التفسير الجزيئي للطاقة الحرارية
التفسير الجزيئي للطاقة الحرارية
تتكون المادة من جزيئات في حالة حركة مستمرة وبذلك يكون لها طاقة حركة KE ويوجد بينها قوى متبادلة ويفصلها عن بعضها مسافات , وبذلك يكون لها طاقة وضع PE ,وعند خفض درجة حرارة المادة بالتبريد فإن سرعة جزيئاتها تقل وكذلك المسافات البينية 0 وعند درجة -273.15 سيليزي تسكن جزيئات المادة 0 وعلى ذلك فالحرارة التي توجد في المادة يرجع معظمها إلى طاقة حركة جزيئاتها0 ومجموع طاقات حركة جزيئات المادة ***8721; KE وطاقات وضعها ***8721; PE يطلق عليها اسم الطاقة الداخلية ويرمز لها بالرمز u :
***8721;KE + ***8721;PEU =
ومعرفة مقدار الطاقة الداخلية لجسم أمر صعب ولكن يمكن بسهولة معرفة مقدار التغير فيها ***8710;U 0 فإذا عزلنا إناء مملوء بالبخار عزلا حراريا تاما فإن جزيئاته تحتفظ بكل طاقة حركتها ويظل البخار على حالته الغازية إلى ما شاء الله0لكن العزل الحراري التام أمر صعب تحقيقه , لذلك تنقل الطاقة الحراربة ببطء من الإناء المعزول إلى الوسط المحيط , فتقل طاقة حركة جزيئات البخار تدريجيا إلى أن تتحول إلى الحالة السائلة0وبصفة عامة يمكن اعتبار درجة حرارة الجسم(المادة) مقياسا لطاقة حركة جزيئاته والمظهر الملموس لها0
أثر الحرارة على المواد
يجب أن نعرف اولا أن المادة تتكون من جزيئات في حالة حركة مستمرة ونتيجة حركة هذه الجزيئات فان للجزيئات طاقة حركة ونتيجة قوة الجذب المتبادلة بين الجزيئات فان لها طاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين يطلق عليهما اسم الطاقة الداخلية.
الطاقة الداخلية للجسم = طاقة الوضع + طاقة الحركة
وعند التسخين او التبريد فان طاقة حركة الجزيئات تزيد أو تقل تتباعد أو تتقارب وبالتالي تزداد المسافات بين الجزيئات او تقل فتتغير من حالة إلى أخرى.
قد صنف العلماء حالات المادة الى (صلبة- سائلة – غازية)
وصنفها البعض إلى ثلاثة أشكال:
- الجامدة
- المائعة وتشمل ( السوائل والغازات )
- البلازما
والبلازما: هي حالة توجد عليها المادة عند ارتفاع درجة حرارة الغازات الى درجات الحرارة العالية حيث تتفكك الجزيئات الى ايونات موجبة والكترونات السالبة مكونة خليطا من الايونات المشحونة وهي ما تسمى بالبلازما وهي تؤلف القسم الاعظم من مادة الكون والمجرات0
ومما سبق يمكن القول أن:
- درجة حرارة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة حركة جزيئاته.
- حالة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة وضع جزيئاته.
فمثلا الماء عند درجتين 50 و80 تكون طاقة الحركة مختلفة وطاقة الوضع ثابتة.
لعلك لاحظت أن الأسلاك الممدودة تكون مرتخية صيفا ومشدودة شتاء, وزيادة انتفاخ إطارات السيارة نهارا ونقص انتفاخها ليلا, وتجمد الدهن داخل الاوعية شتاء و سيولته صيفا, فما سبب هذه الظاهرة؟ ان اكتساب المادة لكمية من الطاقة الحرارية يؤدي إلى زيادة طاقة حركة جزيئاتها(وزيادة سرعتها) فترتفع درجة حرارتها0فتتدافع الجزيئات مع بعضها مما يؤدي إلى زيادة المسافات البينية فتزداد أبعادها الهندسية – الطول والعرض والارتفاع-أي أنها تتمدد فيزداد طولها ومساحة سطحها وحجمها0 وباستمرار اكتساب المادة للطاقة الحرارية تستمر درجة حرارتها في الارتفاع إلى أن تصل إلى درجة معينة تتحول عندها من حالة إلى أخرى عند نفس الدرجة , والطاقة الحرارية المكتسبة في هذه الحالة تختزن على طاقة وضع كامنة, وعند تحول المادة تماما تصرف الطاقة الحرارية التي تكتسب بعد ذلك في زيادة طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى, أي تزداد طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى(فترتفع درجة حرارتها).
التمدد الحراري للأجسام Thermal expantion
يتوقف مقدار تمدد المادة بالتسخين على مقدار قوى التماسك بين جزيئاتها, فالمادة الصلبة يكون مقدار تمددها بالتسخين صغيرا جدا نظرا لكبر قوى التماسك بين جزيئاتها,في حين أن تمدد السوائل يكون أكبر من تمدد الأجسام الصلبة بالتسخين , أما الغازات فيكون تمددها بالتسخين أكبر بكثير من السوائل لأن قوى التماسك بين جزيئات الغاز تكاد تكون معدومة0
التمدد الخطي (الطولي) للأجسام الصلبةLiner expantuion
تختلف قوى التماسك بين جزيئات المواد الصلبة باختلاف انواعها 0لذلك يختلف مقدار الزيادة في الطول-أي التمدد الطولي بالتسخين.
وقد وجد بالتجربة العملية أن التمدد الطولي لجسم بالتسخين يتوقف على:
1- طول الجسم عند الصفر السيليزي
L0 ***8710;L ***940; L0
2 - مقدار الارتفاع في درجة الحرارة
***8710;T ***8710;T ***8710;L ***940;
3 - نوع مادة الجسم (***8710;L تتوقف على نوع مادة الجسم)
ومن ذلك نجد أن:
***8710;T ***8710;L ***940; L0.
.L0.***8710;T ***8710;L= ثابت
هذا الثابت يتوقف على نوع المادة ويطلق عليه اسم معامل التمدد الخطيLinear expantion cpefficient ويرمز له بالحرف اللاتيني ***945; ( الفا)
***8710;L= ***945; L0 ***8710;T ………………….(1)
معامل التمدد الخطي Linear expantion coefficient
من المعادلة رقم (1) نجد أن : ***945; = ***8710;L \ L0 ***8710;T /C***186;
وعلى ذلك يمكن تعريف معامل التمدد الخطي على أنه:
مقدار الزيادة التي تطرأ على وحدة الأطوال من المادة عند رفع درجة حرارتها درجة سيليزية واحدة ابتداءا من الصفر السيليزي.
وبذلك يمكن تعيين ***945;لمادة جسم بمعلومية كل من الطولL1 عند T1 , L2عند T2 باستخدام العلاقة التالية:
***945;= ***8710;L \ L0 (T2-T1) ***8710;L = L2-L1
التمدد الحجمي للأجسام الصلبة
ذكرنا بأن الجسم الصلب عندما يسخن فإن جميع أبعاده تتمدد وهذا يعني أن حجمه يزداد ويعرف ذلك التمدد الحجمي يمكن حساب مقدار التغير (الويادة أو النقصان) الذي يحدث في جسم معين من الجسم الصلب عندما تتغير درجة حرارته بمقدار ***8710;T من المعادلة التالية:
***8710;V = V × ***946; ×***8710;T
حيث (***8710;V ) هي التغير في حجم الجسم الصلب
(V ) هي الحجم الاصلي للجسم الصلب عند الدرجة المنخفضة
(***8710;T ) التغير في درجة الحرارة
(***946; ) مقدار ثابت يرف بمعامل التمدد الحجمي للمادة ويتوقف على نوع المادة نفسها ويقدر بنفس وحدات معامل التمدد الخطي
وحيث أن ***8710;T ***946; = ***8710;V/V
في ضوء هذه العلاقة يمكن تعريف معامل التمدد الحجمي :
معامل التمدد الحجمي : مقدار التغير الذي يطرأ على حجم وحدة الحجوم من المادة عندما تتغير درجة حرارتها درجة واحدة سيليزية وهناك علاقة ين معامل التمدد الحجمي ومعامل التمدد الخخطي لنفس المادة وهي علاقة تقريبية ولكنها صحيحة
***914; = 3 ***945;
مثال : كرة من النحاس حجمها 60 cm عند درجة حرارة 25 0C سخنت حتى درجة حرارة 75 0C اوجد حجمها عند الدرجة الاخيرة اذا علمت ان معامل التمدد الخطي لمادة النحاس ( 17X10-6 / 0C )
تمدد السوائل
عرفنا أن الاجسام الصلبة تتمدد خطيا وسطحيا وحجميا لأن لها شكل ثابت. أما السوائل فليس لها شكل ثابت بل تأخذ شكل الاناء الحاوي لها وتحتفظ بحجومها لذلك فان السوائل تتميز بنوع واحد من التمدد هو التمدد الحجمي ويتوقف مقدار التغير في حجم سائل عندما يكتسب مقدارامعين من الطاقة الحرارية على العوامل التالية:
1- الحجم الأصلي للسائل (V)
2- مقدار التغير في درجة حرارة السائل (***8710;T )
3- نوع مادة السائل
ويمكن حساب التغير في الحجم من العلاقة التالية:
***8710;V = V X ***951; X ***8710;T
حيث ***951; مقدار ثابت يتوقف على نوع مادة السائل ويسمى معمل التمدد الحجمي للسائل
***8721;KE + ***8721;PEU =
ومعرفة مقدار الطاقة الداخلية لجسم أمر صعب ولكن يمكن بسهولة معرفة مقدار التغير فيها ***8710;U 0 فإذا عزلنا إناء مملوء بالبخار عزلا حراريا تاما فإن جزيئاته تحتفظ بكل طاقة حركتها ويظل البخار على حالته الغازية إلى ما شاء الله0لكن العزل الحراري التام أمر صعب تحقيقه , لذلك تنقل الطاقة الحراربة ببطء من الإناء المعزول إلى الوسط المحيط , فتقل طاقة حركة جزيئات البخار تدريجيا إلى أن تتحول إلى الحالة السائلة0وبصفة عامة يمكن اعتبار درجة حرارة الجسم(المادة) مقياسا لطاقة حركة جزيئاته والمظهر الملموس لها0
أثر الحرارة على المواد
يجب أن نعرف اولا أن المادة تتكون من جزيئات في حالة حركة مستمرة ونتيجة حركة هذه الجزيئات فان للجزيئات طاقة حركة ونتيجة قوة الجذب المتبادلة بين الجزيئات فان لها طاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين يطلق عليهما اسم الطاقة الداخلية.
الطاقة الداخلية للجسم = طاقة الوضع + طاقة الحركة
وعند التسخين او التبريد فان طاقة حركة الجزيئات تزيد أو تقل تتباعد أو تتقارب وبالتالي تزداد المسافات بين الجزيئات او تقل فتتغير من حالة إلى أخرى.
قد صنف العلماء حالات المادة الى (صلبة- سائلة – غازية)
وصنفها البعض إلى ثلاثة أشكال:
- الجامدة
- المائعة وتشمل ( السوائل والغازات )
- البلازما
والبلازما: هي حالة توجد عليها المادة عند ارتفاع درجة حرارة الغازات الى درجات الحرارة العالية حيث تتفكك الجزيئات الى ايونات موجبة والكترونات السالبة مكونة خليطا من الايونات المشحونة وهي ما تسمى بالبلازما وهي تؤلف القسم الاعظم من مادة الكون والمجرات0
ومما سبق يمكن القول أن:
- درجة حرارة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة حركة جزيئاته.
- حالة الجسم تعتبر مقياسا لطاقة وضع جزيئاته.
فمثلا الماء عند درجتين 50 و80 تكون طاقة الحركة مختلفة وطاقة الوضع ثابتة.
لعلك لاحظت أن الأسلاك الممدودة تكون مرتخية صيفا ومشدودة شتاء, وزيادة انتفاخ إطارات السيارة نهارا ونقص انتفاخها ليلا, وتجمد الدهن داخل الاوعية شتاء و سيولته صيفا, فما سبب هذه الظاهرة؟ ان اكتساب المادة لكمية من الطاقة الحرارية يؤدي إلى زيادة طاقة حركة جزيئاتها(وزيادة سرعتها) فترتفع درجة حرارتها0فتتدافع الجزيئات مع بعضها مما يؤدي إلى زيادة المسافات البينية فتزداد أبعادها الهندسية – الطول والعرض والارتفاع-أي أنها تتمدد فيزداد طولها ومساحة سطحها وحجمها0 وباستمرار اكتساب المادة للطاقة الحرارية تستمر درجة حرارتها في الارتفاع إلى أن تصل إلى درجة معينة تتحول عندها من حالة إلى أخرى عند نفس الدرجة , والطاقة الحرارية المكتسبة في هذه الحالة تختزن على طاقة وضع كامنة, وعند تحول المادة تماما تصرف الطاقة الحرارية التي تكتسب بعد ذلك في زيادة طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى, أي تزداد طاقة حركة جزيئاتها مرة أخرى(فترتفع درجة حرارتها).
التمدد الحراري للأجسام Thermal expantion
يتوقف مقدار تمدد المادة بالتسخين على مقدار قوى التماسك بين جزيئاتها, فالمادة الصلبة يكون مقدار تمددها بالتسخين صغيرا جدا نظرا لكبر قوى التماسك بين جزيئاتها,في حين أن تمدد السوائل يكون أكبر من تمدد الأجسام الصلبة بالتسخين , أما الغازات فيكون تمددها بالتسخين أكبر بكثير من السوائل لأن قوى التماسك بين جزيئات الغاز تكاد تكون معدومة0
التمدد الخطي (الطولي) للأجسام الصلبةLiner expantuion
تختلف قوى التماسك بين جزيئات المواد الصلبة باختلاف انواعها 0لذلك يختلف مقدار الزيادة في الطول-أي التمدد الطولي بالتسخين.
وقد وجد بالتجربة العملية أن التمدد الطولي لجسم بالتسخين يتوقف على:
1- طول الجسم عند الصفر السيليزي
L0 ***8710;L ***940; L0
2 - مقدار الارتفاع في درجة الحرارة
***8710;T ***8710;T ***8710;L ***940;
3 - نوع مادة الجسم (***8710;L تتوقف على نوع مادة الجسم)
ومن ذلك نجد أن:
***8710;T ***8710;L ***940; L0.
.L0.***8710;T ***8710;L= ثابت
هذا الثابت يتوقف على نوع المادة ويطلق عليه اسم معامل التمدد الخطيLinear expantion cpefficient ويرمز له بالحرف اللاتيني ***945; ( الفا)
***8710;L= ***945; L0 ***8710;T ………………….(1)
معامل التمدد الخطي Linear expantion coefficient
من المعادلة رقم (1) نجد أن : ***945; = ***8710;L \ L0 ***8710;T /C***186;
وعلى ذلك يمكن تعريف معامل التمدد الخطي على أنه:
مقدار الزيادة التي تطرأ على وحدة الأطوال من المادة عند رفع درجة حرارتها درجة سيليزية واحدة ابتداءا من الصفر السيليزي.
وبذلك يمكن تعيين ***945;لمادة جسم بمعلومية كل من الطولL1 عند T1 , L2عند T2 باستخدام العلاقة التالية:
***945;= ***8710;L \ L0 (T2-T1) ***8710;L = L2-L1
التمدد الحجمي للأجسام الصلبة
ذكرنا بأن الجسم الصلب عندما يسخن فإن جميع أبعاده تتمدد وهذا يعني أن حجمه يزداد ويعرف ذلك التمدد الحجمي يمكن حساب مقدار التغير (الويادة أو النقصان) الذي يحدث في جسم معين من الجسم الصلب عندما تتغير درجة حرارته بمقدار ***8710;T من المعادلة التالية:
***8710;V = V × ***946; ×***8710;T
حيث (***8710;V ) هي التغير في حجم الجسم الصلب
(V ) هي الحجم الاصلي للجسم الصلب عند الدرجة المنخفضة
(***8710;T ) التغير في درجة الحرارة
(***946; ) مقدار ثابت يرف بمعامل التمدد الحجمي للمادة ويتوقف على نوع المادة نفسها ويقدر بنفس وحدات معامل التمدد الخطي
وحيث أن ***8710;T ***946; = ***8710;V/V
في ضوء هذه العلاقة يمكن تعريف معامل التمدد الحجمي :
معامل التمدد الحجمي : مقدار التغير الذي يطرأ على حجم وحدة الحجوم من المادة عندما تتغير درجة حرارتها درجة واحدة سيليزية وهناك علاقة ين معامل التمدد الحجمي ومعامل التمدد الخخطي لنفس المادة وهي علاقة تقريبية ولكنها صحيحة
***914; = 3 ***945;
مثال : كرة من النحاس حجمها 60 cm عند درجة حرارة 25 0C سخنت حتى درجة حرارة 75 0C اوجد حجمها عند الدرجة الاخيرة اذا علمت ان معامل التمدد الخطي لمادة النحاس ( 17X10-6 / 0C )
تمدد السوائل
عرفنا أن الاجسام الصلبة تتمدد خطيا وسطحيا وحجميا لأن لها شكل ثابت. أما السوائل فليس لها شكل ثابت بل تأخذ شكل الاناء الحاوي لها وتحتفظ بحجومها لذلك فان السوائل تتميز بنوع واحد من التمدد هو التمدد الحجمي ويتوقف مقدار التغير في حجم سائل عندما يكتسب مقدارامعين من الطاقة الحرارية على العوامل التالية:
1- الحجم الأصلي للسائل (V)
2- مقدار التغير في درجة حرارة السائل (***8710;T )
3- نوع مادة السائل
ويمكن حساب التغير في الحجم من العلاقة التالية:
***8710;V = V X ***951; X ***8710;T
حيث ***951; مقدار ثابت يتوقف على نوع مادة السائل ويسمى معمل التمدد الحجمي للسائل
