بيسان
31-07-2007, 08:20 PM
علم الديناميكا الحرارية هو علم تجريبي يهتم بدراسة كل ما هو متعلق بدرجة الحرارة والطاقة الحرارية. يستخدم علم الديناميكا الحرارية في التطبيقات الهندسية في تصميم المحركات ومولدات الطاقة الكهربية وأجهزة التبريد والتكييف ويدخل هذا العلم في التطبيقات الصناعية المختلفة.
مصطلحات هامة في علم الديناميكا الحرارية
كل علم من العلوم وكل تخصص من التخصصات له مفاهيمه الأساسية وهذه المفاهيم هي اللغة التي سنستخدمها لشرح مواضيع هذا العلم ومن هذه المصطلحات ما يلي:
النظام ٍ Systme:
هو الجزء المحدد من المادة والتي توجه إليه الدراسة.
المحيط Surrounding:
هو الجزء الذي يحيط بالـ system ويتبادل معه الطاقة ويمكن أن يكون حقيقي أو وهمي.
الكون Universe:
هو كلا من الـ system و الـ surrounding
العملية Process:
هي أي تغير يحدث على النظام ويحدث تغيير في الضغط أو درجة الحرارة أو الحجم (الإحداثيات الثيرموديناميكية).
Isothermal process
هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت درجة حرارة ثابتة.
Isobaric process
هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت ضغط ثابت.
Isochoric process
هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت حجم ثابت
Adiabatic process
هي العملية التي لا يكون فيها تغيير في كمية الحرارة وتتم في نظام معزول أي لا يوجد انتقال حرارة من أو إلى النظام.
Irreversible process
هي العملية التي تكون فيها الإحداثيات الثيرموديناميكية غير متجانسة عند إجراء العملية.
Reversible process
هي العملية التي تكون فيها الإحداثيات الثيرموديناميكية متجانسة عند إجراء العملية.
Thermal Contact
الاتصال الحراري يكون بين جسمين إذا كان من الممكن أن يتبادلا الطاقة الحرارية بدون بذل شغل.
Thermal Equilibrium
الاتزان الحراري بين جسمين يحدث إذا كان بينهما اتصال حراري وكذلك يكون صافي التبادل الحراري بينهما يساوي صفر.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=732&stc=1
القانون الصفري للديناميكا الحرارية The zeroth law of thermodynamics
Experimentally it was found that when two body A and B are each in thermal equilibrium with a third body C then A and B are also in thermal equilibrium
ومعنى ذلك أنه إذا وجد جسمين معزولين وكلاً منهما في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث فإن ذلك يؤدي إلى أن الجسمين أيضا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. وسمي بالقانون الصفري للديناميكا الحرارية لأنه من المسلمات البديهية ويعتبر هذا القانون الأساس لفكرة الثيرمومتر المستخدم لقياس درجات الحرارة.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=733&stc=1
الثيرمومتر ومقياس درجات الحرارة Thermometer and temperature scale
الثيرموميتر هو أداة تستخدم لقياس درجات الحرارة، والثيرمومتر يعمل من خلال تغير احد الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة مثل خاصية تمدد الاجسام مع زيادة درجة الحرارة وتغير الضغط أو مقاومة السلك الكهربي بتغير درجات الحرارة. وفيما يلي نذكر الأنواع المختلفة للثرمومتر.
Type of thermometer ------------------- Materia ---------------------------- Physical property
(1) Liquid thermometer ---------- Mercury or Alcohol ---------------------- Change in length
(2) Gas Thermometer ------------------ Hydrogen ----------------------- Change in pressure
(3) Resistance thermometer ----------- Platinum ---------------------- Change in resistance
(4) Thermocouple thermometer ----- Chromel and Alumel ----- Change in electric potintial
(5) Radiation Thermometer -------------- Pyrometer ------------ Change in radiation colour
(6) Magnetic thermometer -------------------------------------------- Change in susceptibility
من الجدول السابق نجد أنه يمكن تصميم عدة أنواع من مقاييس درجات الحرارة بالاعتماد على تغير الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة. ولعمل ذلك يمكن أن يكون هناك تدريج محدد لقياس درجة الحرارة حيث أن كل خاصية فيزيائية مما سبق تتغير بعلاقة محددة مع تغير درجة الحرارة وبالتالي يكون في النوع الأول من مقياس درجة الحرارة حيث تتمدد مادة الزئبق بزيادة درجة الحرارة أو ازدياد الضغط أو المقاومة بزيادة درجة الحرارة كما في النوعين الثاني والثالث في الجدول أعلاه، ولهذا لابد من إيجاد مقياس أو تدريج يعبر عن درجة الحرارة بغض النظر عن تغير الخاصية الفيزيائية ممن هذه التدريجات المقياس المئوي أو مقياس الفهرنهايت أو المقياس المطلق.
المقياس المئوي Celsius scale:
يعتمد هذا التدريج لقياس درجة الحرارة على نقطة تحول الماء من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية وهي درجة الانصهار وهي درجة الصفر, ونقطة التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية وهي درجة الغليان للماء وهي درجة 100.
المقياس الفهرنهايتي Fahrenheit scale:
يعتمد هذا التدريج لقياس درجة الحرارة على نقطة تحول الماء أيضا ولكن تم اعتبار درجة الانصهار هي درجة 32 بدلاً من الصفر، ودرجة الغليان للماء وهي درجة 212 بدلاً من 100.
ML/NI = (C-0)/(100-0) = (F-32)/(212-32
(C/100 = (F-32)/180
F = (9/5) C +32
المقياس المطلق Kelvin scale:
مما سبق نجد أن كلا التدريجين اعتمدا على نوع مادة السائل وهو الماء حيث تم اعتبار نقطة الانصهار ونقطة الغليان كأساس للتدريج، وحيث أن هاتين النقطتين تعتمدان على الضغط وعدد من العوامل الأخرى لذا فإننا بحاجة إلى تدريج مطلق لا يعتمد على طبيعة المادة وهذا ما قام به العالم كلفن في تحديد تدريج مطلق لدرجة الحرارة.
قام العالم كلفن باستخدام الصيرمومتر المعتمد على التغير في الضغط Gas thermometer ودرس العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة، وذلك لأكثر من غاز ووجد أن جميع الغازات يقل ضغطها بنقصان درجة الحرارة وأن الضغط يصبح صفر نظرياً (أي عند مد المنحنيات كما في الشكل على استقامتها) عند درجة حرارة وقدرها -273. وقد تم اعتبار هذه الدرجة هي الصفر المطلق وأنها لا تتغير بتغير نوع الغاز وعليه تم معايرة باقي التدريجات الأخرى بالنسبة للصفر المطلق.
وعليه فإن العلاقة بين التدريج المئوي والتدريج المطلق هي:
Tc = T-273
تمرين:
ما هي درجة الحرارة التي عندها يتساوى التدريج المئوي والتدريج الفهرنهايتي.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=734&stc=1
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=735&stc=1
الغاز المثالي Ideal Gas
الغاز المثالي هو الغاز (بغض النظر عن نوعه) والذي تنطبق عليه الشروط التالية:
(1) حجم جزيئات الغاز مهملة بالنسبة للوعاء الذي يحتويه أي تحت ضغط منخفض.
(2) التصادمات بين جزيئات الغاز تصادمات مرنة.
(3) حركة جزيئات الغاز حركة عشوائية دون مؤثرات خارجية.
لهذا فإن الغازات الموجودة عند درجة حرارة الغرفة وتحت ضغط يساوي الضغط الجوي تعتبر غازات تتصرف كغاز مثالي؟
لا شك أن الغز المثالي لا وجود له في الطبيعة ولكن في علم الفيزياء يتم وضع مثل هذه الفروض لتسهيل دراسة تأثير المتغيرات الفيزيائية في حالة ظروف مثالية لتسهيل المعادلات الرياضية والوصول إلى علاقات رياضية تحكم تصرف الغاز المثالي ثم يتم مقارنتها مع الغاز الحقيقي. والمتغيرات الفيزيائية هنا هي درجة الحرارة والحجم والضغط، ولدراسة العلاقة بين هذه المتغيرات على الغاز المثالي سنقوم بتثبيت متغير واحد ودراسة العلاقة بين المتغيرين الآخرين، وهذا ما قام به العالمان بويل Boyle وتشارل Charle.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=740&stc=1
من المعلوم أنه عند وضع جسمين عند درجات حرارة مختلفة بينهما اتصال حراري فإن الحرارة تنتقل من الجسم الأعلى درجة حرارة إلى الجسم الأقل درجة حرارة، ويسمى هذا تدفق حراري heat flow ويستمر حتى يصل الجسمين إلى نفس درجة الحرارة وعندها يكونا في حالة اتزان حراري Thermal Equilibrium.
حاول العلماء تفسير ظاهرة التدفق الحراري بافتراض جسيمات غير مرئية تدعى الكلوريك Caloric، تعمل على نقل الحرارة بين الأجسام. ولكن كان هذا الافتراض غير صحيح حيث لا يمكن تفسير العديد من الظواهر الحرارية مثل عدم تغير درجة الحرارة عند حالة التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية مثل غليان الماء، ولكن العالم جول Joule اثبت بالتجربة العملية أن التدفق الحراري ما هو إلا انتقال للطاقة وأن الحرارة صورة من صور الطاقة.
The word of '' heat flow'' is an energy transfer that take place as a consequence of temperature difference only.
أي أن التدفق الحراري هو انتقال الطاقة الناتج عن اختلاف درجات الحرارة.
ودرجة الحرارة ما هي إلا مقياس للطاقة الداخلية للمادة وكلما زادت درجة الحرارة زادت الطاقة الداخلية أي زادت الطاقة الحركية لجزيئاته.
The unit of heat is ''calorie'' which is defined as the amount of heat (energy) required to raise the temperature of 1g of water from 14.5oC to 15oC.
وبعد أن اثبت العالم جول أن الحرارة هي طاقة فيمكن التعبير عن وحدة الحرارة بالجول وقد اثبت عملياً أن:
1cal = 4.186J or 1J = 0.2389cal
The mechanical *****alent of heat
قام العالم جول بتصميم التجربة الموضحة في الشكل التالي والتي اثبت فيها أن الطاقة الميكانيكية تتحول إلى حرارة وان الحرارة ما هي إلا صورة من صور الطاقة ويمكن تحويلها من صورة إلى أخرى.
تعتمد التجربة على قياس التغير في طاقة الوضع للأثقال التي تحرك المروحة داخل الإناء المعزول والتي ينتج عنها ارتفاع في درجة الحرارة، وبدراسة التغير في طاقة الوضع mgh مع ارتفاع درجة حرارة الماء في الإناء يمكن إيجاد علاقة تناسب طردي بينهما ووجد أن ثابت التناسب..
The proportionality constant = 4.186 J/Kg.Co
Therefore 1cal = 4.186J
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=738&stc=1
السعة الحرارية والسعة الحرارية النوعية
The heat capacity is defined as the amount of heat energy needed to raise the temperature of a sample by 1 degree celsius.
Therefore the quantity of heat added to a substance is equal to the change in temperature
Q = C DT
The heat capacity of any object is proportional to its mass.
c = C/m
where c is called the specific heat.
يوضح الجدول التالي السعة الحرارية لبعض المواد عند درجة حرارة 25 درجة مئوية وعند الضغط الجوي.
Al 900J/kg.Co wood 1700J/kg.Co
Cu 387J/kg.Co glass 837J/kg.Co
Ag 129J/kg.Co water 4186J/kg.Co
Pb 128J/kg.Co ice 2090J/kg.Co
نلاحظ أن الماء له اكبر سعة حرارية نوعية بحيث أنه يلزم 4186 جول لرفع درجة حرارة 1 كيلوجرام من الماء درجة مئوية واحدة بينما يلزم 900 جول من الحرارة للألمنيوم.
we can now express the heat energy Q transferred between a substance of mass m and its surrounding for a temperature change Tf-Ti=DT as
Q = m c DT
من هذه المعادلة يتضح أنه عندما تكتسب المادة حرارة فإن كلا من كمية الحرارة والتغير في درجة الحرارة يكون موجباً، وعندما تفقد المادة حرارة فإن التغير في درجة الحرارة يكون بالسالب وتكون كمية الحرارة سالبة.
Example
A 0.05kg of ****l is heated to 200oC and then dropped into a beaker containing 0.4kg of water initially at 20oC. If the final equilibrium temperature of the mixed system is 22.4oC find the specific heat of the ****l. What is the total heat transferred to water in cooling the ****l?
Solution
يعتبر هذا المثال بمثابة تجربة عملية لتعيين السعة الحرارية للمواد وهنا قمنا بتسخين المعدن إلى درجة حرارة 200 درجة مئوية وأسقطت في كمية من الماء ذات كتلة محددة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ولتصبح درجة حرارة المعدن والماء 22.4 درجة مئوية. وبالتالي فإن الحرارة المفقودة بواسطة المعدن تساوي الحرارة المكتسبة بواسطة الماء.
Heat lost by the ****l = heat gained by water
mx cx (Ti-Tf) = mw cw (Tf-Ti)
(0.05Kg) cx (200oC-22.4oC) = (0.4kg)(4186J/kg.Co)(22.4oC-20oC)
cx = 453J/kg.Co
(b) Q = m c (Ti-Tf) = 0.05 ´ 453 ´ (200-22.4) = 4020J
Example
A man fires a silver bullet of mass 2g with a velocity of 200m/sec into a wall. What is the temperature change of the bullet?
Solution
تكتسب الرصاصة طاقة حركة تتحول إلى حرارة عند اصطدامها بالجدار وبهذا يتضح أن الحرارة صورة من صور الطاقة.
The kinetic energy of the bullet Ek = 1/2 m v2 = 40J
Q = m c DT
where c for silver is 234Jkg.Co
DT = Q/mc = 85.5Co
الحرارة الكامنة Latent heat
وجدنا في الموضوع السابق أنه عند التسخين أي تزويد المادة بحرارة فإن القانون السابق Q = m c DT يشير إلى أن هناك تغير موجب في درجة الحرارة او تغير سالب إذا فقد الجسم حرارة، أي انه دائما يكون هناك تغيير في درجة الحرارة مع الانتقال الحراري ولكن هذا ليس صحيحاً في جميع الحالات حيث أن درجة الحرارة تثبت عندما تتحول حالة المادة من صورة إلى إلى أخرى مثل الماء إلى بخار الماء حيث تثبت درجة الحرارة عند 100 درجة مئوية عند الضغط الجوي وتسمى درجة الغليان. وهذا يعني أن كمية الحرارة التي يكتسبها الجسم لا تزيد من درجة حرارته بل تقوم على تحويل حالته Phase change.
Solid º Liquid....... melting
Liquid º gas........ boiling
The heat or energy required to change the phase of a given mass m of a substance is given by
Q = m L
where L is called the latent heat (hidden heat) of substance
Note that there are two latent heat for any substance on for the melting called latent heat of fusion Lf (Solid º Liquid) and the other is for the boiling called the latent heat of vaporization Lv (Liquid º gas)
Always Lv > Lf
وذلك لأن الشغل اللازم لتحويل السائل إلى غاز (المسافة بين جزيئات الغاز أكثر تباعداً من السائل) أكبر من الشغل اللازم لتحويل الصلب إلى سائل حيث المسافة بين جزيئات الصلب والسائل متقاربة.
ملاحظة:
عند التعامل مع مسائل من هذا النوع يجب الانتباه إلى درجات الحرارة المعطاة في المسألة لأن الحل يعتمد على هل المادة مرت في تغير في حالتها أم لا.
Example
What is the heat required to convert a 1g of ice at -30oC to steam at 120oC? where cice=2090J/kg.Co, Cw=4286J/kg.Co, Csteam=2000J/kg.Co, Lf=333000J/kg, and Lv=2260000J/kg.
Solution
لإيجاد كمية الحرارة المطلوبة لتحويل الثلج إلى ماء ومن ثم إلى بخار يلزم أن نحسب أولا كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة الثلج من -30 إلى صفر ثم نحسب كمية الحرارة اللازمة لتحول الثلج إلى ماء عند درجة صفر، ثم حساب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء من صفر إلى 100 درجة، ثم نحسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل الماء إلى بخار عند درجة حرارة 100, ثم كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة البخار من 100 إلى 120 درجة. الشكل التالي يوضح العلاقة بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة.
Part A ice from -30oC to 0oC
Q = mice cice DT = 62.7J
Part B ice to water + ice at 0oC
Q = m Lf = 333J
Part C water from 0oC to 100oC
Q = mw cw DT = 419J
Part D water to water + steam at 100oC
Q = m Lv = 2260J
Part E steam from 100oC to 120oC
Q = msteam csteam DT = 40.2J
The total energy = 62.7 + 333 + 419 + 2260 + 40.2 = 3110J
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=739&stc=1
مصطلحات هامة في علم الديناميكا الحرارية
كل علم من العلوم وكل تخصص من التخصصات له مفاهيمه الأساسية وهذه المفاهيم هي اللغة التي سنستخدمها لشرح مواضيع هذا العلم ومن هذه المصطلحات ما يلي:
النظام ٍ Systme:
هو الجزء المحدد من المادة والتي توجه إليه الدراسة.
المحيط Surrounding:
هو الجزء الذي يحيط بالـ system ويتبادل معه الطاقة ويمكن أن يكون حقيقي أو وهمي.
الكون Universe:
هو كلا من الـ system و الـ surrounding
العملية Process:
هي أي تغير يحدث على النظام ويحدث تغيير في الضغط أو درجة الحرارة أو الحجم (الإحداثيات الثيرموديناميكية).
Isothermal process
هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت درجة حرارة ثابتة.
Isobaric process
هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت ضغط ثابت.
Isochoric process
هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت حجم ثابت
Adiabatic process
هي العملية التي لا يكون فيها تغيير في كمية الحرارة وتتم في نظام معزول أي لا يوجد انتقال حرارة من أو إلى النظام.
Irreversible process
هي العملية التي تكون فيها الإحداثيات الثيرموديناميكية غير متجانسة عند إجراء العملية.
Reversible process
هي العملية التي تكون فيها الإحداثيات الثيرموديناميكية متجانسة عند إجراء العملية.
Thermal Contact
الاتصال الحراري يكون بين جسمين إذا كان من الممكن أن يتبادلا الطاقة الحرارية بدون بذل شغل.
Thermal Equilibrium
الاتزان الحراري بين جسمين يحدث إذا كان بينهما اتصال حراري وكذلك يكون صافي التبادل الحراري بينهما يساوي صفر.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=732&stc=1
القانون الصفري للديناميكا الحرارية The zeroth law of thermodynamics
Experimentally it was found that when two body A and B are each in thermal equilibrium with a third body C then A and B are also in thermal equilibrium
ومعنى ذلك أنه إذا وجد جسمين معزولين وكلاً منهما في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث فإن ذلك يؤدي إلى أن الجسمين أيضا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. وسمي بالقانون الصفري للديناميكا الحرارية لأنه من المسلمات البديهية ويعتبر هذا القانون الأساس لفكرة الثيرمومتر المستخدم لقياس درجات الحرارة.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=733&stc=1
الثيرمومتر ومقياس درجات الحرارة Thermometer and temperature scale
الثيرموميتر هو أداة تستخدم لقياس درجات الحرارة، والثيرمومتر يعمل من خلال تغير احد الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة مثل خاصية تمدد الاجسام مع زيادة درجة الحرارة وتغير الضغط أو مقاومة السلك الكهربي بتغير درجات الحرارة. وفيما يلي نذكر الأنواع المختلفة للثرمومتر.
Type of thermometer ------------------- Materia ---------------------------- Physical property
(1) Liquid thermometer ---------- Mercury or Alcohol ---------------------- Change in length
(2) Gas Thermometer ------------------ Hydrogen ----------------------- Change in pressure
(3) Resistance thermometer ----------- Platinum ---------------------- Change in resistance
(4) Thermocouple thermometer ----- Chromel and Alumel ----- Change in electric potintial
(5) Radiation Thermometer -------------- Pyrometer ------------ Change in radiation colour
(6) Magnetic thermometer -------------------------------------------- Change in susceptibility
من الجدول السابق نجد أنه يمكن تصميم عدة أنواع من مقاييس درجات الحرارة بالاعتماد على تغير الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة. ولعمل ذلك يمكن أن يكون هناك تدريج محدد لقياس درجة الحرارة حيث أن كل خاصية فيزيائية مما سبق تتغير بعلاقة محددة مع تغير درجة الحرارة وبالتالي يكون في النوع الأول من مقياس درجة الحرارة حيث تتمدد مادة الزئبق بزيادة درجة الحرارة أو ازدياد الضغط أو المقاومة بزيادة درجة الحرارة كما في النوعين الثاني والثالث في الجدول أعلاه، ولهذا لابد من إيجاد مقياس أو تدريج يعبر عن درجة الحرارة بغض النظر عن تغير الخاصية الفيزيائية ممن هذه التدريجات المقياس المئوي أو مقياس الفهرنهايت أو المقياس المطلق.
المقياس المئوي Celsius scale:
يعتمد هذا التدريج لقياس درجة الحرارة على نقطة تحول الماء من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية وهي درجة الانصهار وهي درجة الصفر, ونقطة التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية وهي درجة الغليان للماء وهي درجة 100.
المقياس الفهرنهايتي Fahrenheit scale:
يعتمد هذا التدريج لقياس درجة الحرارة على نقطة تحول الماء أيضا ولكن تم اعتبار درجة الانصهار هي درجة 32 بدلاً من الصفر، ودرجة الغليان للماء وهي درجة 212 بدلاً من 100.
ML/NI = (C-0)/(100-0) = (F-32)/(212-32
(C/100 = (F-32)/180
F = (9/5) C +32
المقياس المطلق Kelvin scale:
مما سبق نجد أن كلا التدريجين اعتمدا على نوع مادة السائل وهو الماء حيث تم اعتبار نقطة الانصهار ونقطة الغليان كأساس للتدريج، وحيث أن هاتين النقطتين تعتمدان على الضغط وعدد من العوامل الأخرى لذا فإننا بحاجة إلى تدريج مطلق لا يعتمد على طبيعة المادة وهذا ما قام به العالم كلفن في تحديد تدريج مطلق لدرجة الحرارة.
قام العالم كلفن باستخدام الصيرمومتر المعتمد على التغير في الضغط Gas thermometer ودرس العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة، وذلك لأكثر من غاز ووجد أن جميع الغازات يقل ضغطها بنقصان درجة الحرارة وأن الضغط يصبح صفر نظرياً (أي عند مد المنحنيات كما في الشكل على استقامتها) عند درجة حرارة وقدرها -273. وقد تم اعتبار هذه الدرجة هي الصفر المطلق وأنها لا تتغير بتغير نوع الغاز وعليه تم معايرة باقي التدريجات الأخرى بالنسبة للصفر المطلق.
وعليه فإن العلاقة بين التدريج المئوي والتدريج المطلق هي:
Tc = T-273
تمرين:
ما هي درجة الحرارة التي عندها يتساوى التدريج المئوي والتدريج الفهرنهايتي.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=734&stc=1
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=735&stc=1
الغاز المثالي Ideal Gas
الغاز المثالي هو الغاز (بغض النظر عن نوعه) والذي تنطبق عليه الشروط التالية:
(1) حجم جزيئات الغاز مهملة بالنسبة للوعاء الذي يحتويه أي تحت ضغط منخفض.
(2) التصادمات بين جزيئات الغاز تصادمات مرنة.
(3) حركة جزيئات الغاز حركة عشوائية دون مؤثرات خارجية.
لهذا فإن الغازات الموجودة عند درجة حرارة الغرفة وتحت ضغط يساوي الضغط الجوي تعتبر غازات تتصرف كغاز مثالي؟
لا شك أن الغز المثالي لا وجود له في الطبيعة ولكن في علم الفيزياء يتم وضع مثل هذه الفروض لتسهيل دراسة تأثير المتغيرات الفيزيائية في حالة ظروف مثالية لتسهيل المعادلات الرياضية والوصول إلى علاقات رياضية تحكم تصرف الغاز المثالي ثم يتم مقارنتها مع الغاز الحقيقي. والمتغيرات الفيزيائية هنا هي درجة الحرارة والحجم والضغط، ولدراسة العلاقة بين هذه المتغيرات على الغاز المثالي سنقوم بتثبيت متغير واحد ودراسة العلاقة بين المتغيرين الآخرين، وهذا ما قام به العالمان بويل Boyle وتشارل Charle.
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=740&stc=1
من المعلوم أنه عند وضع جسمين عند درجات حرارة مختلفة بينهما اتصال حراري فإن الحرارة تنتقل من الجسم الأعلى درجة حرارة إلى الجسم الأقل درجة حرارة، ويسمى هذا تدفق حراري heat flow ويستمر حتى يصل الجسمين إلى نفس درجة الحرارة وعندها يكونا في حالة اتزان حراري Thermal Equilibrium.
حاول العلماء تفسير ظاهرة التدفق الحراري بافتراض جسيمات غير مرئية تدعى الكلوريك Caloric، تعمل على نقل الحرارة بين الأجسام. ولكن كان هذا الافتراض غير صحيح حيث لا يمكن تفسير العديد من الظواهر الحرارية مثل عدم تغير درجة الحرارة عند حالة التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية مثل غليان الماء، ولكن العالم جول Joule اثبت بالتجربة العملية أن التدفق الحراري ما هو إلا انتقال للطاقة وأن الحرارة صورة من صور الطاقة.
The word of '' heat flow'' is an energy transfer that take place as a consequence of temperature difference only.
أي أن التدفق الحراري هو انتقال الطاقة الناتج عن اختلاف درجات الحرارة.
ودرجة الحرارة ما هي إلا مقياس للطاقة الداخلية للمادة وكلما زادت درجة الحرارة زادت الطاقة الداخلية أي زادت الطاقة الحركية لجزيئاته.
The unit of heat is ''calorie'' which is defined as the amount of heat (energy) required to raise the temperature of 1g of water from 14.5oC to 15oC.
وبعد أن اثبت العالم جول أن الحرارة هي طاقة فيمكن التعبير عن وحدة الحرارة بالجول وقد اثبت عملياً أن:
1cal = 4.186J or 1J = 0.2389cal
The mechanical *****alent of heat
قام العالم جول بتصميم التجربة الموضحة في الشكل التالي والتي اثبت فيها أن الطاقة الميكانيكية تتحول إلى حرارة وان الحرارة ما هي إلا صورة من صور الطاقة ويمكن تحويلها من صورة إلى أخرى.
تعتمد التجربة على قياس التغير في طاقة الوضع للأثقال التي تحرك المروحة داخل الإناء المعزول والتي ينتج عنها ارتفاع في درجة الحرارة، وبدراسة التغير في طاقة الوضع mgh مع ارتفاع درجة حرارة الماء في الإناء يمكن إيجاد علاقة تناسب طردي بينهما ووجد أن ثابت التناسب..
The proportionality constant = 4.186 J/Kg.Co
Therefore 1cal = 4.186J
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=738&stc=1
السعة الحرارية والسعة الحرارية النوعية
The heat capacity is defined as the amount of heat energy needed to raise the temperature of a sample by 1 degree celsius.
Therefore the quantity of heat added to a substance is equal to the change in temperature
Q = C DT
The heat capacity of any object is proportional to its mass.
c = C/m
where c is called the specific heat.
يوضح الجدول التالي السعة الحرارية لبعض المواد عند درجة حرارة 25 درجة مئوية وعند الضغط الجوي.
Al 900J/kg.Co wood 1700J/kg.Co
Cu 387J/kg.Co glass 837J/kg.Co
Ag 129J/kg.Co water 4186J/kg.Co
Pb 128J/kg.Co ice 2090J/kg.Co
نلاحظ أن الماء له اكبر سعة حرارية نوعية بحيث أنه يلزم 4186 جول لرفع درجة حرارة 1 كيلوجرام من الماء درجة مئوية واحدة بينما يلزم 900 جول من الحرارة للألمنيوم.
we can now express the heat energy Q transferred between a substance of mass m and its surrounding for a temperature change Tf-Ti=DT as
Q = m c DT
من هذه المعادلة يتضح أنه عندما تكتسب المادة حرارة فإن كلا من كمية الحرارة والتغير في درجة الحرارة يكون موجباً، وعندما تفقد المادة حرارة فإن التغير في درجة الحرارة يكون بالسالب وتكون كمية الحرارة سالبة.
Example
A 0.05kg of ****l is heated to 200oC and then dropped into a beaker containing 0.4kg of water initially at 20oC. If the final equilibrium temperature of the mixed system is 22.4oC find the specific heat of the ****l. What is the total heat transferred to water in cooling the ****l?
Solution
يعتبر هذا المثال بمثابة تجربة عملية لتعيين السعة الحرارية للمواد وهنا قمنا بتسخين المعدن إلى درجة حرارة 200 درجة مئوية وأسقطت في كمية من الماء ذات كتلة محددة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ولتصبح درجة حرارة المعدن والماء 22.4 درجة مئوية. وبالتالي فإن الحرارة المفقودة بواسطة المعدن تساوي الحرارة المكتسبة بواسطة الماء.
Heat lost by the ****l = heat gained by water
mx cx (Ti-Tf) = mw cw (Tf-Ti)
(0.05Kg) cx (200oC-22.4oC) = (0.4kg)(4186J/kg.Co)(22.4oC-20oC)
cx = 453J/kg.Co
(b) Q = m c (Ti-Tf) = 0.05 ´ 453 ´ (200-22.4) = 4020J
Example
A man fires a silver bullet of mass 2g with a velocity of 200m/sec into a wall. What is the temperature change of the bullet?
Solution
تكتسب الرصاصة طاقة حركة تتحول إلى حرارة عند اصطدامها بالجدار وبهذا يتضح أن الحرارة صورة من صور الطاقة.
The kinetic energy of the bullet Ek = 1/2 m v2 = 40J
Q = m c DT
where c for silver is 234Jkg.Co
DT = Q/mc = 85.5Co
الحرارة الكامنة Latent heat
وجدنا في الموضوع السابق أنه عند التسخين أي تزويد المادة بحرارة فإن القانون السابق Q = m c DT يشير إلى أن هناك تغير موجب في درجة الحرارة او تغير سالب إذا فقد الجسم حرارة، أي انه دائما يكون هناك تغيير في درجة الحرارة مع الانتقال الحراري ولكن هذا ليس صحيحاً في جميع الحالات حيث أن درجة الحرارة تثبت عندما تتحول حالة المادة من صورة إلى إلى أخرى مثل الماء إلى بخار الماء حيث تثبت درجة الحرارة عند 100 درجة مئوية عند الضغط الجوي وتسمى درجة الغليان. وهذا يعني أن كمية الحرارة التي يكتسبها الجسم لا تزيد من درجة حرارته بل تقوم على تحويل حالته Phase change.
Solid º Liquid....... melting
Liquid º gas........ boiling
The heat or energy required to change the phase of a given mass m of a substance is given by
Q = m L
where L is called the latent heat (hidden heat) of substance
Note that there are two latent heat for any substance on for the melting called latent heat of fusion Lf (Solid º Liquid) and the other is for the boiling called the latent heat of vaporization Lv (Liquid º gas)
Always Lv > Lf
وذلك لأن الشغل اللازم لتحويل السائل إلى غاز (المسافة بين جزيئات الغاز أكثر تباعداً من السائل) أكبر من الشغل اللازم لتحويل الصلب إلى سائل حيث المسافة بين جزيئات الصلب والسائل متقاربة.
ملاحظة:
عند التعامل مع مسائل من هذا النوع يجب الانتباه إلى درجات الحرارة المعطاة في المسألة لأن الحل يعتمد على هل المادة مرت في تغير في حالتها أم لا.
Example
What is the heat required to convert a 1g of ice at -30oC to steam at 120oC? where cice=2090J/kg.Co, Cw=4286J/kg.Co, Csteam=2000J/kg.Co, Lf=333000J/kg, and Lv=2260000J/kg.
Solution
لإيجاد كمية الحرارة المطلوبة لتحويل الثلج إلى ماء ومن ثم إلى بخار يلزم أن نحسب أولا كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة الثلج من -30 إلى صفر ثم نحسب كمية الحرارة اللازمة لتحول الثلج إلى ماء عند درجة صفر، ثم حساب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء من صفر إلى 100 درجة، ثم نحسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل الماء إلى بخار عند درجة حرارة 100, ثم كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة البخار من 100 إلى 120 درجة. الشكل التالي يوضح العلاقة بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة.
Part A ice from -30oC to 0oC
Q = mice cice DT = 62.7J
Part B ice to water + ice at 0oC
Q = m Lf = 333J
Part C water from 0oC to 100oC
Q = mw cw DT = 419J
Part D water to water + steam at 100oC
Q = m Lv = 2260J
Part E steam from 100oC to 120oC
Q = msteam csteam DT = 40.2J
The total energy = 62.7 + 333 + 419 + 2260 + 40.2 = 3110J
http://www.arabmeet.com/vb/attachment.php?attachmentid=739&stc=1