- 1 الحرارة ودرجة الحرارة

Transkript

1 GUEZOURI A Lycée Maraval Oran المستوى : السنة الثانية ثانوي الوحدة 04 الطاقة الداخلية ماذا يجب أن أعرف حتى أقول : إني استوعبت هذا الدرس يجب أن أفر ق بين الحرارة ودرجة الحرارة يجب أن أعرف مصدر الطاقة الداخلية لجملة يجب أن أعرف آيفية حساب التحويل الحراري عندما تتغير درجة حرارة الجملة بدون تغير حالتها الفيزياي ية يجب أن أعرف آيفية حساب التحويل الحراري عند تحو ل الحالة الفيزياي ية للمادة يجب أن أعرف أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن نحو الجسم البارد ولا تضيع الطاقة عند هذا التحو ل يجب أن أعرف معنى المكافي الماي ي لمسعر يجب أن أعرف أن السعة الحرارية الكتلية لمادة لا تتعلق بكتلة المادة أما السعة الحرارية تتعلق بالكتلة الحرارة ودرجة الحرارة الجملة لا تحتوي على الحرارة ولا على العمل الدرس بل الحرارة والعمل هما وسيلتان لانتقال الطاقة الحرارة ونقصد الطاقة التي اآتسبتها أو فقدتها عبر الوسيلة التي هي الحرارة خذ هذا المثال لكي تثب ت هذه الفكرة : نترك إناء تحت المطر لمدة معي نة ونسا ل هذا السو ال : آم من المطر يوجد في الا ناء آم يوجد من الماء في الا ناء لا ن المطر هي فقط الوسيلة التي نقلت الماء من السح ب إلى الا ناء - ي مكن لجملة أن تحو ل الحرارة بدون أن تتغي ر درجة حرارتها (مثلا ذوبان الجليد) - ي مكن أن تتغير درجة حرارة جملة بدون أن تتبادل الحرارة (مثلا تمد د غاز في إناء عازل للحرارة) الحرارة ودرجة الحرارة شيي ان مختلفان لكن مجازا نقول أن جملة تكتسب أو تفقد هذا السو ال ليس في محل ه بل يجب أن نقول : طاقة حرآية ناتجة عن حرآة الجملة في مرجع معي ن طاقة آامنة ناتجة عن التا ثيرات المتبادلة بين الجملة والوسط الخارجي 2 الطاقة الداخلية لجملة الطاقة الداخلية لجملة هي مجموع الطاقات المجهرية لهذه الجملة إن فعل قو ة في جملة لا يو د ي دوما إلى حرآة هذه الجملة بل ي مكن أن : - ي شو ه الجملة - ي غي ر ضغط الجملة - يغي ر درجة حرارة الجملة - يغي ر الحالة الفيزياي ية للجملة من الناحية العيانية 1

2 طاقة حرآية مجهرية ناتجة عن الحرآة العشواي ية لجسيمات المادة المكو نة للجملة من الناحية المجهرية طاقة آامنة مجهرية ناتجة عن التا ثيرات المتبادلة بين جسيمات المادة المكونة للجملة (الروابط الذرية والجزيي ية ( Et = Ec + Ep الطاقة الكلية لجملة هي + U حيث U هي الطاقة الداخلية الطاقة الداخلية لجملة تتناسب مع آمية مادة الجملة وهي غير قابلة للقياس لعدم توف ر مرجع ننسب له طاقة داخلية معدومة حيث يمكن فقط قياس التغ ير في الطاقة الداخلية ΔU آيف تتغي ر الطاقة الداخلية لجملة تتغي ر الطاقة الداخلية لجملة بواسطة تبادل العمل والحرارة وآمي ة المادة - خلط الماء بملعقة - إدخال قطعة معدنية ساخنة في ماء بارد - خلط الماء البارد مع الماء الساخن نزع الطاقة الداخلية لجملة معناه أن درجة حرارة الجملة تو ول إلى 0 K - 3 التحويلات الحرارية عندما تتبادل جملة الحرارة Q مع الوسط الخارجي تكون : > 0 Q عندما تتلقى الجملة الحرارة < 0 Q عندما تتخلى الجملة عن الحرارة - التحويل الحراري عندما لا تتغير الحالة الفيزياي ية للجملة عندما يكتسب جسم أو يفقد الحرارة وتتغي ر درجة حرارتها من إلى T 2 فا ن آمية هذه الحرارة تتناسب مع : T 1 آتلة الجسم m التغي ر في درجة الحرارة Δ T = T2 T1 ( ) Q = mc θ θ (2) 2 1 نوع المادة أو ( ) Q = mc T T (1) 2 1 وهي تتعلق بنوع مادة الجسم : c السعة الحرارية الكتلية وهي التي تمي ز نوع المادة (J) Joule Q : الوحدات : (kg) الكيلوغرام : M ( K ) : T 2, T 1 J kg 1 K 1 : c ( C) : 2 θ 2, θ 1

3 لا فرق بين استعمال العلاقة (1) أو (2) أي سواء عوضنا درجتي الحرارة بال K أو C لا ن الفرق هو نفسه في آلتا الحالتين تعريفا : K 1 C = 1 أي أن المسافة بين التدريجات آلها متساوية سواء في السلم الكلفيني أو المي وي O و O مثال بسيط : محور مدرج بال cm نعي ن عليه مبدأين فاصلة النقطة M في المحور x Ox وهذا يماثل أن قيمة درجة الحرارة ب تختلف عن فاصلتها في المحور x O x تختلف عن قيمتها ب C لكن أما المسافة 1 cm نع بر عن الجداء mc = C بالسعة الحرارية وهي تتعلق بكتلة الجسم ونوع مادته وت قاس ب 1 K J سو ال : في أية حالة تشعر بالدفء هل لما تجلس أمام قطعة من الا لمنيوم آتلتها 500 kg درجة حرارتها ودرجة حرارتها هي نفسها في آل محور 60 C C 400 أم عندما تجلس أمام إبرة بدون شك الكل يوافق على الاختيار الا ول ومن ذلك نستنتج أن آمية الحرارة لا تتعلق فقط بدرجة الحرارة وإنما آذلك بكتلة الجسم السعة الحرارية الكتلية تتعلق بنوع المادة فقط مهما آانت آتلتها لكن السعة الحرارية تتعلق بنوع المادة وآتلتها نعطي قيم السعة الحرارية الكتلية لبعض المواد مقاسة ب الا لمنيوم حيث kj kg 1 K 1 الجليد الماء ساي ل kj معناها آيلو جول المادة 1 kj = 1000 J : c O O x M 1 C = 1K 4,18 2,1 0,89 K x - التحويل الحراري عندما تتغير الحالة الفيزياي ية للمادة يمتص الجليد آمية من الحرارة وهو في الدرجة 0 C ويتحو ل إلى ساي ل مع المحافظة على درجة الحرارة نسم ي هذه الكمية من الحرارة التي امتصها حرارة تغيير الحالة الفيزياي ية تتناسب هذه الكمية من الحرارة مع آتلة الجليد Q = Lm حيث : L هي السعة الكتلية لتغيير الحالة الفيزياي ية Joule (J) : Q kg آتلة المادة : M J kg 1 : L طاقة التماسك هي الطاقة التي تقد مها أو تا خذها جملة لكي تتغير الحالة الفيزياي ية لها أي الطاقة اللازمة لتكوين أو انفصال الروابط بين جزيي ات المادة هذه الطاقة تكافي تحويلا حراريا قدره Q = L m نسمي : Q = L f m 3 L f L V السعة الكتلية للانصهار السعة الكتلية للتبخر مثلا الماء يبدأ التجمد في الدرجة 0 C بعد ما آان ساي لا ويبدأ الانصهار في الدرجة 0 C آذلك بعدما آان صلبا تحتاج آمية من الماء (m) إلى آمية حرارة قدرها Q لكي تنصهر أي Q = L f m نفس الكمية وهي ساي لة تحتاج إلى آمية حرارة Q لكي تتجمد أي ونفس الشيء بالنسبة للتبخر والتمييع باستعمال L v

4 4 طاقة التفاعل الكيمياي ي خلال تفاعل آيمياي ي تتحط م بعض الروابط بين ذرات المتفاعلات وتتشك ل روابط جديدة بين ذرات النواتج ليكن التفاعل التالي : A H + B OH H 2 O + A B نلاحظ أن الرابطتين بين H و A وبين B و OH انفصمتا لتكوين الرابطة بين A و B و الروابط في جزيء الماء لكي نحط م (نفصم) رابطة نحتاج على الا قل إلى طاقة هي طاقة الربط في جملة المتفاعلات نسم ي طاقة الربط الطاقة اللازمة لكي نحطم الروابط في 1 mol من الجزيي ات AB إلى الذرتين A و B مثلا : 193 kj mol طاقة تماسك قدرها 1 Br ويملك البروم 436 kj mol 1 2 يملك غاز الهيدروجين H 2 طاقة تماسك قدرها ومنه جزيء الهيدروجين أآثر استقرارا من جزيء البروم جملة المتفاعلات تملك طاقة جملة النواتج تملك طاقة U 1 U 2 يكون التفاعل ماصا للحرارة من الوسط الخارجي > 0 1 U 2 U إذا آان يكون التفاعل ناشرا للحرارة للوسط الخارجي < 0 1 U 2 U إذا آان - 5 المسعر المسعر هو إناء مج هز بحيث أن محتواه لا يتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي نسم ي المخلاط والمحرار لواحق المسعر ونعطي لهذه الجملة أي (المسعر + المخلاط + المحرار ( سعة حرارية آتلية واحدة نسميها السعة الحرارية الكتلية للمسعر مع لواحقه إذا آان المسعر يحتوي على مقاومة مسخنة ت ضاف هذه الا خيرة للواحق المسعر المكافي الماي ي للمسعر نضع مثلا آمية من الماء داخل مسعر درجة حرارتها T 1 يصبح للمسعر ولواحقه والماء الموجود فيه نفس درجة الحرارة وعندما يتم التوازن الحراري فلكي نحسب التحويل الحراري T 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 للمسعر هذه الكمية من الماء نرمز لها ب وبالتالي تصبح السعة الكتلية للمسعر وحدتها μ kg حيث c C = μ c المكافي الماي ي هي السعة الحرارية الكتلية للماء وهو ساي ل مسعر مع لواحقه 4

5 تطبيق : احسب آمية الحرارة التي تحول قطعة من الجليد آتلتها m = 1 kg في درجة الحرارة T 1 = 20 C إلى درجة التب خر التام T 2 = 100 C المعطيات : c v (الماء بخار) c (الماء ساي ل) c s (الجليد) L f L v 2, J kg 1 K J kg 1 K J kg 1 K 1 3, J kg 1 2, J kg 1 الحل (1) 4 Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q آمية الحرارة اللازمة هي : هي آمية الحرارة التي تنقل آمية الجليد من 20 C إلى 0 C دون أن تبدأ في الانصهار هي آمية الحرارة التي ت حو ل آمية الجليد إلى ساي ل في درجة ثابتة (تغيير الحالة الفيزياي ية) هي آمية الحرارة التي تنقل آمية الماء الساي ل من 0 C إلى 100 C بدون أن يتحول إلى بخار هي آمية الحرارة التي تجعل آمية الماء تتبخ ر في درجة حرارة ثابتة (C 100) Q 1 = m c s (0 T 1 ) = 1 2, (0 + 20) = J Q 2 = L f m = 3, = 3, J Q = ( 100 0) 4, = m c (T 2 0) J Q 4 = L v m = 2, = 2, بالتعويض في (1) : Q = ( ) 10 3 Q = 3092 kj Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 5