الطافة الداخلية
- خذ قطعة من سلك معدني ثم حك أحد أطرافه على سطح خشن لمدة كافية أنظر الشكل-1-.
- المس بحذر بيدك طرف السلك قبل وبعد عملية الحك، ماذا تلاحظ؟
- هل تغيرت الطاقة الداخلية للسلك بعد عملية الحك؟ لماذا؟
- مثل الحصيلة الطاقوية للسلك بين بداية ونهاية الحك.
- أعط تفسيرا على المستوى المجهري لتغير الطاقة الداخلية للسلك .
تقويم :
يدل ......درجة حرارة الجملة على تغير........
ارتفاع الطاقة ..........للجملة ناتج عن ........الطاقة .........المجهرية لجسيمات الجملة .
يقاس هذا التغير في ..........الداخلية بقيمة....... الحرارة
- نلاحظ ارتفاع درجة حرارة السلك.
- تغيرت الطاقة الداخلية للسلك بسبب ارتفاع درجة حرارته.
- الحصيلة الطاقوية.
- عند ممارسة عملية الحك(تحويل ميكانيكي) تكتسب جزيئات السلك طاقة حركية، تنتقل هذه الطاقة للجزيئات المجاورة لها وبعد مدة نحصل على توازن حراري.
- بعد مرور بضع ثواني على الحك نلاحظ تعادل درجة حرارة السلك . إن الجسيمات المكونة للسلك الموجودة عند طرفه اكتسبت طاقة حركية نتيجة الاحتكاك مع السطح الخشن , هذه الجزيئات تقدم جزاء من طاقتها الحركية إلى الجسيمات القريبة منها وبدورها هذه الاخيرة تحول جزاء من طاقتها إلى التي تقربها وهكذا يستمر التحويل إلى أن تصبح لكل الجزيئات , في المتوسط, نفس الطاقة الحركية وتصبح لكل نقطة من السلك نفس درجة الحرارة .نقول في هذه الحالة أن الجملة (سلك)في حالة اتزان حراري .
تقويم :
يدل ارتفاع درجة حرارة الجملة على تغير الطاقة الداخلية
ارتفاع الطاقة الداخلية للجملة ناتج عن زيادة الطاقة الحركية المهجرية لجسيمات الجملة .
يقاس هذا التغير في الطاقة الداخلية بقيمة التحويل الحرارة
أ - ضع كمية من ماء بارد
اعتبر الجملة المكونة من كميتي الماء شبه معزولة حراريا أي نهمل التحويل الحراري الذي يحدث مع الوسط الخارجي(المحيط + الوعاء).
- مثل الحصيلة الطاقوية للماء البارد بين الحالتين الابتدائية والحالة النهائية.
- ماذا يمثل التحويل الحراري بين الماء البارد و الماء الساخن؟
- هل يمكن تقدير درجة حرارة الجملة عند التوازن الحراري في هذه الحالة؟
- قس درجة حرارة الماء بعد التوازن الحراري. ماذا تلاحظ؟
- استنتج الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية.
ب- أعد التجربة بأخذ نفس كمية الماء البارد السابقة
- قس درجة حرارة الجملة عند التوازن الحراري في هذه الحالة، هل لها نفس القيمة السابقة؟
- استنتج الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية.
- مثل الحصيلة الطاقوية للماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية.
- هل قيمة التحويل الحراري هي نفس القيمة السابقة؟
- بماذا تتعلق قيمة التحويل الحراري؟
- الإجابة أ
- الحصيلة الطاقوية(الشكل 1):
- يمثل التحويل الحراري بين الماء البارد و الماء الساخن التغير في الطاقة الداخلية.
- يمكن تقدير درجة حرارة الجملة عند التوازن الحراري في هذه الحالة لأن كمية المادة متساوية ومنه
- درجة حرارة الماء بعد التوازن الحراري
- الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية
- الإجابة ب
- درجة حرارة الجملة عند التوازن الحراري في هذه الحالة تختلف عن القيمة السابقة.
- الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية
- الحصيلة الطاقوية للماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية (الشكل 2)
- قيمة التحويل الحراري تختلف عن القيمة السابقة.
- تتعلق قيمة التحويل الحراري بالفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية و الحالة النهائية.
اعد التجربة وخذ نفس كمية الماء البارد في نفس درجة الحرارة
- هل يكون للجملة نفس درجة حرارة التوازن السابقة( الجزء أ)؟
- قس درجة حرارة الماء بعد التوازن الحراري. ماذا تلاحظ؟
- استنتج الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية.
- مثل الحصيلة الطاقوية للماء البارد بين الحالتين الابتدائية والحالة النهائية.
- قارن بين قيمة التحويل الحراريQ لهذا النشاط وقيمته في النشاط - 1-الجزء أ.
- لا يكون للجملة نفس درجة حرارة التوازن السابقة( الجزء أ).
- درجة حرارة الماء بعد التوازن الحراري .
- الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية
- الحصيلة الطاقوية للماء البارد بين الحالتين الابتدائية والحالة النهائية.
- قيمة التحويل الحراري لهذا النشاط وقيمته في النشاط1(الجزء أ) مختلفة لاختلاففي الحالتين.
اعد التجربة وخذ نفس كمية الماء البارد في درجة الحرارة
(اقترح طريقة عملية تمكنك من أن تجعل السلك في هذه الدرجة).
- قس درجة حرارة الماء بعد التوازن الحراري في هذه الحالة.هل يكون للجملة نفس درجة حرارة التوازن السابقة ( الجزء أ)؟
- استنتج الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية.
- بماذا تتعلق قيمة التحويل الحراري؟
تقويم:
تتعلق قيمة الطاقة المحولة
-الطريقة العملية : نضع سلك النحاس في حمام مائي درجة حرارته
- درجة حرارة الماء بعد التوازن الحراري في هذه الحالة هي . تختلف عن درجة حرارة التوازن السابقة الجزء أ.
- الفرق في درجة حرارة الماء البارد بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية
- تتعلق قيمة التحويل الحراري بطبيعة ونوع المادة المستقبلة أو الفاقدة لهذا التحويل للحصول على توازن الجملة.
تقويم
تتعلق قيمة الطاقة المحولة
اعتمادا على التحليل السابق، تكون قيمة التحويل الحراري
يمكن تعريف المقدار
اعتمادا على الدراسات السابقة يمكن تعريف الحرارة الكتلية لجسم صلب أو سائل و غاز كما يلي :
الحرارة الكتلية لجسم صلب أو لسائل: هي كمية الحرارة اللازم تقديمها له لرفع درجة حرارة
يمثل الجدول التالي قيم السعة الحرارية الكتلية
الجسم |
c ( Joule/ Kg.°C) |
|
الجسم |
c ( Joule/ Kg.°C) |
الجليد |
2100 |
|
البترول |
2100 |
الألمنيوم |
902 |
|
الماء |
4185 |
الحديد |
452 |
|
الإيثانول |
2424 |
النحاس |
385 |
|
حمض الإيثانويك |
2058 |
الفضة |
236 |
|
ثنائي الهيدروجين |
14420 |
الرصاص |
129,5 |
|
بخار الماء |
1867 |
- ومنهالجسم استقبل طاقة
- السعة الحرارية لجملة تحتوي على عدة أجسام هي مجموع السعات الحرارية الكتلية للأجسام أي:
خذ قطعتين واحدة من خشب والأخرى من معدن (حديد، ألمنيوم....) وضعها على طاولة لمدة كافية حتى تصبح لها درجة حرارة الغرفة.
- المس القطعتين بيديك. ماذا تلاحظ؟
- ماهي القطعة التي أحسست أنها أبرد من الأخرى؟
لو وضعنا قطعة من الجليد فوق كل قطعة من القطع السابقة (الخشب أوالمعدن) والتي لها نفس درجة الحرارة . حسب رأيكم هل تنصهر قطعة الجليد بنفس السرعة أو بسرعة مختلفة؟
- عند إجراء التجربة نجد أن سرعة انصهار الجليد فوق المعدن هي الأكبر.
- نلاحظ اختلاف في درجة حرارة القطعتين.
- قطعة المعدن هي الابرد.
- توقع درجة حرارة منخفضة للمعدن ما بين 0°c و 5°c بينما سوف يعطون درجة حرارة اكبر للخشب ما بين 25°c و 37°c .
ماهي الطريقة للتأكد من النتائج؟
باستعمال محرار مناسب يجد التلاميذ أن كل القطع لها نفس درجة الحرارة وهي درجة حرارة القاعة التي تمت فيها الدراسة.
- كل الأشياء(الساكنة) المتواجدة في نفس الحجرة لمدة طويلة نسبيا لها نفس درجة الحرارة وهي درجة حرارة الحجرة.
- لكي تنصهر قطعة الجليد يجب أن تتلقى القطعة نفس كمية الطاقة. تمنح هذه الطاقة من المادة التي وضعنا فوقها قطعة الجليد .وبما أن قطعة الجليد الموضوعة فوق المعدن تنصهر بسرعة اكبر .هذا يعني أن المعدن يمنح الجليد الطاقة اللازمة بسرعة اكبر من الخشب .
تختلف سرعة التحويل الحراري من مادة إلى أخرى.
هو التحويل الحراري الذي يرافق بمرور تيار كهربائي في ناقل.
نحقق التركيب المبين في الشكل-2- المكون من: - مسعر حراري ولواحقه - معدلة كهربائية- امبير متر- فولط متر- سلك مقاومة لتسخين الماء.
- ضع كمية من ماء كتلته في المسعر الحراري وقس درجة الحرارة الابتدائية.
- أغلق القاطعة وقس الزمن اللازم لرفع درجة حرارة الماء داخل المسعر بعشر درجات مئوية .
- قس في نفس الوقت شدة التيار المارة في المقاومة وفرق الكمون بين طرفيها.
- غير في شدة التيار وذلك بتغيير قيمة مقاومة المعدلة وقس شدة التيار وفرق الكمون والزمن اللازم لرفع درجة حرارة الماء داخل المسعر بعشر درجات مئوية .
- كرر العملية عدة مرات بتغيير شدة التيار ثم دون نتائجك في الجدول التالي:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ا- اكتب عبارة الطاقة المكتسبة من الماء.
ب- اكتب عبارة الطاقة الكهربائية المحولة إلى المقاومة.
ج - باعتبار المسعر معزول حراريا وان المقاومة تحول كل طاقتها الكهربائية التي تستقبلها
- .اكتب معادلة انحفاظ الطاقة.
د- هل نتائج الجدول تحقق قانون جول؟
- تقويم :
عندما يعبر.......مقاومة......هذه الأخيرة طاقة......... وتحولها كاملة إلى..........على شكل تحويل......تدعى الظاهرة التي تصحب مرور.......في ناقل أو مقاومة........ ..........
- الزمن اللازم لرفع درجة حرارة الماء داخل المسعربعشر درجات مئوية هو
- شدة التيار المارة في المقاومة وفرق الكمون و الزمن اللازم لرفع درجة حرارة الماء داخل المسعر بعشر درجات مئوية :;, المقاومة.
-
25
100
0,5
25
25,0
1,0
25
11,1
1,5
25
6,25
2,0
ا- عبارة الطاقة المكتسبة من الماء
ب- عبارة الطاقة الكهربائية المحولة إلى المقاومة
ج- معادلة انحفاظ الطاقة
د- التحقق من قانون جول:
-
-
اذا:
- تقويم :
عندما يعبر تيار مقاومة كهربائية يكون لهذه الأخيرة طاقة كهربائية وتحولها كاملة إلي الوسط الخارجي على شكل تحويل حراري تدعى الظاهرة التي تصحب مرور تيار في ناقل أو مقاومة بفعل جول.
يعتبرفعل جول مفيدا وهذا ما يحدث في المسخن الحراري والمكواة وغير مفيد مثلا في أسلاك التوصيل.
الأدوات و المواد المستعملة: قطعة جليد + ميزان حساس+ ميقاتية + وعاء معدني+محرار.
عندما يحدث تغير في الحالة الفيزيائية لجملة يرافقه امتصاص او فقدان طاقة نتيجة تغير في التأثير المتبادل بين جسيمات المادة.أثناء التحولات الكيميائية يمكن للجملة أن تكون ماصة أو ناشرة للطاقة ، في الحالتين تعتبر الطاقة المحولة عبارة عن تغير في الطاقة الداخلية للمادة.
تتعلق حالة المادة بشدة التأثير المتبادل بين هذه الجسيمات ،نميز نوعين من التأثيرات:
- تأثيرات بين الجزيئات ينتج عنه طاقة التماسك.
- تأثيرات بين الذرات المكونة للجزيئات ينتج عنه طاقة الرابطة الكيميائية .
خذ قطعة من جليد وضعها داخل وعاء معدني فيه كمية من ماء بارد درجة حرارته تقارب
- هل الجملة معزولة حراريا؟.
- قس باستعمال ميقاتيه مدة ذوبان الجليد.
- هل درجة حرارة الجملة تغيرت مدة ذوبان الجليد.
- هل الجملة اكتسبت طاقة من الوسط الخارجي مدة ذوبان الجليد.
- إذا كان الجواب نعم، ماهو اثر الطاقة المكتسبة على الجملة؟
- لا الجملة ليست معزولة حراريا.
- مدة ذوبان الجليد t =.....S .
- لا درجة حرارة الجملة لم تغيرمدة ذوبان الجليد وبقيت ثابتة .
- نعم الجملة اكتسبت طاقة من الوسط الخارجي مدة ذوبان الجليد.
- يظهر اثر الطاقة المكتسبة من طرف الجملة في التحول الفيزيائي للماء من حالة صلبة الحالة سائلة حيث تصبح الجزيئات ضعيفة الارتباط وبالتالي تزداد الطاقة الحركية المجهرية لها.
تمتص قطعة الجليد تحويلا حراريا من الوسط الخارجي حتى تتحول من قطعة الجليد عند درجة حرارة
اعد التجربة السابقة بأخذ كتل مختلفة للجليد السابقة
- قس مدة ذوبان الجليد
- قارن هذه المدة مع مدة ذوبان الجليد في تجربة النشاط -1- ماذا تستنتج؟.
- في رأيك هل قيمة التحويل الحراري في النشاط اكبر من قيمة التحويل في النشاط -1- لماذا؟
- تزداد مدة ذوبان الجليد بزيادة الكتلة.
- المدة الزمنية لذوبان الجليد اكبر من المدة الزمنية في النشاط-1-. نستنتج ان الكتلة تتناسب طردا مع مدة التحويل الحراري وبتالي مع قيمة التحويل الحراري.
- قيمة التحويل الحراري في هذا النشاط اكبر من قيمة التحويل في النشاط -1- لان التحويل الحراري يتناسب طردا مع كتلة المادة المستقبلة .
- تتناسب مدة الذوبان مع كتلة قطعة الجليد. بما ان التحويل الحراري المتبادل بين الجليد والوسط الخارجي متناسب مع الزمن نستنتج ان قيمة التحويل الحراري اللازم لذوبان قطعة الجليد متناسب مع كتلتة .
- يمثل التحويل الحراري المرافق لذوبان قطعة الجليد الطاقة اللازمة لتلاشي الروابط التي كانت تتماسك بها جزيئات الماء. تـدعـى هذه الطاقة طــاقـة الـتماسك.
يتطلب تغير الحالة الفيزيائية لجسم نقي كتلته
- :التحويل الحراري بالجول (J).
- : كتلة الجسم بالكيلوغرام kg .
- : السعة الكتلية لتغير الحالة (J/kg) يتعلق بنوع المادة وتغيرات الحالة الفيزيائية( انصهار أو تبخر ).
- الانصهار(Fusion): تحول ماص للحرارة (اكتساب طاقة) .
- التجمد (Solidification) : تحول ناشر للحرارة (فقد طاقة) .
- التبخر (Vaporisation) : تحول ماص للحرارة (اكتساب طاقة) .
- التمييع (Liquéfaction) : تحول ناشر للحرارة. (فقد طاقة) .
في الغازات يزداد اضطراب الجزيئات مع تزايد درجة الحرارة , فالحرارة التي تقدم للغاز لجعل درجة حرارته ترتفع تساهم في ازدياد سرعة الجزيئات التي تشكل الغاز وبالتالي ازدياد في الطاقة الحركية الميكروسكوبية. عكس هذا عندما تنخفض درجة حرارة الغاز فان هذا الأخير يمد الوسط الخارجي طاقة على شكل حرارة لان سرعة جزيئاته تتناقص. في السوائل رغم أن الجزيئات تكون متراصة مع بعضها البعض إلا أنها تتحرك وتهيم في كل الاتجاهات وتتزايد هذه الحركة مع تزايد درجة الحرارة. أما في الأجسام الصلبة الإفراد المكونة لهذا الجسم تشغل مواقع محددة ولكنها تهتز حول هذه المواقع.كلما ارتفعت درجة الحرارة كلما زادة حدة هذه الاهتزازات.
- الحرارة التي تقدم لجسم سواء كان في الحالة الغازية , السائلة أو الصلبة تسمح بزيادة في حدة حركة الأفراد المكونة له.
- تغير الحالة الفيزيائية هي تغير شدة طاقة التماسك بين الجسيمات.
- ضع كتلة من ماء في علبة من الألمنيوم.
- خذ قداحة تحتوي على كمية من وقود(مادة البوتان ) وعلم المستوى الابتدائيللوقود الموجود داخلها. استعمل هذه القداحة لتسخين الكمية السابقة من الماء.
- استعمل محرار لقياس درجة الحرارة الابتدائية للماء قبل التسخين ودرجة الحرارة النهائيةبعد التسخين (مدة التسخين حوالي دقيقة).
- عين على القداحة المستوى النهائي للوقود.
- قدر كمية الوقود لتسخين الماء (يمكن معايرة خزان القداحة).
- لماذا تستعمل وعاء من الألمونيوم؟
- مثل الحصيلة الطاقوية للجملة (ماء) بين بداية التسخين و نهايته.
- احسب الطاقة المكتسبة من الماء علما أن السعة الكتلية للماء تساوي .
- استنتج الطاقة التي تحرر عن احتراق كتلةمن الوقود علما أن الكتلة الحجمية لوقود القداحة.
- الطاقة المكتسبة من الماء أقل من الطاقة المحررة من احتراق الوقود، أي أن قيمة طاقة الرابطة الكيميائية التي وجدتها في التجربة أقل من القيمة الحقيقية. لماذا؟
- تقويم:
يمثل .......... الحراري ......... لاحتراق الوقود(البوتان
يعتبر هذا التحويل عن طاقة الرابطة الكيميائية
- التغير في درجة الحرارة خلال مدة التسخين .
- كمية الوقود لتسخين الماء .
- نستعمل وعاء من الألمنيوم لتسهيل انتقال الحرارة من القداحة إلى الماء وخفض الضياع الطاقوي.
- الحصيلة الطاقوية للجملة (ماء)
- الطاقة المكتسبة من الماء علما ان السعة الكتلية للماء تساوي ;;
- الطاقة التي تحرر عن احتراق كتلةمن الوقود.
الكتلة الحجمية لوقود القداحة
لدينا
عند معايرة القداحة نجد ان الوقود المستهلك هو
كتلة الوقود المستهلك هي:
والطاقة المحررة لهذا الكمية هي:
طاقة الرابطة المحررة لاحتراق 1g من الوقود :
- الطاقة المكتسبة من الماء اقل من الطاقة المحررة من احتراق الوقود ,أي أن قيمة الطاقة الرابطة الكيميائية التي وجدتها في التجربة اقل من القيمة الحقيقية.لأنه هناك ضياع طاقوي ومنه.
- تقويم:
يمثل التحويل الحراري أللازم لاحتراق الوقود(البوتان
يعتبر هذا التحويل عن طاقة الرابطة الكيميائية
تتغير الروابط الكيميائية، نتيجة التفاعل بين الذرات حيث تقطع روابط وتتكون روابط أخرى مما يحث تغييرا في مخزون الطاقة الكامنة الميكروسكوبية للجملة، تدعى هذه الطاقة –طاقة الرابطة الكيميائية- وتساوي قيمتها قيمة التحويل الحراري الذي يحدث.
الشكل يمثل التغييرات الميكروسكوبية التي ترافق تحرير الطاقة عند احتراق غاز الميثان
ضع كمية من الماء كتلتها
- حدد كتلة الماء المتبخر.
- اقترح طريقة لقياس كتلة الوقود المحترق من القداحة.
- أنجز الحصيلة الطاقوية.
- هل يمكن تقدير، باستعمال نتائج النشاط السابق الطاقة الحرارية التي اكتسبتها كمية الماء المتبخر.
- استنتج الطاقة الحرارية التي تكتسبها كتلة من الماء لكي يتبخر
- قارن بين هذه القيمة وقيمة طاقة الرابطة الكيميائية لوقود القداحة . ماذا تستنتج؟
- كتلة الماء المتبخر
- نزن القداحة قبل وبعد عملية التسخين فنحصل على كتلة الوقود المحترق من القداحة.
- لدينا مما سبق (النشاط السابق) :
الطاقة المتحررة
- الطاقة الحرارية الكيميائية التي تكتسبها كتلة من الماء لكي يتبخرهي السعة الكتلية للتبخر.
- طاقة الرابطة الكيميائية لوقود القداحة
السعة الكتلية للتبخر
- إذا تزايد مخزون الطاقة الكامنة الميكروسكوبية للجملة يكون التحويل الكيميائي ماص للحرارة.
- إذا تناقص مخزون الطاقة الكامنة الميكروسكوبية للجملة يكون التحويل الكيميائي ناشرللحرارة.
تبين نتائج النشاطات أن الطاقة الكامنة المخزنة في المادة اللازمة لتماسك مجموعة من الذرات في الجزيئات تفوق عشر أضعاف الطاقة اللازمة لتماسك مجموعة من الجزيئات اي طاقة الرابطة الكيميائية