دائرة التعليم والمعرفة
مدرسة الرؤية الخاصة
الوحدة 1
الطاقة الحرارية
إعداد / نادر أبو الفتوح عبد اللطيف
معلم العلوم بمدرسة الرؤية الخاصة 2017-2018
القسم 1 : الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة
الفكرة الرئيسية : كيف يمكنك الاستفادة من الطاقة الحرارية ؟
الطاقة : هي القدرة على إحداث تغيير.
هي طاقة مخزنة بسبب التفاعل بين جسمين (أو جسيمات المادة)
- تزداد بزيادة الارتفاع (أو المسافات بين الجسيمات)
الطاقة الحركية
الطاقة التي تكون لجسم أو جسيم بسبب حركته
- تزداد بزيادة السرعة
- للكرة طاقة وضع وطاقة حركية.
- عندما تكون الكرة في الهواء تنجذب إلى الأرض بفعل الجاذبية وتسمى قوة الجذب هذه طاقة الوضع الجذبية.
الطاقة الميكانيكية : ناتج جمع طاقة الوضع وطاقة الحركة لجسم ما.
حالات المادة ← الحركة
صلیب ← حركة اهتزازية
سائل ← تتحرك بحرية
غاز ← تتحرك بحرية وبسرعة
- لجسيمات المادة طاقة وضع نتيجة التفاعل والتجاذب بين جسيمات المادة.
الطاقة الحرارية : هي ناتج جمع الطاقة الحركية وطاقة الوضع للجسيمات المكونة لمادة ما.
درجة الحرارة : هي متوسط الطاقة الحركية لجسيمات المادة (قياس لمدى سخونة أو برودة شي ما).
- جسيمات الهواء داخل المنزل الدافئ تتحرك أسرع وطاقتها الحركية أكبر بالمقارنة بجسيمات الهواء خارج المنزل في ليلة شتوية باردة.
- كلما زاد متوسط الطاقة الحركية للجسيمات ارتفعت درجة الحرارة.
- يستحيل قياس الطاقة الحركية للجسيمات الفردية.
درجة الحرارة
الجليد / الماء : نفسها (يكون لجسيمات الماء والجليد متوسط الطاقة الحركية والسرعة نفسها)
الطاقة الحرارية
الجليد / الماء : مختلفة (لاختلاف المسافات بين جسيمات كل مادة فتختلف طاقة الوضع لكل منها)
الثيرمومترات : هي أجهزة قياس درجة الحرارة.
1- الثيرمومتر در البصيلة
- أنبوب زجاجي متصل ببصيلة تحتوي على سائل (الكحول) يتمدد بارتفاع درجة الحرارة وينكمش بانخفاض درجة الحرارة.
2- الثيرمومتر الالكتروني
- يقيس التغيرات في مقاومة دائرة كهربائية ويحول هذا القياس إلى درجة حرارة.
- يشير ارتفاع السائل في الأنبوب إلى درجة الحرارة.
الصفر المطلق : أقل درجة حرارة ممكنة لأي مادة (K0). (عندها لا تتحرك الجسيمات وطاقة الحركية = 0).
- لم يتمكن العلماء من تبريد أي مادة الى درجة حرارة K0
الحرارة : انتقال الطاقة الحرارية من جسم دافئ الى جسم أكثر برودة.
- معدل التسخين يعتمد على اختلاف درجة الحرارة بين الجسمين .
- يستمر التسخين حتى يصبح لكل الأجسام المتصلة درجة الحرارة نفسها .
القسم 2 : انتقال الطاقة الحرارية
الفكرة الرئيسية : كيف يمكنك الاستفادة من الطاقة الحرارية ؟
طرق انتقال الطاقة الحرارية
الإشعاع / التوصيل / الحمل
1- الإشعاع : انتقال الطاقة الحرارية من مادة إلى آخري عبر موجات كهرومغناطيسية مثال : الشمس - النار - جسم الإنسان - الجليد .
- الأجسام الدافئة تبعث إشعاعا أكثر مما تفعل الأجسام الباردة
- الطاقة الحرارية النابعة من الشمس تسخن الهواء داخل السيارة فترتفع درجة حرارتها .
- تنتقل الطاقة الحرارية من الشمس إلى الأرض بالإشعاع (لأن الفضاء فراغ) .
- الإشعاع ينقل الطاقة الحرارية أيضا عبر المواد الصلبة والسائلة والغازية .
2- التوصيل : انتقال الطاقة الحرارية بين المواد عن طريق اصطدام الجسيمات
- تتصادم جسيمات الهواء الساخن بجسيمات العصير البارد فتنقل جسيمات الهواء طاقة حركية إلى كوب العصير البارد ونتيجة لذلك يزداد متوسط الطاقة الحركية لجسيمات العصير وتزداد درجة حرارته
- يستمر التوصيل حتى تصبح الطاقة الحرارية لكل الجسيمات المتصلة متساوية.
موصل الحرارة
مادة تتدفق من خلالها الطاقة الحرارية بسهولة.
- ذراتها تمتلك الكترونات حرة الحركة.
- تنتقل الطاقة عندما تصطدم الالكترونات ببعضها و بالذرات الأخرى .
مثال : الفلزات (إبزيم حزام الأمان)
عازل الحرارة
مادة لا تتدفق من خلالها الطاقة الحرارية بسهولة.
- لا تتحرك الالكترونات بسهولة .
- لا تنتقل الطاقة بسهولة (لوقوع عدد أقل من التصادمات بين الالكترونات والذرات)
مثال : قماش حزام الأمان
الحرارة النوعية : كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة واحدة سيليزية.
- المواد ذات الحرارة التوعية المنخفضة (الموصل) تتطلب قدر صغير من الطاقة لتغيير درجة حرارتها (تسخن بسرعة)
- المواد ذات الحرارة النوعية العالية (العوازل) تتطلب قدر كبير من الطاقة لتغيير درجة حرارتها (تسخن ببطء).
- لكل مادة حرارة نوعية مختلفة
- الماء أعلى المواد حرارة نوعية (ترتفع درجة حرارته ببطء وتنخفض ببطء)
من التأثيرات المفيدة للحرارة النوعية العالية للماء :
تبريد الجسم - برودة مياه المسابح والبحيرات والمحيطات صيفا - تبريد الآلات (كمحركات السيارات ومناشير تقطيع الصخور)
الانكماش الحراري : هو تناقص في حجم المادة عند انخفاض درجة حرارتها .
التمدد الحراري : هو ازدياد في حجم المادة عند ارتفاع درجة حرارتها
- البالون المنفوخ في يوم بارد تنتقل الطاقة الحرارية من جسيمات الهواء بداخله لجسيمات مادة البالون ومنها للهواء البارد في الخارج ونتيجة لذلك تقل طاقة حركة جسيمات الهواء داخل البالون وتتقارب منكمشة .
- باستخدام مجفف شعر يمكن إعادة نفخ البالون فتنقل جسيمات الهواء الساخن طاقة حرارية لجسيمات الهواء داخل البالون فتزداد طاقة الحركة وتزاد درجة حرارة وسرعة الجسيمات وتنتشر
- التمدد والانكماش الحراري أكبر في الغازات وبصورة أقل في السوائل وأقلها في المواد الصلبة .
- يمكن للأرصفة تحمل التمدد الحراري والانكماش الحراري بسبب وصلات التحكم .
المناطيد
* عندما يسخن هواء المنطاد يسبب التمدد الحراري وتزداد حركة جسيمات الهواء داخله ويخرج بعضة من الفتحة السفلية نتيجة التصادم فتقل عدد الجسيمات ، وتقل الكثافة فيرتفع لأعلى (تصبح أقل من عدد الجسيمات الموجودة في حجم من الهواء الخارجي مساو لحجم المنطاد)
** لهبوط المنطاد يبرد الهواء داخله فيتعرض للانكماش الحراري (دون انكماش المنطاد) فيملا الهواء الخارجي عالي الكثافة داخل المنطاد وتزداد الكثافة فيهبط ببطء
الزجاج المقاوم للحرارة : زجاج يتمدد بمعدل أقل من تمدد الزجاج العادي . (لا يتضرر في فرن ساخن)
الحمل الحراري : انتقال الطاقة الحرارية بواسطة حركة الجسيمات من أحد أجزاء المادة الى جزء أخر (يحدث في الموانع فقط (السائل والغاز)) .
- عند تسخين وعاء ماء في فرن يسخن الوعاء بواسطة التوصيل
- تتحرك جسيمات الماء الدافئ إلى السطح وتتحرر بعض حرارته ويصبح أكثر برودة وكثافة من الماء الأسفل ويهبط للقاع ، ويرتفع الماء الأقل كثافة لأعلى
- تستمر هذه الدورة حتى يصبح كل الماء في الإناء عند درجة الحرارة نفسها .
تيارات الحمل في الغلاف الجوي
تيارات الحمل : حركة الموانع في دورة ما بفعل الحمل الحراري
أهمية تيارات الحمل :
1- تحريك الماء في المحيطات والمسطحات المائية الأخري .
2- نشر الهواء في غرفة ما
3- تحريك المواد في باطن الأرض
4- تحرك المادة والطاقة الحرارية داخل الشمس وسطحها
5- تحرك الهواء بين خط الاستواء وخطوط العرض بالقرب من °S 30 و°N 30.
- الطاقة الحرارية الهائلة عند خط الاستواء تسخن الهواء فتنخفض كثافته ويرتفع لأعلى .
- يتكثف بخار الماء الموجود في الهواء الصاعد ويبرد عائدا للأرض في صورة أمطار
- يهبط الهواء البارد إلى أسفل ليحل محل الهواء الصاعد الأقل كثافة
- تتكون المناطق القاحلة حيث يهبط الهواء البارد الجاف
- تقع معظم الغابات المطيرة عند خط الاستواء أو قريب منه (بسبب الهطول الناتج عن الهواء الرطب) .