مذكرة القياسات الحرارية فيزياء للصف الحادي عشر علمي الفصل الثاني إعداد أ.محمد البلاطي نقدمها لكم بأسلوب سهل وممتع للقارئ والمتعلم
مفهوم الحرارة :
هي سريان الطاقة من جسم له درجة حرارة مرتفعة إلى آخر له درجة حرارة أقل أو هي مجموع تغير الطاقة الحركية لكل جزيئات المادة ويرمز لها بالرمز Qوتقاس بوحدة الجول ( J) أو وحدة السعر الحراري ( cal ) أو وحدة الكيلوسعر الحراري ( kcal )
قياس الحرارة :
نقيس الحرارة بوحدة الجول (J) أو وحدة السعر الحراري ( cal ) أو وحدة الكيلوسعر الحراري ( kcal )
الكيلو سعر الحراري هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة الحرارة كيلو جرام واحد من الماء درجة واحدة سليزية ويرمز له بالرمز ( kcal ) ويمكن التحويل من وحدة الجول (J) إلى وحدة الكيلوسعر الحراري ( kcal ) والعكس كالآتي :
مثال : إذا كانت الحرارة بوحدة الجول تساوي 200J أحسب الحرارة بودة السعر الحراري ( cal ) وبوحدة الكيلو سعر حراري ( kcal ) :
الحل :
حساب مقدار الحرارة :
لحساب مقدار الحرارة رياضياً نجري الأنشطة العملية الآتية :
نشاط عمل
الأدوات :
1- إناءين رقم ( 1 ) يحتوي على كمية من الماء أكبر من الإناء رقم ( 2 )
2 - ترمومتر
التجربة :
نقوم بتسخين الإناءين الإناء رقم ( 1 ) ورقم ( 2 ) ثم نقيس درجة الحرارة باستخدام الترمومتر
الملاحظة أو المشاهدة :
يحتاج الإناء رقم ( 1 ) كمية حرارة أكبر من الإناء رقم ( 2 )
الاستنتاج :
بزيادة كتلة المادة تزداد كمية الحرارة اللازمة لتسخين المادة أي أن الحرارة تتناسب طردياً مع كتلة المادة كالآتي :
نشاط عمل :
الأدوات :
1 - إناءين رقم ( 1 ) ورقم ( 2 ) بهما كمية من الماء نفسها ولهما نفس درجة الحرارة
2- ترمومتر
التجربة :
نقوم بتسخين الإناء رقم ( 1 ) من 10C إلى 20C والإناء رقم ( 2 ) من 10C إلى 100C
الملاحظة أو المشاهدة :
نلاحظ أن الإناء رقم ( 2 ) يحتاج فترة زمنية أكبر لرفع درجة حرارته عن الإناء رقم ( 1 ) لأن فرق درجات الحرارة للإناء رقم ( 2 ) أكبر من الإناء رقم ( 1 ) كالآتي :
الاستنتاج :
بزيادة فرق درجات الحرارة تزداد كمية الحرارة اللازمة لتسخين المادة أي أن الحرارة تتناسب طردياً مع التغير في درجات الحرارة كالآتي :
مثال : كرة من الحديد كتلتها 500g ودرجة حرارتها 63c احسب الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارتها إلى 950C علماً بأن السعة الحرارية النوعية للحديد 448J/Kg.k :
الحل :
مثال : ترتفع درجة حرارة 250g من الماء من 20c إلى 100C علماً بأن السعة الحرارية النوعية للماء تساوي 4180J/Kg.k احسب الطاقة التي نحتاجها لإجراء هذا التسخين :
مفهوم السعة الحرارية النوعية :
هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجراماً واحداً من مادة ما درجة حرارية واحدة على تدريج سليزيوس ويرمز لها بالرمز ( C) وتقاس بوحدة جول / كيلوجرام .كلفن
( J/Kg.k ) أو وحدة جول / كيلوجرام .سليزيوس .J/Kg ويعبر عنها رياضياً كالآتي :
العوامل التي تتوقف عليها السعة الحرارية النوعية ( C ) للمادة الواحدة نوع المادة فقط :
العوامل التي تتوقف عليها السعة الحرارية النوعية ( C ) لعدة مواد كالآتي :
1 - نوع المادة
2 - الحرارة ( Q)
3 - كتلة المادة ( m )
4 - التغير في درجات الحرارة
1 - تقاس السعة الحرارية النوعية ( C ) في النظام الدولي بوحدة جول / ( كيلوجرام .كلفن ) وهي تكافئ وحدة جول / كيلوجرام سليزيوس
2 - تعتبر السعة الحرارية النوعية صفة مميزة لنوع المادة لأنها تختلف باختلاف نوع المادة كالآتي :
3 - أكبر سعة حرارية نوعية لمادة معلومة هي السعة الحرارية النوعية للماء وتقدر قيمتها ( J/Kg.k ) 4180
4 - تعتبر السعة الحرارية النوعية قصور ذاتي حراري لأنها تعبر عن ممانعة الجسم للتغير في درجة حرارته أو لأن بزيادة السعة الحرارية النوعية للمادة معناها حدوث تغيرات بسيطة أو بطيئة في درجة الحارة للمادة مع التسخين
5 - بزيادة كتلة المادة أو فرق درجات الحرارة فإن السعة الحرارية النوعية ثابتة لا تتغير
6 - إذا كان مقدار السعة الحرارية النوعية كبير للمادة فالمادة تسخن ببطء وتبرد ببطء وتختزن حرارة أكبر
7 - إذا كان مقدار السعة الحرارية النوعية صغير للمادة فالمادة تسخن بسرعة وتبرد بسرعة وتختزن حرارة أقل
تطبيقات على السعة الحرارية النوعية :
من تطبيقاتها كالآتي :
1 - يمكن أكل البطاطا المشوية بسرعة بعد خروجها من الفرن ولا يمكن أكل البصل المشوي لأن السعة الحرارية النوعية للبطاطا أقل من البصل المشوي وبالتالي فهي تختزن طاقة حرارية أقل من البصل المشوي
2 - يمكن نزع غطاء الألمنيوم المحيط بالطعام فور خروجه من الفرن ولكن لا يمكن لمس الطعام نفسه لأن السعة الحرارية النوعية للألمنيوم أقل من الطعام وبالتالي فغطاء الألمنيوم يختزن طاقة حرارية أقل من الطعام
3 - يمكن تناول فطيرة التفاح ولكن حشو الفطيرة لا يمكن تناوله فور خروجه من الفرن لأن السعة الحرارية النوعية لفطيرة التفاح أقل من حشو الفطيرة وبالتالي فطيرة التفاح تختزن طاقة حرارية أقل من حشو الفطيرة
4 - يحتاج الحديد 1 / 8 كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء بنفس المقدار لأن السعة الحرارية النوعية للماء أكبر من الحديد بمقدار 8 مرات وبالتالي فإن الحرارة تستهلك في الحديد لزيادة طاقة حركة جزيئاتها وبالتالي ترتفع درجة حرارتها أما في الماء تستهلك الحرارة في زيادة طاقة الحركة الدورانية للجزيئات واستطالة الروابط ثم زيادة طاقة الحركة للجزيئات وبالتالي تسخن قطعة الحديد أولاً
5 - المدن الساحلية تكون درجة حرارتها دائماً معتدلة أي لا يحدث تغير كبير في درجة حرارتها لأن السعة الحرارية النوعية للماء أكبر من السعة الحرارية النوعية لرمال الشاطئ وبالتالي نهاراً ترتفع درجة حرارة الرمال أسرع من الماء وتنشأ رياح باردة من ناحية الماء في اتجاه اليابسة وليلاً تختزن المياه طاقة حرارية أكبر من اليابسة وبالتالي تنشأ رياح باردة من ناحية اليابسة باتجاه الماء ويسمى ذلك بنسيم البر والبحر
6 - يعتبر الماء سائلاً مثالياً للتبريد والتسخين لأن للماء سعة حرارية نوعية عالية جداً تعتبر أكبر السعات الحرارية النوعية مما يجعل الماء قادراً على اختزان الحرارة والحفاظ عليها لفترة طويلة ودرجة حرارة الماء تتغير ببطء أي تسخن ببطء وتبرد ببطء ففي المحركات مثلاً يستخدم الماء للتبريد لأنه يمتص كمية كبيرة من الحرارة قبل أن ترتفع درجة حرارته على عكس غيره من المواد أو السوائل
مفهوم المسعرات الحرارية :
هي أجهزة تعزل الداخل عن المحيط وتسمح بتبادل الحرارة وانتقالها بين مادتين أو أكثر داخلها من دون تأثير من المحيط أي أنها تشكل أنظمة معزولة وتستخدم في حساب السعة الحرارية النوعية وحساب كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة ويوجد بالمسعر الحراري مقلب يجعل الوسط متجانس وترمومتر لمتابعة التغير في درجة الحرارة كالآتي :
قانون التبادل الحراري :
يحدث التبادل الحراري عندما نمزج مادتين أو أكثر ذات درجات حرارة مختلفة تشكل نظاماً معزولاً تدخل الحرارة في داخله من مادة لأخرى حتى يصل النظام إلى حالة الاتزان الحراري أي أن كمية الحرارة المفقودة تساوي كمية الحرارة المكتسبة
أثناء عملية الخلط تكون إحدى المواد ذات درجة حرارة أعلى والأخرى درجة حرارتها أقل فيتم فقد واكتساب الحرارة حتى الوصول إلى الاتزان الحراري أي أن كمية الحرارة المفقودة تساوي كمية الحرارة المكتسبة
