دراسة الحرارة ”كمياتها وطرق انتقالها وتأثيرها علي الأجسام"

جامعة بابل - كلية التربية الاساسية – قسم العلوم – محاضرات الحرارة - للمرحلة الثانية – للعام الدراسي 2016_2017 م . م سفير عبد الكريم عبد الرحيم
المحاضرة الثانية من ( 1 – 8 )
عرفنا في المحاضرة السابقة عن الحرارة............
عند دراسة الحرارة ”كمياتها وطرق انتقالها وتأثيرها علي الأجسام" نحتاج إلي الكمية الأساسية المعروفة بدرجة الحرارة.
درجة حرارة جسم ما، هي مقياس لكمية الطاقة الحرارية التي يختزنها الجسم
أي أنها مؤشر على مدى حركية ذراته.
وهي تحدد ما إذا كان الجسم سيكتسب مزيدًا من الطاقة الحرارية أم سيفقد جزءًا منها عندما يمس جسمًا آخر.
ولتعيين درجة حرارة جسم نستخدم الميزان الحراري ”الثيرموميتر“.
ميزان الحرارة ”الثيرموميتر“:
الثيرموميتر أداة تستخدم لقياس درجات الحرارة، وهو يحتوي على تدريج مرقم بطرق معينة، وبالتالي يمكن التعبير عن درجة الحرارة بالدرجات.
والثيرمومتر يعمل من خلال تغير في أحد الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة، مثل :
1-خاصية تمدد الاجسام مع زيادة درجة الحرارة " الثيرمومتر الزئبقي"
2- خاصية تغير الضغط "الثيرمومترالغازي"
3- خاصية تغير القوة الدافعة الكهربية «المزدوج الحراري".
لابد من إيجاد مقياس أو تدريج يعبر عن درجة الحرارة بغض النظر عن تغير الخاصية الفيزيائية ومن هذه التدريجات المقياس المئوي ومقياس الفهرنهيت والمقياس المطلق.

المقياس المئوي ” تدريج سيليزيس ”:
اعتمد سيليزيس على وجود نقطتين لا تتغير فيهما درجة الحرارة مع تزويد الماء بحرارة، وهما درجة انصهار الجليد ودرجة غليان الماء عند واحد ضغط جوي. وقسم ما بين هاتين الدرجتين إلى 100 قسم وسمى كل قسم درجة مئوية أو سيليزيس oC.
المقياس الفهرنهيتي:
اعتمد فهرنهيت علي نفس مبدأ التدريج المئوي أي على نقطة تحول الماء إلى الحالة الغازية او الصلبة، ولكنه اعتبر درجة الانصهار هي 32oF بدلاً من الصفر، ودرجة الغليان للماء وهي 212oF بدلاً من 100.
المقياس المطلق:
اعتمد كلفن على درجة حرارة النقطة الثلاثية (وهي نقطة يتواجد فيها الجليد والماء والبخار معاً) واعتبر قيمتها 273.16 درجة مطلقة أو كلفن k.
والجدير بالذكر أن الدرجة المئوية الواحدة تعادل تماماَ الدرجة الواحدة في مقياس كلفن ولكن درجة البدء تختلف بين النظامين.
الجدول الآتي يوضح صيغ التحويل من تدريج إلي آخر:





التحويل الصيغة مثال
من مئوي إلي مطلق Tk = TC + 273 21oC = 294 k
من مطلق إلي مئوي TC = Tk - 273 313 k = 40 oC
من فهرنهيتي إلي مئوي TC = 5/9 ´(TF - 32) 86 oF = 30 oC
من مئوي إلي فهرنهيتي
TF = 9/5 ´TC + 32 50 oC = 122 oF


مثال (1):
ما هي درجة الحرارة التي عندها يتساوى التدريج المئوي والتدريج الفهرنهيتي.
الحل:
نفرض أن هذه الدرجة هي T، وبالتعويض عنها في العلاقة:

نحصل على:



40 0C = - 40 oF
مثال (1):
حول 77 درجة فهرنهيتيه إلى المقياس المطلق المقابل لها.
الحل:
لا توجد علاقة مباشرة بين التدريج الفهرنهيتي والتدريج المطلق.
لذلك نحول أولاً للتدريج المئوي ومنه نحول للتدريج المطلق.


القانون الصفري للديناميكا الحرارية:
” الجسمان المتلامسان يميلان إلى أن يكونا في درجة حرارة واحدة.“
فعند تلامس جسمين درجتي حرارتهما مختلفتين، فإن الطاقة الحرارية تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد، عن طريق تصادم ذرات أو جزيئات الجسم الساخن المتحركة بسرعة، بذرات أو جزيئات الجسم البارد الأقل طاقة فتزيد من سرعتها.
ويستمر هذا الانتقال حتى وضع الاتزان وعنده تتساوي درجة حرارة الجسمين.
وكما ينساب الماء من أعلى إلى أسفل فقط، فإن الحرارة "الطاقة الحرارية" كذلك تنتقل فقط من الجسم ذي درجة الحرارة الأعلى إلى الآخر ذي درجة الحرارة الأقل. وكلما كان الفرق في درجة الحرارة بين الجسمين أكبر، كان انتقال الحرارة بينهما أسرع.


ومن المهم جدًا أن ندرك أنّ درجة الحرارة وكمية الحرارة شيئان مختلفان تماماً وليسا شيئًا واحدًا. فدرجة حرارة الجسم هي دليل على منسوب طاقته، بينما كمية الحرارة هي الطاقة الحرارية المنتقلة من جسم لآخر.
كمية الحرارة:
كمية الحرارة Q هي مقدار الطاقة الحرارية التي يكتسبها أو يفقدها الجسم
وهي تتناسب مع كل من :
كتلة الجسم m , فرق درجات الحرارة DT=T2-T1 ، حيث أن T1، T2 هما درجة الحرارة الابتدائية والنهائية على الترتيب. وثابت التناسب c يسمي بالحرارة النوعية للمادة.
أي أن:

وحدة قياس كمية الحرارة تسمي السعر ”الكالوري“.
تعرف الحرارة النوعية c للمادة بأنها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة واحد جرام من المادة درجة مئوية واحدة. ووحدة قياسها هي سعر/(جم oC).
يعرف السعر بأنه كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة واحد جرام من الماء درجة مئوية واحدة من 14.5 oC إلي 15.5 oC .
تعرف السعة الحرارية s لجسم بأنها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الجسم درجة مئوية واحدة. ووحدة قياسها هي سعر/ oC.
واضح أن السعة الحرارية خاصية للجسم أما الحرارة النوعية فهي خاصية للمادة.
تجربة لتعيين الحرارة النوعية لجسم صلب بطريقة الخلط:
عند تلامس جسمين درجتي حرارتهما مختلفتين، فإن الطاقة الحرارية تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد حتى تصل إلي حالة الاتزان.
وعندها تكون درجة حرارة الجسمين متساويتين، ويكون:
كمية الحرارة المفقودة = كمية الحرارة المكتسبة






طرق انتقال الطاقة الحرارية:
لا يمكن للحرارة أن تنتقل بين جسمين أو بين نقطتين في جسم واحد إلا إذا كانت درجات الحرارة بينهما مختلفة.
تنتقل الطاقة الحرارية من جسم أو من مكان لآخر بثلاثة طرق وهي : التوصيل والحمل والإشعاع .
انتقال الحرارة بالتوصيل:
عندما تنتقل الحرارة بالتوصيل خلال مادة ما، فإنها تتحرك داخل المادة دون أن تحمل معها أي جزء من المادة وتنتقل من الطرف الساخن إلي الطرف البارد.
فمثلاً، عندما يوضع أحد طرفي قضيب نحاسي في لهب، فإن الطرف الآخر يسخن سريعاً.
وتفسير ذلك، أن جزيئات المادة تكون في حالة اهتزاز وعند وضع طرف القضيب في اللهب ترتفع درجة حرارة جزيئات هذا الطرف، فتزداد سرعتها وتزداد سعة اهتزازتها ونتيجة لذلك تصطدم بالجزيئات المجاورة وتنقل إليها جزء من طاقتها. وترتفع تبعا لذلك طاقة هذه الجزيئات المجاورة وتزداد سعة اهتزازها وتصطدم بدورها مع جزيئات مجاورة أخرى. وهكذا تستمر هذه التصادمات مع انتقال الطاقة حتى تصل إلى الطرف الأخر من القضيب.
انتقال الحرارة بالحمل:
يتم انتقال الحرارة بالحمل في السوائل والغازات.
فإذا سخن غاز أو سائل فإنه يتمدد فتقل كثافته ويرتفع لأعلى، وينخفض الغاز أو السائل الأبرد ليحتل مكانه. وهكذا ينشأ تيار الحمل.
ويستمر تيار الحمل حتى يصل كل الغاز أو السائل إلى نفس درجة الحرارة .


انتقال الحرارة بالإشعاع:
في هذه الطريقة تنتقل الحرارة من مكان ساخن إلى مكان بارد دون أن يكون للوسط أي دور.
كما يمكن أن يحصل ذلك في الفراغ، على عكس التوصيل والحمل.
تنتقل الطاقة الحرارية علي هيئة موجات كهرومغناطيسية تقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
وتشع الأجسام الساخنة كمية من الأشعة تحت الحمراء أكبر من الكمية التي تشعها الأجسام الباردة.
وتنتقل الطاقة من الشمس إلى الأرض خلال الفضاء بالإشعاع.