تبادل الطاقة الحرارية

درجة الحرارة: ماذا نقيس بالضبط؟

تنتقل الطاقة الحرارية بين الأجسام عند اتصالها حراريًّا نتيجة اختلاف درجات حرارتها، وتعد درجة الحرارة والطاقة الداخلية لأي نظام حراري مفهومين أساسيين في دراسة الديناميكا الحرارية، ولكل منها معنىً مختلف.

• الحواس تعجز عن تحديد التفاوت في سخونة الأجسام وبرودتها بدقة، ويقتصر استخدامها على الوصف النوعي.
• الوصف النوعي لا يُظهر نتائج دقيقة؛ لذا سعى العلماء إلى الانتقال إلى الوصف الكمي لدرجة الحرارة.
• المقياس الزئبقي اختُرع لقياس درجة الحرارة، ولضبطه ومعايرته وضع العلماء معيارين:
• درجة انصهار الجليد.
• درجة غليان الماء.
• تدريجات مختلفة طوّرها العلماء لقياس درجة الحرارة، من أشهرها:
• تدريج سلسيوس ⁦Celsius scale⁩.
• تدريج فهرنهايت ⁦Fahrenheit scale⁩.
• تدريج كلفن (المطلق) ⁦Kelvin scale⁩.

• للتوصل إلى تعريف أكثر دقة لدرجة الحرارة ندرس ما يحدث لجُسيمات المادة على المستوى المجهري.
• الجُسيمات تمتلك طاقة حركية، وطاقة كامنة ناتجة من القوى المتبادلة بينها، كما في الشكل (2).

• عندما يكسب الجسم طاقة يزداد مقدار السرعة العشوائية لجُسيماته (الاهتزازية، الانتقالية، الدورانية).
• تزداد طاقاتها الحركية، فترتفع درجة حرارة الجسم؛ إذًا بين درجة الحرارة والطاقة الحركية للجُسيمات علاقة.

الطاقة الحرارية: لماذا يختلف كأسا الشاي؟

• كأسا الشاي متماثلتان ولهما درجة الحرارة نفسها؛ لذا يكون متوسط الطاقة الحركية للجُسيمات فيهما متساويًا.
• كتلة الشاي (ومن ثمّ عدد جُسيماته) في الكأس (3/أ) أكبر منها في الكأس (3/ب).
• الطاقة الحرارية للشاي في الشكل (3/أ) هي الأكبر، على الرغم من أنّ لهما درجة الحرارة نفسها.

ما الفرق بين درجة الحرارة والطاقة الحرارية؟

• أفرّق بين المفاهيم الآتية: الحرارة، ودرجة الحرارة، والطاقة الحرارية، والطاقة الداخلية.
• أعرّف المفاهيم الآتية: السعة الحرارية النوعية، والاتزان الحراري.
• أصف تأثير انتقال الطاقة من الجسم وإليه في تغيّر درجة حرارته.
• أطبق بحل مسائل على كمية الحرارة المفقودة والمكتسبة، وإيجاد السعة الحرارية النوعية للمادة.

الطاقة الداخلية: ما الذي تخزّنه الجسيمات؟

• جُسيمات المادة تمتلك طاقة حركية وطاقة كامنة.

• الطاقة الداخلية للنظام ترتبط بمكوناته المجهرية (الذرات والجزيئات).
• رمزها $U$، وتقاس بوحدة الجول ($\text{J}$) بحسب النظام الدولي للوحدات.
• تزداد الطاقة الداخلية بزيادة الطاقة الحركية لجُسيماته، أي بزيادة الطاقة الحرارية له.
• أو بزيادة الطاقة الكامنة على هيئة روابط بين هذه الجُسيمات، أو بزيادة الاثنتين معًا.
• المادة الساخنة تمتلك طاقة داخلية أكثر مما تمتلك وهي باردة، بسبب احتوائها طاقة حرارية أكثر.
• الطاقة الداخلية للمواد الصلبة والسائلة تعتمد على: درجة الحرارة، وكمية المادة، وتركيبها الكيميائي.
• في الغازات تعتمد الطاقة الداخلية على ضغط الغاز إضافة إلى العوامل السابقة.

ما المقصود بالطاقة الداخلية لنظام؟

الحرارة: طاقة تنتقل بين جسمين

• عندما يكون جسمان في حالة اتصال حراري تنتقل الطاقة من الجسم الأعلى درجة حرارة إلى الجسم الأدنى درجة حرارة.
• تُسمّى الطاقة المنتقلة الحرارة ⁦Heat⁩ ورمزها $Q$.

• الجسم الذي يفقد كمية من الحرارة تقل طاقته الداخلية.
• الجسم الذي يكتسب كمية من الحرارة تزداد طاقته الداخلية.
• يمكن زيادة الطاقة الداخلية لجسم ببذل شغل عليه، كما يحدث عند تحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية بسبب الشغل الذي تبذله قوى الاحتكاك.

ما الطرائق المستخدمة في زيادة الطاقة الداخلية لنظام؟

السُّعر والجول: كيف نقيس الحرارة؟

• تستخدم هذه الوحدة عادة للدلالة على مقدار ما يحويه الغذاء من طاقة.

لماذا ترتفع حرارة مادة أسرع من أخرى؟

• الكتل المتساوية المصنوعة من موادّ مختلفة تختلف في مقدار تغيّر درجة حرارتها.
• عند اكتسابها أو فقدها كمية الطاقة نفسها، ترتفع درجة حرارة بعضها بمقدار أقل من غيره.
• نفسّر ذلك بتنفيذ التجربة الآتية.

ما العلاقة بين كمية الطاقة الحرارية ⁦Q⁩ وزمن تشغيل ملف التسخين؟

ما سبب الاختلاف في قيم السعة الحرارية النوعية لكل من الرصاص والألمنيوم والنحاس؟

• نوع مادة الجسم يؤثر في مقدار التغيّر في درجة حرارته عند تسخينه أو تبريده.
• توجد خصيصة للمادة تعتمد على طبيعتها، وتختلف من مادة لأخرى.
• سبب الاختلاف: كيفية حركة الذرات والجزيئات على المستوى المجهري، وعددها في وحدة الكتل، ومقدرتها على توصيل الطاقة.

• تُقاس بوحدة ⁦(J/kg.K)⁩ بحسب النظام الدولي للوحدات.
• تعتمد على نوع مادة الجسم فقط؛ فهي تختلف من مادة لأخرى، ولا تعتمد على كتلة الجسم أو حجمه.

كمية الطاقة: كيف نحسبها؟

• لكلّ من كتلة الجسم وكمية الطاقة التي يُزوّد بها تأثير في مقدار التغيّر في درجة حرارته، إضافة إلى نوع مادته.
• إذا زوّد جسم كتلته ($m$) بطاقة مقدارها ($Q$)، وتغيّرت درجة حرارته بمقدار ($\Delta T$)، عُبّر عن السعة الحرارية النوعية بالعلاقة الآتية:

• يمكن استخدام هذه العلاقة في حساب كمية الطاقة التي يكتسبها جسم أو يفقدها عند تغيّر درجة حرارته.
• هذه الطاقة تساوي التغيّر في طاقته الحرارية ($\Delta E$)، على النحو الآتي:

• إذا اكتسب الجسم طاقة، فإنّ كلّاً من ($Q$) و($\Delta T$) تكونان موجبتين.
• إذا فقد الجسم طاقة، فإنّ كلّاً من ($Q$) و($\Delta T$) تكونان سالبتين.
• يمكن حساب التغيّر في درجة الحرارة بوحدة سلسيوس أو كلفن؛ فالفرق بين تدريجين متتاليين في مقياس سلسيوس يساوي عدديًا الفرق بين تدريجين متتاليين في مقياس كلفن.

• الجدول (1): السعة الحرارية النوعية لبعض المواد الشائعة عند درجة حرارة ($25°\text{C}$) وضغط جوي معياري.

ما السعة الحرارية النوعية؟ ما العوامل التي تعتمد عليها كمّية الطاقة المكتسبة أو المفقودة؟

سخّان كهربائي: كم يستغرق تسخين الماء؟

الماء في المحرّك: لماذا يُستخدم للتبريد؟

• الماء سائل مثالي للتبريد؛ بسبب سَعته الحرارية النوعية الكبيرة جدًّا، فهو يسخن ببطء ويبرد ببطء.
• يختزن الطاقة ويحافظ عليها مدّدًا زمنية طويلة بالمقارنة مع غيره من السوائل.
• في أنظمة تبريد المحرّكات تكتسب كمّية قليلة من الماء كمّية كبيرة من الطاقة من أجزاء المحرّك مقابل ارتفاع قليل في درجة حرارتها.
• يُتخلَّص من هذه الطاقة إلى الهواء الجوي عن طريق المشعّات (الراديتر ⁦Radiators⁩).

• يجب تفقّد الماء في المشعّات دوريًا للتأكد من كمّيته.
• الحذر من فتح غطاء المشعّ عندما تكون درجة حرارة المحرّك مرتفعة.

تسخين قطعة رصاص: كم ترتفع حرارتها؟

تمرين: قطعة الألمنيوم والشرارة

الاتزان الحراري: متى يتوقف انتقال الطاقة؟

• عند اتصال أجسام مختلفة في درجات حرارتها معًا فإنها تسعى تلقائيًا إلى تحقيق الاتزان الحراري بينها.
• هذا يحدث بصرف النظر عن شكلها أو نوعها أو كتلتها.
• يبدأ نقل الطاقة الحرارية من الجسم الأعلى درجة حرارة (الساخن) إلى الجسم الأدنى درجة حرارة (البارد).

• على المستوى المجهري: الجسيمات المتحركة داخل الجسم الساخن، التي تمتلك طاقة حركية كبيرة نسبيًا، تتصادم مع جسيمات الجسم البارد.
• جسيمات الجسم البارد تمتلك طاقة حركية أقل، فتزداد طاقتها الحركية نتيجة هذه التصادمات.
• هذا يعني انتقال جزء من الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم البارد.

متى يصل جسمان إلى حالة اتزان حراري؟

• الشكل (6) يوضّح نظامًا يتكوّن من عينة ⁦(x)⁩ مرتفعة درجة الحرارة ($T_x$) من مادّة مجهولة السَّعة الحرارية النوعية ($c_x$) موضوعة في ماء بارد.
• تنتقل الطاقة تلقائيًا داخل النظام من الجزء الأعلى درجة حرارة إلى الجزء الأدنى درجة حرارة.
• حتى يُصبحا في حالة اتزان حراري، وتكون لهما درجة الحرارة النهائية ($T_f$) نفسها.

• إذا كان النظام مغلقًا ومعزولًا حراريًا، بحيث لا تدخل طاقة أو مادّة إلى النظام ولا تغادره، يبقى المجموع الكلّي للطاقة في النظام ثابتًا.
• بافتراض أنّ النظام مكوّن من العينة ⁦(x)⁩ والماء فتكون الطاقة الكلية للنظام ثابتة، أي أنّ:

ما المقصود بالنظام الحراري المغلق والمعزول؟

العينة الساخنة والماء البارد: كيف تتبادلان الطاقة؟

• النظام مغلق ومعزول حراريًا؛ فالتغيّر الكلّي في طاقة النظام يجب أن يساوي صفرًا، أي أنّ:

• التغيّر في الطاقة الحرارية لأحد جزأي النظام موجب، فترتفع درجة حرارته.
• في الجزء الآخر يكون التغيّر سالبًا، فتنخفض درجة حرارته.
• لا يُبذل شغل على النظام؛ فالتغيّر في الطاقة الحرارية لجزأيه ناتج عن انتقال الطاقة بينهما.
• مقدار التغيّر يساوي كمية الطاقة المنتقلة ($Q$)، فيُعبَّر عنه لكلّ من جزأي النظام بالعلاقة الآتية:

• كمية الطاقة التي تفقدها العينة الساخنة ($Q_{hot}$) تساوي كمية الطاقة التي يكتسبها الماء البارد ($Q_{cold}$).
• وباستخدام مبدأ حفظ الطاقة يُعبَّر عن ذلك رياضيًا على النحو الآتي:

• يحدث الاتزان الحراري لأي عدد من الأجسام في حالة اتصال حراري في نظام مغلق ومعزول.

المسعّر الحراري: وعاء لقياس تبادل الطاقة

• توضع داخله المواد المختلفة فيحدث بينها تبادل الطاقة الحرارية.
• يستخدم في قياس السِّعة الحرارة النوعية لمادة معينة.

كرة فلزّية في مسعّر: ما سعتها الحرارية النوعية؟

خلط ماءين: ما درجة حرارة المخلوط؟

ترقيم الكتاب مكرّر: الشكل في هذا المثال هو صورة الكؤوس، وليس صورة الماسة في التمرين السابق.

تمرين: القالب الفلزّي في المسعّر

مراجعة الدرس: اختبر ما تعلمته

ما المقصود بدرجة الحرارة؟ ما الفرق بينها وبين الطاقة الحرارية؟

في أثناء دراسة فاتن هذا الدرس، قالت: «إنّ الأجسام الأعلى درجة حرارة تمتلك طاقة حرارية أكبر من الأجسام الأقلّ درجة حرارة». أُناقش زملائي/ زميلاتي في صحّة قولها.

استُخدمت كمية الطاقة الحرارية نفسها لتسخين ($1\ \text{g}$) من مادتين ⁦(A)⁩ و ⁦(B)⁩ فارتفعت درجة حرارة المادة ⁦(A)⁩ بمقدار ($3\ °\text{C}$) والمادة ⁦(B)⁩ بمقدار ($4\ °\text{C}$).

أي المادتين لها سعة حرارية نوعية أكبر؟ أفسر إجابتي.