الدرس الحادي عشر "تغيرات حالات المادة وقوانين الديناميكا الحرارية"الآلة الحرارية"

        تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية

جيمس واط" مخترع المحرك البخاري

استخدم صانعو المحرك البخاري في القرن18

الحرارة لتحويل الماء الساخن إلى بخار

 حيث يدفع البخار المكبس لتشغيل المحرك ثم

يبرد البخار ويتكاثف فيصبح سائلا مرة أخرى

تغير حالة المادة

الحالات الأكثر شيوعاً:

غاز

صلب

سائلة

درجة الانصهار..

تتغير المادة عند هذه النقطة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة

أثناء الانصهار تعمل الطاقة الحرارية المكتسبة كلها على التغلب على القوى التي تربط جزيئات المادة الصلبة

وأي إضافة للطاقة الحرارية لا تؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للجزيئات ولذلك لا تزداد درجة الحرارة

درجة  الغليان..

الطاقة الحرارية المضافة تحول المادة من السائلة إلى الغازية

عندما يغلي السائل تبقى درجة الحرارة ثابتة

الحرارة الكامنة للانصهار.. Hf

هي كمية الطاقة الحرارية اللازمة لانصهار 1kg من المادة..

ملاحظة

**الطاقة المضافة تسبب تغيرا في حالة المادة وليس في درجة الحرارة

**على التمثيل البياني يعبر الخط الأفقي بين النقطتين B و C عن الحرارة الكامنة للانصهار

Q  =  m Hf

الحرارة اللازمة  لصهر الكتلة الصلبة

الحرارة اللازمة لصهر كتلة صلبة تساوي مقدار الكتلة الصلبة مضروبة في الحرارة الكامنة للانصهار للمادة الصلبة

الحرارة الكامنة للتبخر .. Hv

هي كمية الطاقة الحرارية اللازمة لتبخير 1kg من السائل..

ملاحظة

**لكل مادة حرارة كامنة للتبخر خاصة بها

**على التمثيل البياني يعبر الخط الأفقي بين النقطتين   D و E   عن الحرارة الكامنة للتبخر

الحرارة اللازمة لتبخير السائل 

Q  =  m Hv

الحرارة اللازمة لتبخير سائل ما تساوي كتلة السائل  مضروبة في الحرارة الكامنة لتبخير السائل.

**ميل الخط البياني بين النقطتين B و A يمثل مقلوب الحرارة النوعية للجليد

**ميل الخط البياني بين النقطتين C و D يمثل مقلوب الحرارة النوعية للماء

**ميل الخط البياني بين النقطتين Eيمثل مقلوب الحرارة النوعية للبخار

**ميل الخط البياني في حالة الماء أقل من ميله في حالتي الجليد والبخار , لأن الحرارة النوعية للماء أكبر مما للجليد والبخار

**عندما يتجمد السائل فإنه يفقد كمية من الحرارة تساوي Q  = - m Hf

والإشارة السالبة تدل على أن الحرارة تنتقل من المادة إلى المحيط الخارجي

** عندما يتكاثف بخار إلى سائل فإنه يفقد كمية من الحرارة تساوي Q  = - m Hv

** يمكن جعل الماء يغلي  دون تسخين وفي درجة حرارة الغرفة وذلك بوضعه دافئا في قارورة ثم وضعها في ناقوس وتفريغ الهواء مع التجفيف

** تتغير درجتا الانصهار والغليان للماء  عند إضافة مذاب إليه حيث يتكون محلول فتزداد درجة الغليان وتنخفض درجة التجميد  

أي وجود شوائب مذابة في الماء ( ملح ، سكر ، ... ) يغيّر من درجة غليان الماء ، كذلك إذا خلط الماء بسوائل أخرى تتغير درجة الغليان

:القانون الأول للديناميكا الحرارية

نص القانون الأول للديناميكا الحرارية: 

التغير في الطاقة الحرارية Δ U لجسم ما يساوي مقدار كمية الحرارة Q المضافة إلى الجسم مطروحا منه الشغل W الذي يبذله الجسم.

Δ U = Q - W

أمثلة على تغير كمية الطاقة الحرارية في نظام ما  :

المضخة اليدوية المستخدمة في نفخ إطار الدراجة الهوائية

أمثلة على تحول أشكال من الطاقة إلى طاقة حرارية:

1- تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارية : محمصة الخبز – الفرن الكهربائي

2- تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة حرارية: أشعة الشمس

المحركات الحرارية..

 

الآلة الحرارية:
هو أداة ذات قدرة على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية بصورة مستمرة...

نتيجة انتقال الحرارة إلى الجهاز من مصدر حراري ذي درجة حرارة عالية وطرد الحرارة إلى خزان حراري ذي درجة حرارة منخفضة .

 

 

شروط عمله:
1- وجود مصدرا ذا درجة حرارة مرتفعة لامتصاص الحرارة منه(مستودع ساخن)
2- وجود مستقبلا ذا درجة حرارة منخفضة يمتص الحرارة  (مستودع بارد)

3- وجود آلة لتحويل الحرارة إلى شغل.

المستودع ( الخزان ) الحراري :
هو جسم كبير يمكن أن تنتقل الحرارة منه أو إليه ولا يؤدي ذلك إلى تغير درجة حرارته

وكمثال على الآله الحرارية هناك نوعان:

مثال توضيحي على الآلة الحرارية ( الآلة البخارية )

2- آلة الاحتراق الداخلي  مثال :  محرك الاحتراق الداخلي ( محرك السيارة)

مراحل عمله

1- اشتعال بخار البنزين المخلوط بالهواء لإنتاج شعلة درجة حرارة مرتفعة

2- تدفق الحرارة Q H من اللهب إلى هواء الاسطوانة حيث يتمدد الهواء ويدفع المكبس محولا الطاقة الحرارية  إلى طاقة ميكانيكية , تحرك السيارة

3- طرد الهواء الحار وحلول هواء بارد مكانه ليعود المحرك لوضعه الابتدائي.. وتتكرر هذه العملية عدة مرات كل دقيقة.

ملاحظات:

1- لا تتحول جميع الطاقة الحرارية الناتجة عن الاشتعال في محرك السيارة إلى طاقة ميكانيكية.

2-  عند عمل المحرك تسخن الغازات في العادم وأجزاء المحرك وتنتقل للهواء الخارجي ومن المحرك تنتقل الحرارة على المشعاع ومنه للهواء الخارجي

3- تسمى الطاقة المنتقلة إلى خارج محرك المركبة بالحرارة الضائعة (   QL)

4-  عندما يعمل المحرك بصورة دائمة فإن الطاقة الداخلية للمحرك لا تتغير

Δ U = Q – W = 0

5-  محصلة الحرارة التي تدخل المحرك هي             L Q -  Q = Q H

وبالتالي يكون الشغل الذي يبذله المحرك هو             W = Q H  -  Q L

6-  في جميع المحركات الحرارية توجد حرارة ضائعة ( مفقودة) ولا يوجد محرك يحول الطاقة كلها إلى شغل أو حركة نافعة

الكفاءة..

يعبر عن الكفاءة الفعلية للمحرك بالنسبةَ W/QH  حيث   QH كمية الحرارة  الداخلة و W  الشغل النافع الناتج

**لوجود حرارة ضائعة لا توجد محركات كفاءتها مئة في المائة

المحركات الشمسية

وفيها تجمع الحرارة في المجمعات الشمسية عند درجة حرارة عالية وتستخدم لتشغيل المحركات.

                                        المبردات (الثلاجات)..

المبردة : مثالا على الآلة التي تحقق انتقال الحرارة من الجسم الأبرد إلى الأسخن  باستخدام شغل ميكانيكي

آلية العمل:

* تعمل الطاقة الكهربائية على تشغيل محرك فيبذل المحرك شغلا على الغاز فيضغطه

*يعبر الغاز ناقلا الحرارة من داخل المبرد ( الثلاجة) إلى ملفات التكثيف خلف الثلاجة ,حيث يبرد متحولا لسائل وتنتقل الحرارة الناتجة للهواء

*ثم يعود السائل على داخل الثلاجة ,ويتبخر بعد أن يمتص الحرارة من داخل الثلاجة وينتقل للضاغط ومنه للخارج وهكذا

أذا التغير الكلي في الطاقة الحرارية للغاز = صفر,

لذلك وحسب القانون الأول للديناميكا فإن مجموع الطاقة المأخوذة من محتويات المبردة والشغل المبذول بفعل المحرك يساوي الحرارة المنبعثة.

المضخات الحرارية..

عبارة عن مبرد يعمل في اتجاهين

تنتزع المضخة في الصيف الحرارة من المنزل ولذا يبرد..

أما في الشتاء فتنتزع الحرارة من الهواء البارد الذي في الخارج وتنقلها إلى داخل المنزل لتدفئة

القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

 

من الطبيعي أن نلاحظ انتقال الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد ولكن ..

** هل يمكن أن نلاحظ انتقال الحرارة من البارد إلى الساخن تلقائيا ؟

 

 

 

الانتروبي ..

  هي عبارة عن قياس للفوضى في النظام ..

وهي وصف لنتيجة دراسة الفرنسي كارنوت (كارنو) حيث أثبت أن كل المحركات تولد حرارة ضائعة..

وقيل لنا إن الانتروبي هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية وقيل أيضا إن الانتروبي هو قانون العشوائية والفوضى وان الانتروبي ويعرب بأنه القصور الحراري....

لتوضيح الإنتروبي مثال : 

سقوط كرة 

وبالتالي...

**الإنتروبي محتوى داخل الجسم ..مثل الطاقة الحرارية .

** عند إضافة حرارة للجسم يزداد الإنتروبي والعكس صحيح

**إذا بذل الجسم شغلا دون أن تتغير درجة الحرارة فإن الإنتروبي لا يتغير مادام الاحتكاك مهمل

** يستخدم مفهوم الإنتروبي كمقياس لفوضى النظام الحاوي على العديد من الجسيمات في مجالات أخرى مثلا كالحاسوب

** يعبر عن التغير في الإنتروبي   (  S ) بالعلاقة

                                ΔS = Q / T

ويساوي مقدار الحرارة المضافة إلى الجسم مقسومة على درجة حرارة الجسم بالكلفن

**وحدة الإنتروبي  هي  J  /  K

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

وينص على أن العمليات الطبيعية تجري في اتجاه المحافظة على الأنتروبي الكلي للكون أو زيادته أي أن الأشياء أكثر عشوائية ما لم يتخذ إجراء يحافظ على انتظامها..

  أمثلة على زيادة الإنتروبي والقانون الثاني:

اختلاط صبغة الطعام

القانون الثاني للديناميكا الحرارية وزيادة الإنتروبي ..

 يقدمان معنى جديد لأزمة الطاقة عند استخدام الغاز الطبيعي لتدفئة المنزل ..

فإن الطاقة في الغاز لا تستهلك بل تتحول من كيميائية كامنة في جزيئات الغاز إلى حرارية في اللهب ثم إلى حرارية في  هواء المنزل ثم تتسرب إلى الخارج فالطاقة لا تستهلك , ولكن الإنتروبي ازداد..

** إن نقص الطاقة  القابلة للاستخدام هو فعليا فائض في الانتروبي

                                    حل أسئلة فيزياء الفصل الخامس

19 ) Q = mC T + mH_f

بخار

ماء

        = 0.100 × 2060 ×20.0 +0.100 ×3.34 ×10⁵  = 3.75 ×10⁴ J

20)  Q = mC T + mH_v  +   mC T

          = 0.200×4180 × ( 100.0 – 60.0 ) + 0.200×2.26 ×10⁶ + 0.200 ×2020

               ( 140.0 – 100.0 )  = 502 k.J

جليد

ماء

بخار

      m = 2.00  × 10² g = 0.200 kg

21)   Q = mC T + mH_f  +  mC T + mH_v +  mC T

        m= 3.00 ×10² g  =  0.300 kg

 0.300 × 3.34  + (       Q = 0.300 × 2060 ( 0.0 –( −30.0 )

         + 0.300 × 4180 ( 100.0 −0.0 ) + 0.300 ×2.26 × 10⁶

           + 0.300 ×2020 ( 130.0 – 100.0 ) = 9.40 × 10² kJ

23) u = Q – W_block                                                      W_drill = − W_block 

          o + W_drill = mC T

W_drill = 0.40 × 897 × 5.0 = 1.8 × 10³ J

الطاقة الحرارية الكلية                                                                                            24 ) u =  mC T

                                       = 0.50  × 130 × 1.0 = 65 J

طاقة الوضع عند إسقاط الكيس لمرة واحدة PE = mgh                                                                   

                     = 0.50 × 9.80 × 1.5 =7.4J

عدد مرات إسقاط الكيس                                                                     مرات                   =  = 9       25  )  u =  mC T

                       = 0.15 × 4180 ×2.0 = 1.3 × 10³ J                                                                        

     عدد مرات تحريك الملعقة                                                × 10⁴   2.6                      =  =

بخار

28 ) m = 50.0 g = 0.500 kg.

      Q = mC T + mH_v +  mC T

     Q = 0.500 × 4180 ( 100.0 −80.0 ) + 0.500 × 2.26 ×10⁶    

زئبق

             + 0.500 × 2020 ( 110.0- 100.0 ) = 1.18×10⁵ J

29 )      Q = mC T + mH_v

                                                        = 1.0 × 140 ( 357 −10.0 ) + 1.0× 3.06 ×10⁵ = 3.5 ×10⁵ J

31 )     =  × 320 ( 5.0 )²  = 4.0 kJ         =   4000.0 J

          u =  mC T = 3.0 ×130 ×5.0 =1950 J= 2.0 kJ

     نصف طاقة المطرقة الحركية تحولت إلى طاقة حرارية امتصها القالب وأدت إلى ارتفاع درجة حرارته

             = u = 4.0 −2.0 = 2.0 kJ 

الطاقة الحرارية        =         الطاقة الميكانيكية         32 )

PE         =       Q                             

mgh = mC T   ⇒  T =                                           

    = 0.293  =              T  

وهذا يمثل الفرق بين درجة حرارة الماء بين قمة الشلال وقاعه

50 )        Q = mC T       m = 50.0 g = 0.0500 kg.

                  = 0.0500 ×4180 ( 83.0 – 4.5 ) = 1.64×10 ⁴ J

51 )  Q = mC T  ⇒  C =      m = 5.00 ×10 ² g = 0.500 kg.

              =  = 1.00 ×  10³ J / kg.       

58 )     Q = mH_f   

                            =  20.0 × 3.34 ×10⁵ =  6.68 ×10 ⁶ J

59 )      Q = mH_v  ⇒  Hv =

                 m = 40.0 g = 0.0400 kg

                                    H_v  =    = 2.47 ×  10⁵ J /kg

64)     E_ff  = × 100  =  × 100 = 42%

               الحرارة الضائعة  التي ينتجها المحرك كل ثانية = 5300 −2200 = 2900 J                

65 )  U =  mC T ⇒  T =

                                           =   = 0.016

66) KE =  

     =  ( 1500) ( 25 )²  = 4.7 × 10⁷ J

        U  = KE =  mC T  ⇒  T =

        T   =  = 12  

67 )   Q = mC T

              = 1.0 × 4180 × 90 = 376 kJ

           m =      =   = 101 kg.   

نحاس

الومنيوم

68 )   m₁C₁    =  m₂C₂      ⇒   =   

           

كتلة قالب النحاس أكبر بـ 2.3 من كتلة قالب الألمونيوم

التغير في الطاقة الداخلية للقالب                                                                                            U =  mC T 69 )

              = 0.70 × 385 ×0.20 = 54 J      

الطاقة  الحركية للقالبين قبل التصادم = التغير في الطاقة الداخلية =

  U = 54J  = 2 ×  ⇒  =

=  = 154.28                  v = 12.4 m/s

70 ) KE =  ( 0.50 ) ²  −  (2.5 )² = − 6.6 J

 m =     =     = kg.    

         مقدار الطاقة الحرارية الإضافية في كل ساعة :-                                    72 )  U = 30.0 J /s ×3600 = 1.08 × 10⁵ J

مقدار العرق الذي يجب أن يتبخر                                                                m =

                    =  = 0.0478 kg

الطاقة الحرارية الكلية التي يمتصها الماء                                                                73 ) U =  mC T

               = 0.50 × 4180 ×2.3 = 4.8 kJ.

طاقة الربط لكل جزئ = الطاقة الكلية / عدد الجزيئات

     =   = 4.8 × 10⁻¹⁹  J /molecule 

77 ) W = mgh

         =  180 × 9.8 × 1.95 = 3.4 × 10³ J

                                           ***************************

عمل الطالبة : سارة البليهد.