الحرارة لجسم تتوقف على:

• حجم الجسم.
• شكل الجسم.
• نوعية مادة الجسم.
• كل الاحتمالات السابقة.

8. عند تحول المادة من حالة السيولة إلى الحالة الغازية عند درجة حرارة الغليان يلزم تزويدها بكمية من الحرارة تساوي:

• حاصل ضرب كتلة المادة × الحرارة الكامنة للتبخر × درجة الحرارة.
• حاصل ضرب كتلة المادة × فرق درجات الحرارة.
• كمية الحرارة الكامنة للتبخر.
• حاصل ضرب كتلة المادة × الحرارة الكامنة للتبخر.

2. أجب عن الأسئلة التالية:

1. ثلاث قضبان من النحاس والفولاذ والألمنيوم متساوية في الطول عند درجة حرارة 0C أي منهما سيكون أطول عند درجة حرارة 2500C؟

خلال جدول معامل التمدد الطولي نجد أن أكبر معامل تمدد طولي للألمنيوم ثم النحاس ثم الفولاذ، أي أن الألمنيوم سيكون هو الأطول والنحاس أقصر والفولاذ الأكثر قصراً.

2. تضاف قضبان الفولاذ للأسمنت المسلح في الأبنية لتقويته فلماذا يعد الفولاذ مناسباً لتقوية الأسمنت؟

لأن معامل التمدد للأسمنت والفولاذ متساوي null.

3. لماذا ينصح بعدم فتح غطاء المشع الحراري إلا بعد أن يبرد محرك السيارة؟ فسر ذلك؟

إن الماء الملامس للمحرك يسخن وقد تكون درجة حرارته أكبر من 100 سليزي فيتحول جزء منه إلى بخار مما يؤدي إلى توليد ضغط داخل المشع فإذا فتح الغطاء فسوف يخرج البخار والماء الحار بوجه الشخص لذلك يجب أن تنتظر لكي يتكثف البخار ويبرد الماء حيث أن حرارة الماء داخل المشع الحراري حار جداً.

4. تدهن الأنابيب في السخان الشمسي بطلاء أسود؟ لماذا؟

وذلك لأن الجسم الأسود ممتص جيد للحرارة، مما يساعد في تسخين الماء بسبب زيادة الطاقة الشمسية الممتصة من قبل الجسم الأسود.

5. الماء الذي في كأس الألمنيوم يتجمد قبل الماء في كأس الزجاج عند وضعهما في مجمد الثلاجة؟

لأن الحرارة النوعية للألمنيوم أكبر من الحرارة النوعية للزجاج لأنه موصل جيد يفقد الحرارة بسرعة ويمتصها بسرعة.

6. حينما تلمس قطعتان أحدهما من حديد والأخرى من خشب عند درجة الصفر السيليزي نشعر بأن الحديد أبرد من الخشب.، ما سبب ذلك؟

لأن الحديد أجود توصيلاً للحرارة من الخشب فيكتسب الحديد حرارة اليد فتشعر ببرودته.

7. يصب الماء الساخن على غطاء علبة الزجاج التي تحتوي أطعمة معينة لكي نتمكن من فتحها بسهولة؟

لأن الغطاء يتمدد أكثر من تمدد الزجاج لأن معامل التمدد الحراري للغطاء أكبر من الزجاج فيتمدد فيسهل فتحها.

1. قطعة من الذهب كتلتها 100g ودرجة حرارتها 25ºC وحرارتها النوعية 129J/Kg.0C احسب:

a. السعة الحرارية للقطعة.

• السعة الحرارية = الكتلة × الحرارة النوعية.
• M الكتلة.
• Cp الحرارة النوعية.

null.

b. درجة حرارة قطعة الذهب إذا زودت بكمية من الحرارة مقدارها 516Joule

كمية الحرارة - الكتلة × الحرارة النوعية × الفرق بدرجات الحرارة.

• null.
• null.

2. ما هي كمية الحرارة التي فقدتها كتلة 160g من بخار ماء بدرجة 1000C حين أصبح الماء بدرجة 20C؟

عندما يتكثف البخار يعطي الحرارة الكامنة للتبخير ومقدارها L_V الحرارة الكامنة للتبخير null.

كمية الحرارة الكتلة × الحرارة الكامنة للتبخير (للتصعيد).

نضرب الحرارة الكامنة للتبخير × 1000 لكي نحولها إلى جول 1000 × 2260 وليس كيلو جول.

null.

• null وهو فقدان لأنه تكثيف لذلك نضع علامة سالب.
• عندما يبرد إلى 20C يعطي null.
• كمية الحرارة = ك × الحرارة النوعية × التغير بدرجة الحرارة.

null

كمية الحرارة الكلية المفقودة = مجموع null.

null

3. إناء سعته الحرارية 50Joule / C يحتوي 0.5kg ماء درجة حرارته 100C أضيف إلى الماء الموجود في الإناء كمية من الماء الساخن كتلتها 1kg، في درجة الحرارة 800C كم تصبح درجة حرارة الخليط النهائية؟

• كمية الحرارة المكتسبة = كمية الحرارة المفقودة.
• المكتسب هو المسعر والماء = - الفاقد هو الماء الحار.

null

• Q₁ كمية الحرارة التي يكتسبها المسعر.
• َQ₂ كمية الحرارة التي يكتسبها الماء.
• Q₃ كمية الحرارة التي يفتقدها الماء الحار.

null

null
4. حائط من الطابوق مساحته الجانبية 10m² وسمكه 15 cm احسب المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية إذا كانت درجتا الحرارة الجانبية لهما T₁=20C ,T₂=10C لاحظ الشكل المجاور.

علماً أن معامل التوصيل الحراري للطابوق 0.63watt / m.C؟

المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية = معامل التوصيل الحراري × مساحة المقطع العرضي x الانحدار الحراري.

• H: المعدل الزمني لانتقال الطاقة الحرارية.
• k: معامل التوصيل الحراري إن الانحدار الحراري (null درجتا الحرارة الجانبية، L سمك الحائط).

null.

5. عند تسخين ثلاث كميات من الماء كتلتها m₁= 0.5kg و m₂=0.1kg و m₃=1kg على مواقد حرارية متماثلة لمدة ثلاث دقائق أي الكتل ترتفع درجة حرارتها أكثر، ولماذا؟

كتلة الماء الأقل (0.1 كيلوغرام) هو الذي يسخن أكثر وتكون درجة حرارته أعلى لأنه بثبوت كمية الحرارة المعطاة، كلما قلت الكتلة زادت درجة حرارتها، لأن null أي أن العلاقة بين m الكتلة ودرجة الحرارة التناسب عكسي بثبوت كمية الحرارة.

6. تم تسخين ولنفس المدة كمية من الماء كتلها 0.5kg وكمية من الزيت لها نفس الكتلة، أي الجسمين يسخن أكثر؟ ولماذا؟

يسخن أكثر الذي له حرارة نوعية أقل إذ بثبوت كمية الحرارة المعطاة، كلما قلت الحرارة النوعية للمادة C_p زادت درجة حرارة الجسم فيسخن الزيت أكثر لان C_p له أقل.

null.

وبما أن C_pwater أكبر من C_Poll فيكون: null أكبر من الواحد أي أن: null أكبر من null أي يسخن الزيت أكثر.

7. ما كمية الحرارة التي تكتسبها كمية من الماء كتلتها 200g عندما ترتفع درجة حرارتها من 20C الى 80C؟

• null.
• null null.

8. ما كمية الحرارة التي يفقدها جسم من النحاس كتلته 500g عندما تنخفض درجة حرارته من 750C إلى 25C؟

null.

9. ما درجة الحرارة النهائية لكمية من الماء كتلتها 300g ودرجة حرارتها الابتدائية 20C عندما تكتسب كمية من الطاقة الحرارية مقدارها 37800J؟

null.

10. وضعت كمية من الماء كتلتها 0.5kg ودرجة حرارته 20C في لوحة قوالب الثلج ثم ادخلت في قسم التجميد العلوي في الثلاجة، ما مقدار الطاقة الواجب إزالتها من الماء لتحويله إلى مكعبات ثلجية بدرجة حرارة 5C-.

لتحويل الماء من درجة حرارة 20 سليزس إلى الصفر.

null.

ولتحويلة من ماء بدرجة الصفر إلى جليد كذلك في الصفر.

• null.
• null.

الإشارة السالبة لأنها فقدت حرارة null.

ولتحويلة من جليد في الصفر إلى جليد -5

null.

وكمية الحرارة هي المجموع.

• null.
• null.