ماذا يجب أن أعرف حتى أقول : إني استوعبت هذا الدرس
1 - يجب أن أفرّق بين الحرارة ودرجة الحرارة .
2 - يجب أن أعرف مصدر الطاقة الداخلية لجملة .
3 - يجب أن أعرف آيفية حساب التحويل الحراري عندما تتغير درجة حرارة الجملة بدون تغير حالتها الفيزيائية .
4 - يجب أن أعرف آيفية حساب التحويل الحراري عند تحوّل الحالة الفيزيائية للمادة .
5 - يجب أن أعرف أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن نحو الجسم البارد ولا تضيع الطاقة عند هذا التحوّل .
6 - يجب أن أعرف معنى المكافئ المائي لمسعر .
7 - يجب أن أعرف أن السعة الحرارية الكتلية لمادة لا تتعلق بكتلة المادة ، أما السعة الحرارية تتعلق بالكتلة .
الدرس
1 - الحرارة ودرجة الحرارة
الجملة لا تحتوي على الحرارة ولا على العمل، بل الحرارة والعمل هما وسيلتان لانتقال الطاقة . لكن مجازا نقول أن جملة تكتسب أو تفقد
الحرارة ، ونقصد الطاقة التي اآتسبتها أو فقدتها عبر الوسيلة التي هي الحرارة .
خذْ هذا المثال لكي تثبّت هذه الفكرة :
نترك إناء تحت المطر لمدة معيّنة ، ونسأل هذا السؤال : آم من المطر يوجد في الإناء ؟ هذا السؤال ليس في محلّه ، بل يجب أن نقول :
آم يوجد من الماء في الإناء ؟ لأن المطر هي فقط الوسيلة التي نقلت الماء من السحُب إلى الإناء .
- يُمكن لجملة أن تحوّل الحرارة بدون أن تتغيّر درجة حرارتها (مثلا ذوبان الجليد) .
- يُمكن أن تتغير درجة حرارة جملة بدون أن تتبادل الحرارة (مثلا تمدّد غاز في إناء عازل للحرارة) .
2 – الطاقة الداخلية لجملة
الطاقة الداخلية لجملة هي مجموع الطاقات المجهرية لهذه الجملة .
إن فعل قوّة في جملة لا يؤدّي دوما إلى حرآة هذه الجملة ، بل يُمكن أن :
- يُشوّه الجملة
- يُغيّر ضغط الجملة
- يغيّر درجة حرارة الجملة
- يغيّر الحالة الفيزيائية للجملة
الحرارة ودرجة الحرارة شيئان مختلفان
من الناحية العيانية طاقة حرآية ناتجة عن حرآة الجملة في مرجع معيّن طاقة آامنة ناتجة عن التأثيرات المتبادلة بين الجملة والوسطالخارجي يالطاقة الداخلية لجملة تتناسب مع آمية مادة الجملة ، وهي غير قابلة للقياس لعدم توفّر مرجع ننسب له طاقة داخلية معدومة ، حيث يمكن
. ΔU فقط قياس التغيّر في الطاقة الداخلية
آيف تتغيّر الطاقة الداخلية لجملة ؟
تتغيّر الطاقة الداخلية لجملة بواسطة تبادل العمل والحرارة وآميّة المادة .
- خلط الماء بملعقة
- إدخال قطعة معدنية ساخنة في ماء بارد
- خلط الماء البارد مع الماء الساخن
ملاحظة :
. 0 °K نزع الطاقة الداخلية لجملة معناه أن درجة حرارة الجملة تؤول إلى
3 - التحويلات الحرارية
مع الوسط الخارجي ، تكون : Q عندما تتبادل جملة الحرارة
عندما تتلقى الجملة الحرارة Q > 0
عندما تتخلى الجملة عن الحرارة Q < 0
- التحويل الحراري عندما لا تتغير الحالة الفيزيائية للجملة
فإن آمية هذه الحرارة تتناسب مع : T إلى 2 T عندما يكتسب جسم أو يفقد الحرارة وتتغيّر درجة حرارتها من 1
m • آتلة الجسم
ΔT=T2−T • التغيّر في درجة الحرارة 1
• نوع المادة
أو
السعة الحرارية الكتلية ، وهي التي تميّز نوع المادة : c
: الوحدات
J) Joule : Q
(kg) الكيلوغرام : (M
(°K) : T2 , T1
وهي تتعلق بنوع مادة الجسم . J . kg–1 . K–1 : c ، (°C) : θ2 , θ1
من الناحية المجهرية
طاقة حرآية مجهرية ناتجة عن الحرآة العشوائية لجسيمات المادة المكوّنة للجملة طاقة آامنة مجهرية ناتجة عن التأثيرات المتبادلة بين جسيمات المادة المكونة للجملة .(الروابط الذرية والجزيئية)
Et=Ec+Ep+U الطاقة الكلية لجملة هي
هي الطاقة الداخلية U حيث
(Q=mc (T2 −T1 ) Q=mc(θ2 −θ1
(2) (1 )
. 1سؤال :
60 أم عندما تجلس أمام إبرة °C 500 ودرجة حرارتها kg في أية حالة تشعر بالدفء ؟ هل لما تجلس أمام قطعة من الألمنيوم آتلتها
؟ 400 °C درجة حرارتها
بدون شك الكل يوافق على الاختيار الأول ، ومن ذلك نستنتج أن آمية الحرارة لا تتعلق فقط بدرجة الحرارة وإنما آذلك بكتلة الجسم .
ملاحظة :
السعة الحرارية الكتلية تتعلق بنوع المادة فقط مهما آانت آتلتها ، لكن السعة الحرارية تتعلق بنوع المادة وآتلتها .
1 kJ = 1000 J : معناها آيلو جول kJ حيث ، kJ .kg–1 . K– نعطي قيم السعة الحرارية الكتلية لبعض المواد مقاسة ب 1
الألمنيوم الجليد الماء سائل المادة
c 4,18 2,1 0,89
- التحويل الحراري عندما تتغير الحالة الفيزيائية للمادة
0 ويتحوّل إلى سائل ، مع المحافظة على درجة الحرارة . °C يمتص الجليد آمية من الحرارة وهو في الدرجة
نسمّي هذه الكمية من الحرارة التي امتصها حرارة تغيير الحالة الفيزيائية . تتناسب هذه الكمية من الحرارة مع آتلة الجليد
هي السعة الكتلية لتغيير الحالة الفيزيائية L : حيث
Joule (J) : Q
لا آتلة المادة : M
J . kg–1 : L
طاقة التماسك هي الطاقة التي تقدّمها أو تأخذها جملة لكي تتغير الحالة الفيزيائية لها ، أي الطاقة اللازمة لتكوين أو نفصال الروابط بين Q= L m جزيئات المادة . هذه الطاقة تكافئ تحويلا حراريا قدره
نسمي=السعة الكتلية للانصهار Lf
السعة الكتلية التبخر Lv
مثلا الماء يبدأ التجمد في الدرجة C °0بعد ما آان سائلا ، ويبدأ الانصهار في الدرجة °C آذلك بعدما آان صلبا .
تحتاج كمية من الماء (m)إلى كمية حرارةقدرها Q لكي تنصهر أي Q = Lf m ،
نفس الكمية وهي سائلة تحتاج إلى كمية حرارةQة لكي تتمجد أي ةQ = – Lf m ،
ونفس الشيء بالنسبة للتبخر والتمييع باستعمال. Lv
4 – طاقة التفاعل الكيميائي
خلال تفاعل آيميائي تتحطّم بعض الروابط بين ذرات المتفاعلات وتتشكّل روابط جديدة بين ذرات النواتج .
ليكن التفاعل التالي :
A – H + B – OH → H2O + A – B
و الروابط في جزيء الماء . B و A انفصمتا لتكوين الرابطة بين OH و B وبين A و H نلاحظ أن الرابطتين بين لكي نحطّم (نفصم) رابطة نحتاج على الأقل إلى طاقة هي طاقة الربط في جملة المتفاعلات ..
مثلا :
193 kJ . mol– طاقة تماسك قدرها 1 Br 436 ، ويملك البروم 2 kJ . mol– طاقة تماسك قدرها 1 H يملك غاز الهيدروجين 2
ومنه جزيء الهيدروجين أآثر استقرارا من جزيء البروم .
U جملة المتفاعلات تملك طاقة 1
U جملة النواتج تملك طاقة 2
إذا آان U2 – U1 >0يكون التفاعل ماصا للحرارة من الوسط الخارجي 0
إذا آان U2 – U1 <0 يكون التفاعل ناشرا للحرارة للوسط الخارجي
5 - المسعر
المسعر هو إناء مجهّز بحيث أن محتواه لا يتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي .
نسمّي المخلاط والمحرار لواحق المسعر ، ونعطي لهذه الجملة ، أي (المسعر + المخلاط + المحرار ) سعة حرارية آتلية واحدة نسميها
السعة الحرارية الكتلية للمسعر مع لواحقه .
ملاحظة :
إذا آان المسعر يحتوي على مقاومة مسخنة ، تُضاف هذه الأخيرة للواحق المسعر .
المكافئ المائي للمسعر
وعندما يتم التوازن الحراري ، T نضع مثلا آمية من الماء داخل مسعر درجة حرارتها 1
فلكي نحسب التحويل الحراري . T يصبح للمسعر ولواحقه والماء الموجود فيه نفس درجة الحرارة 2
من الماء إلى المسعر ولواحقه يجب علينا أن نعرف نوع مادة آل لاحقة لكي نحدد سعتها الحرارية
الكتلية وآذلك مادة المسعر . فلكي نختصر العملية آلها نعتبر الجملة (مسعر + لواحق) آمية من الماء
تتبادل نفس آمية الحرارة التي تتبادلها الجملة (مسعر + لواحق) ، ونسمي هذه الكمية المكافئ المائي
. kg وحدتها μ للمسعر ، هذه الكمية من الماء نرمز لها ب
هي السعة الحرارية الكتلية للماء وهو سائل . c حيث ، C = μ c وبالتالي تصبح السعة الكتلية للمسعر
1 من mol نسمّي طاقة الربط الطاقة اللازمة لكي نحطم الروابط في
. B و A إلى الذرتين AB الجزيئات
مسعر مع لواحقه
5
تطبيق :
إلى درجة التبخّر التام T1 = – 20 °C في درجة الحرارة m = 1 kg احسب آمية الحرارة التي تحول قطعة من الجليد آتلتها
T2 = 100 °C
المعطيات :
الجليد) ) cs ( الماء سائل ) c ( الماء بخار ) cv Lf Lv
2,1 × 103 J . kg–1 .K–1 4187 J . kg–1 . K–1 1930 J . kg–1 .K–1 3,3 × 105 J . kg–1 2,3 × 106 J .kg–1
الحل
(1) Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q آمية الحرارة اللازمة هي : 4
0 دون أن تبدأ في الانصهار °C 20 – إلى °C هي آمية الحرارة التي تنقل آمية الجليد من Q1
هي آمية الحرارة التي تُحوّل آمية الجليد إلى سائل في درجة ثابتة (تغيير الحالة الفيزيائية) Q2
100 بدون أن يتحول إلى بخار . °C 0 إلى °C هي آمية الحرارة التي تنقل آمية الماء السائل من Q3
(100 °C) هي آمية الحرارة التي تجعل آمية الماء تتبخّر في درجة حرارة ثابتة Q4
Q1 = m cs (0 – T1) = 1 × 2,1 × 103 × (0 + 20) = 42 × 103 J
Q2 = Lf m = 3,3 × 105 × 1 = 3,3 × 105 J
Q3 = m c (T2 – 0) = 1 × 4187 × ( 100 – 0) ≈ 4,2 × 105 J
Q4 = Lv m = 2,3 × 106 × 1 = 2,3 × 106
: ( بالتعويض في ( 1
Q = (42 + 330 + 420 + 2300) × 103