الحــــــــرارة

سنحاول في البدء معرفة بعض المفاهيم الأساسية المتعلقة بالحرارة

الطاقة الداخلية (U):

هي جميع الطاقات التي تملكها الجزيئات والذرات المكونة للمادة مثل طاقة الوضع وطاقة الحركة.

الطاقة الحرارية (ΔQ):

لمعرفة الطاقة الحرارية ندرس ما يحدث عند تلامس مادتين مختلفتين في درجة الحرارة

 

T_A>T_B                                                                                                    T_A=T_B

                                قبل التلامس            أثناء التلامس               عند التوازن   

  إذا كانت درجة حرارة الجسم A  أكبر من درجة حرارة الجسم B ، وإذا كان الجسمين من نفس المادة فإنّ متوسط طاقة الجزئ الواحد في A أكبر من متوسط طاقة الجزئ الواحد في B فعند تلامس الجسمين تفقد الجزيئات في A كمية من الطاقة تكتسبها الجزيئات في B ، ولذلك فإنّ A يبرد و  B يسخن حتى تتساوى درجة حرارة الجسمين.

ومنها نعرف الطاقة الحرارية كلاآتي:

(هي الطاقة التي تنتقل من جسم ذي درجة حرارة عالية إلى جسم ذي درجة حرارة منخفضة نتيجة لفرق درجتي حرارة الجسمين).

كمية الحرارة:

هي كمية الطاقة الحرارية التي تنتقل تحت تأثير الفرق في درجات الحرارة وتقاس في النظام العالمي للوحدات (SI) بالجول وكانت سابقاً تقاس بالسعر.

والسعر : هو كمية الحرارة اللازمة لرفع جرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة.

العلاقة بين الجول والسعر:

1Cal = 4.18J

درجة الحرارة:

تعرف درجة الحرارة لنظام ما بأنها مقياس مباشر للسرعة المتوسطة لجزيئات ذلك النظام.

الحرارة النوعية (c):

هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة واحد جرام من المادة درجة مئوية واحدة.

وتعطى كمية الحرارة اللازمة لرفع  درجة حرارة كتلة (m) من المادة درجة مئوية واحدة بالعلاقة:

Q = mc(T₂-T₁)

السعة الحرارية (C):

هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة مئوية واحدة.

C= mc

وتقاس بوحدة السعر على درجة مئوية (Cal/⁰C).

السعة الحرارية النوعية:

لكي نرفع درجة حرارة جسم ما يجب أن نزيد الطاقة الحرارية لجزيئاته، وتعرف السعة الحرارية النوعية بأنها كمية الحرارة التي يجب أن تنساب إلى أو من وحدة الكتل من المادة لتغير درجة حرارته بمقدار درجة واحدة ويرمز لها بالرمز (c).

c=  ΔQ

     mΔT

ΔQ =c m ΔT

وتقاس بوحدة (Cal/gm.⁰C)

مثال:

ما هي كمية الحرارة المنطلقة عندما يبرد 20 gm من الماء من درجة حــــرارة 90 ⁰C  إلى 30 ⁰C ، علماً بأنّ السعة الحرارية النوعية للماء تساوي (1 Cal/ gm.⁰C) .

ΔT = 30-90 = -60 ⁰C

ΔQ = cm ΔT = 1 × 20 × (-60) = -1200 Cal

الإشارة السالبة تعني أن كمية هذه الحرارة مفقودة.

مثال:

يحتوي إبريق ترموس على 300 gm  من القهوة عند درجة 90 ⁰C صب في هذا الإبريق 50gm من اللبن عند درجة حرارة 15 ⁰C   ، ما هي درجة الحرارة النهائية للقهوة؟

الحل:

الطاقة المكتسبة بواسطة اللبن = الطاقة المفقودة بواسطة القهوة

( cm │ΔT│)_coffee=( cm │ΔT│)_milk

c =(1 Cal/ gm.⁰C)  وذلك لأنّ القهوة واللبن عبارة عن ماء

[ 1 × 300 × (90-t)] = [ 1 × 50 × (t-15)]

t = 79.3 ⁰C

مثال:

أوجد السعة الحرارية لقطعة معدنية كتلتها 100 gm ، علماً بأن الحرارة النوعية للمعدن 235 J/kg .

الحل:

C = m c

C= 235 × 0.1 = 23.5 J/K

قياس درجة الحرارة:

تقاس درجة الحرارة بواسطة ثيرمومترات مختلفة نذكر منها:

1- الثيرمومتر السائل:

تستخدم في هذا النوع من الثيرمومترات خاصية تمدد طول عمود السائل داخل أنبوبة شعرية مع تغير درجة الحرارة، وقد استخدمت العديد من السوائل أهمها الزئبق والكحول كل حسب المدى الحراري المطلوب يستخدم هذا النوع من الثيرمومترات العلاقة التالية:

t = X₁ – X₂  × (100 ⁰C)

X₁₀₀ – X₀             

X₁: طول عمود السائل عند درجة الحرارة المعينة t

X₀: طول عمود السائل عند درجة حرارة إنصهار الجليد

X₁₀₀: طول عمود السائل عند غليان الماء

2- الثيرمومتر الزئبقي:

هو ثيرمومتر سائل يستخدم فيه الزئبق للمزايا التالية:

أ‌-       الزئبق مادة معتمة تسهل رؤيتها.

ب‌-   سهل الحصول عليه نقياً وجافاً.

ج- يتمدد الزئبق تمدد منتظم مع درجة الحرارة.

د- يمكن استخدامه في مدى حراري واسع 300⁰C إلى -36⁰C .

هـ- يمكن تعديله بملء الجزء العلوي بغاز النتروجين ليصل مداه إلى 500⁰C.

بعض الإرشادات والتعليمات الواجب العمل بها لصناعة أي ثيرمومتر زئبقي هي:

أ‌-       استخدام نوع جيّد من الزجاج عالي الشفافية.

ب‌-   الزجاج المستخدم يجب أن يكون مخزن لفترة زمنية كافية لتفادي التغيرات.

ج- يجب أن يكون الجزء الأنبوبي من الثيرمومتر منتظم المقطع .

مصادر الخطأ في الثيرمومتر الزئبقي:

أ‌-       تعرض ساق الثيرمومتر للجو مما يجعل الزئبق الموجود فيه متأثراً بالجو.

ب‌-   الضغط الجوي.

ج- الضغط الداخل لعمود الزئبق.

د- عدم إنتظام مقطع ساق الثيرمومتر (الجزء الأنبوبي).

هـ- تغير الزجاج مع الزمن.

3- الثيرمومتر الطبي:

هو ثيرمومتر زئبقي ذو ساق مكونة من أنبوب شعرية ضيقة المقطع ذات تدريج يمتد بين 35⁰C إلى 45⁰C . وتوجد في مؤخرته الإنتفاخ الذي هو خزان الزئبق ويلي الخزان مباشرةً إختناق ضيق والغرض منه هو عند وضع الثيرمومتر في فم المريض تبقى القراءة كما هي دون تغيير ، فيقوم هذا الإختناق بقطع شريط الزئبق ، ويعاد الزئبق إلى الإنتفاخ بهز الثيرمومتر.

هناك عدة أنواع أخرى من الثيرمومترات ،هي:

أ‌-       ثيرمومتر بكمان.

ب‌-   الثيرمومتر المعدني الثنائي.

ج- الثيرمومتر البلاتين.

د- ثيرمومتر الإزدواج الحراري.

هـ- ثيرمومتر ضغط البخار.

مثال:

ثيرمومتر زئبقي كان طول عمود الزئبق عند نقطة انصهار الجليد 12 cm وطوله عند نقطة الغليان 24 cm ، أوجد درجة الحرارة التي يقيسها عندما يكون طول العمود 21 cm.

الحل:

t = X₁ – X₂  × (100 ⁰C)

X₁₀₀ – X₀             

t =  21 – 12  × 100 = 75 ⁰C

24 – 12                 

التدريج الحراري:

1- التدريج المئوي:

في هذا النظام استخدمت نقطتان ثابتتان لمعايرة الثيرمومترات هما نقطة انصهار الجليد 0⁰C ونقطة غليان الماء 100⁰C وقسمت المسافة بينهما إلى مائة وحدة ، وسمى بالمقياس المئوي.

2- التدريج الفهرنهايتي:

استخدم نفس النقاط الثابتة في التدريج المئوي ولكن قسمت المسافة بينهما إلى 180 وحدة ، معتبراً أن نقطة انصهار الجليد هي 32⁰F ونقطة غليان الماء212 ⁰F  ، وبالتالي تكون العلاقة بين التدريج المئوي والفهرنهايتي تحكم بالعلاقة:

C= 5 ( F – 32)

9      

F= 9 C + 32

5     

3- التدريج المطلق (الكلفن K):

يعتمد هذا المقياس على الصفر المطلق والذي يتلاشى عنده حجم الغاز أي أنه يعتمد على خاصية طبيعية ولا يعتمد على نوع المادة لذا يسمى النظام المعياري ، والعلاقة التي تربط بين النظام المطلق والنظام المئوي هي:

T = { t ⁰C + 273.15} ⁰K

مسائل:

·        حول 50⁰C إلى نظام الفهرنهايتي.

·        حول 122 ⁰F إلى النظام المئوي.

·        ما هي الدرجة التي تتساوى فيها القراءة على المقياس المئوي والفهرنهايتي.