ملخص وحدة الطاقة الحرارية فيزياء تاسع متقدم

ملخص وحدة الطاقة الحرارية فيزياء تاسع متقدم

الطاقة الحرارية 

إعداد . أ / رامي عبد الفتاح 

درجة الحرارة والطاقة الحرارية 

الديناميكا الحرارية " هي دراسة تحولات الحرارة إلى أشكال أخرى للطاقة " 

بدأت دراستها في القرن الثامن عشر عند صناعة المحركات البخارية التي استخدمت في تشغيل القطارات والمصانع ومضخات المياه في مناجم الفحم 

الطاقة الحرارية 

١- الجزيئات الموجودة في غاز ما لها طاقات حركية خطية ودورانية ، وقد يكون لها طاقة وضع خلال اهتزازها بين مواضع محددة ، وعندما تصطدم تلك الجزيئات مع بعضها ومع جدران الوعاء الذي يحتويها تنتقل الطاقة فيما بينها. 

الطاقة الحرارية، "هي الطاقة الكلية للجزيئات "

۲- يرتبط متوسط الطاقة لكل جزئ بدرجة حرارة الغاز ، فعند تعريض بالون مملوء بغاز الهيليوم لأشعة الشمس يزداد حجمه قليلا ، لأن طاقة أشعة الشمس تجعل ذرات الغاز تتحرك بسرعة أكبر فتصطدم بجدار البالون بمعدل أكبر فتزداد القوة المؤثرة على جدار البالون فيتمدد المطاط ، وبالتالي يزداد حجم البالون . 

٣- ذرات المواد الصلبة لا تتحرك بحرية مثل الغازات ، وتكون حركتها في صورة ارتدادات مختلفة الشدة إلى الأمام وإلى الخلف كما لو كانت مرتبطة معا بنوابض ، ويكون لكل ذرة بعض الطاقة الحركية ، وطاقة الوضع، والطاقة الحرارية الكلية في المادة الصلبة = متوسط طاقتي الوضع والحركة لكل ذرة x عدد ذرات المادة (N). 

الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة 

١- للجسم الساخن طاقة حرارية أكبر من الجسم البارد المشابه له ، وبالرغم من أن جميع الجزيئات داخل الجسم لا تمتلك كمية الطاقة نفسها وتتفاوت قيم الطاقة للجزيئات على مدى واسع ، إلا أن متوسط طاقة جزيئات الجسم الساخن تكون أكبر من متوسط طاقة جزيئات الجسم البارد. 

۲- تعتمد درجة حرارة الجسم على متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الجسم ، ولا تعتمد على عدد الذرات في الجسم، لأن متوسط الطاقة الحركية للجزيئات تساوي الطاقة الحركية الكلية للجسم مقسومة على عدد جزينات الجسم ، لذا تتناسب الطاقة الحرارية للجسم مع عدد الجزيئات فيه ، في حين أن درجة الحرارة لا تعتمد على عدد الجزيئات في الجسم .

الإتزان والقياس الحراري

١- عند قياس درجة حرارة جسم ساخن مقارنه بمقياس الحرارة ، فإن جزيئات الجسم تمتلك طاقة حرارية أكبر ، وتتحرك بسرعة أكبر من جزيئات الأنبوب الزجاجي لمقياس الحرارة ، و عندما تصطدم الجزيئات المتحركة بسرعة أكبر في الجسم بالجزيئات المتحركة بسرعة أقل في الأنبوب الزجاجي ، تنتقل الطاقة من الجسم إلى الزجاج عن طريق عملية " التوصيل الحراري ". 

التوصيل الحراري ، " هو انتقال الطاقة الحركية عندما تتصادم الجزينات بعضها ببعض في أثناء تلامسها " 

۲- أثناء اكتساب جزيئات الزجاج المزيد من الطاقة فإنها تبدأ في إرجاع بعض الطاقة إلى جزيئات الجسم ، وعندما تتساوی درجتا حرارة الجسم ومقياس الحرارة ، يتساوی معدل انتقال الحرارة من الجسم إلى الزجاج والعكس ، ويقال أن الجسم ومقياس الحرارة وصلا إلى حالة " الاتزان الحراري " . 

حالة الاتزان الحراري : " هي الحالة التي يتساوى عندها معدل انتقال الطاقة بين جسمين ، ويكون لكلا الجسمين
درجة الحرارة نفسها "

٣- يعتمد عمل مقياس الحرارة على خاصية معينة ، مثل الحجم ، والذي يتغير بتغير درجة الحرارة ، ويحتوي العديد من مقاييس الحرارة على كحول ملون يتمدد عندما يسخن ، ويرتفع داخل أنبوب ضيق ، وبزيادة درجة حرارة الكحول يزداد حجمه فيزداد ارتفاعه في الأنبوب ، مشيرا إلى درجة حرارة أعلى.

٤- في مقاييس الحرارة السائلة البلورية ، تستخدم مجموعة من السوائل البلورية المختلفة ، بحيث تترتب بلورات الجزيئات لكل نوع عند درجة حرارة محددة ، مما يؤدي إلى تغير لون البلورة ، فتشير إلى درجة الحرارة من خلال اللون .

٥. المقاييس الحرارية الطبية ، والمستخدمة في محركات المركبات تستخدم دوائر إلكترونية حساسة تقيم درجات الحرارة بسرعة.

مقياسا درجة الحرارة ( السلسيوس والكلفن)

١- يعتمد مقياس سلسيوس على خصائص الماء ، حيث اختار نقطة تجمد الماء النقي لتكون 0°C، ونقطة غليان الماء النقطي عند مستوى سطح البحر لتكون C° 100 . 

٢- يوجد في الكون مدى واسع لدرجات الحرارة ، ولا يبدو أن هناك حدا أعلى لدرجات الحرارة حيث تصل درجة الحرارة داخل الشمس إلى x 107 C1 . 5 على الأقل ، ولكن يوجد حد أدنى لدرجات الحرارة وهي الدرجة التي يتقلص عندها حجم غاز مثالي مثل الهيليوم ليصبح حجمه مساويا حجم ذرات الهيليوم فقط ، أي تتلاشى الفراغات بين الذرات ، وتفقد ذرات الغاز طاقتها الحرارية كاملة ، ولا يمكن تخفيض درجة الحرارة إلى أقل من ذلك ، وتعرف هذه الدرجة ب " الصفر المطلق" ، وتساوي C" 273. 15 - . 

درجة الصفر المطلق ، " هي درجة الحرارة التي تتلاشى عندها الفراغات بين ذرات الغاز المثالي ، ليصبح الحجم الذي يشغله الغاز مساويا لحجم جزيئات الغاز ، وتساوي C° 273 . 15 - "

الصفيحة الحرارية 

هي عبارة عن مبرد يعمل في اتجاهين ، حيث تنتزع المضخة في الصيف الحرارة من المنزل فيبرد ، أما في الشتاء تنتزع الحرارة من الهواء البارد في الخارج وتنقلها إلى داخل المنزل لتدفئته ، وفي الحالتين يتطلب ذلك طاقة ميكانيكية لنقل الحرارة من الجسم الأبرد إلى الجسم الأسخن . 

القانون الثاني للديناميكا الحرارية 

١- بعض العمليات تتفق مع القانون الأول للديناميكا الحرارية ، ولكن لم تشاهد وهي تحدث تلقائيا ، فمثلا لا يحظر القانون الأول للديناميكا الحرارية تدفق الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن ، ومع ذلك لم يحدث أن أصبحت الأجسام الساخنة أكثر سخونة عند وضعها | ملامسة لأجسام باردة ، ولو تصبح الأجسام الباردة أكثر برودة عند ملامستها لأجسام ساخنة 

۲- إذا حولت الآلات الحرارية الطاقة الحرارية بشكل كامل إلى طاقة ميكانيكية دون أي حرارة مفقودة فإن القانون الأول للديناميكا الحرارية يكون قد تحقق ، إلا أن الحرارة الضائعة تتولد دائما ، ولا تشاهد جزيئات الغاز الموزعة عشوائية ترتب نفسها تلقائيا في أنماط معينة

٣. عندما تسقط كرة بيسبول بفعل الجاذبية الأرضية ، يكون لها طاقة وضع وطاقة حركية تؤديان إلى إنجاز شغل ، إلا أنه عندما تسقط الكرة خلال الهواء تصطدم بالعديد من جزيئات الهواء التي تمتص بعضا من طاقة الكرة،  وهذا يؤدي إلى تحرك جزيئات الهواء في اتجاهات وسرعات عشوائية ، حيث تؤدي الطاقة المكتسبة من الكرة إلى زيادة الفوضى بين الجزيئات ، وكلما كان مدى سرعة الجزيئات أكبر كان عدم الانتظام ( الفوضى أو الإنتروبي) أكبر ، ومن المستبعد حدوث العملية العكسية ، أي عودة جزيئات الهواء إلى وضعها السابق مانحة طاقاتها للكرة ومسببة ارتفاعها عن سطح الأرض . 

٤- عند إضافة حرارة إلى الجسم فإن الإنتروبي يزداد ، وإذا انتزعت حرارة من الجسم فإن الإنتروبي ينقص ، أما إذا بذل الجسم شغلا دون أن تتغير درجة حرارته فإن الإنتروبي لا يتغير ما دام الاحتكاك مهملا، ويقاس التغير في الإنتروبي AS بوحدة J/ K . الصغير في الإعروبي، " هو ما يساوي مقدار الحرارة المضافة إلى الجسم ، مقسومة على درجة حرارة الجسم بالكلفن " 

القانون الثاني للديناميكا الحرارية. " العمليات الطبيعية تجري في اتجاه المحافظة على الإنتروبي الكلي
للكون أو زيادته " أي أن الأشياء كلها ستصبح أكثر عشوائية ، وأقل انتظاما مالم يتخذ إجراء معين يحافظ على انتظامها وترتيبها .