الحرارة

جامعة بابل - كلية التربية الاساسية – قسم العلوم – محاضرات الحرارة - للمرحلة الثانية – للعام الدراسي 2017_2018 م . م سفير عبد الكريم عبد الرحيم
المحاضرة الرابعة من ( 1 – 7 )
النظام الثرموديناميكي
هو كمية محدودة وثابتة من المادة داخل حيز محدود محاطة بغلاف(envelope ), يراد دراسة سلوكها. قد يكون النظام حقيقي او مثالي . الحقيقي هو كمية من المادة كغاز محصور بمكبس داخل اسطوانة. اما الثاني فهو نظام نظري لتسهيل المسائل الثرموديناميكة، وهو غير موجود في
الطبيعة , أي نظام افتراضي
يحاط النظام بحدود (Boundary) , قد تكون حقيقية ثابتة كجدران الاسطوانة والمكبس، او قد تكون الحدود وهمية متغيرة كالدخان المتحرك في الجو، او انضغاط او تمدد كمية من الغاز، حيث ينتقل الشغل والحرارة عبر الحدود . وكل ما يقع خارج حدود النظام هو المحيط (Surroundings) له تأثير مباشر في سلوك النظام، لانه يتبادل الطاقة معه، وبالتالي قد يتأثر بالتغيرات الحاصلة داخل النظام . ربما يشكل المحيط نفسه نظامًا آخر.
لحدود النظام خواص معينة تسمح او لا تسمح بتبادل الطاقة او المادة مع المحيط , الوسط المحيط وهو الحيز المحيط بالنظام والذي يتأثر بالتغيرات التي تتم داخل النظام .لذلك تصنف الانظمة الى الانواع الآتية:
أ- النظام المغلق (غير المعزول) Closed System
هو النظام الذي لا تسمح حدوده بأنتقال المادة داخل النظام، أي تبقى الكتلة ثابتة، لذلك يسمى بنظام الكتلة المحددة. ولكن يتم انتقال الطاقة(شغل او حرار ة) عبر الحدود فقط, كغاز محصور بمكبس داخل اسطوانة . او كالمرجل البخاري في اثناء فترة بداية التشغيل للحصول على ضغط معين للبخار.


ب - النظام المعزول Isolated System
لا تسمح حدوده بانتقال المادة او ألطاقة أي يبقى مجموع الطاقة فيه ثابتاً , لكونه لا يتأثر بالوسط المحيط . مثال الترمس الموضوع بداخله ماء بارد او ساخن.
ج- النظام المفتوح Open System
هو النظام الذي تسمح حدوده بأنتقال المادة والطاقة (شغل او حرار ة) بعملية جريا نية. يسمى بنظام الحجم المحدد كالماء في المرجل حيث يمتص حرارة ويفقد جزء من كتلته خلال التبخر . خليط الغازات في اسطوانة محرك احتراق داخلي يتخلص من الحرارة والغازات من خلال العاد م . ان المادة يمكن ان تدخل او تخرج من خلال فتحات , اما الطاقة فتنتقل عبر الحدود.
اذا كانت الكتلة بوحدة الزمن الداخلة والخارجة متساوية فإنها تبقى ثابتة وتسمى بعملية الجريان المستقر كما في التوربين او ضاغط الهواء.
د- انظمة اخرى
وهناك انظمة اخرى كالنظام الاديباتي الذي تنتقل فيه الكتلة والطاقة ما عدا الطاقة الحرارية تكون قيمتها صفر مثل التوربين البخاري المعزول التام . وهناك انظمة نصف مفتوحة تسمح بدخول او خروج الكتلة فقط مثل قنينة الغاز.
في بعض الاحيان تكون المنظومة مغلقة في لحظة معينة ومفتوحة في لحظة اخر ى . مثال ذلك اسطوانة محرك احتراق داخلي تكون المنظومة الكلية Total System عادًة كبيرة ومعقدة, وقد يمكن تجزئتها ومن ثم جمع أجزاء المنظومة المجزأ ة . مثال ذلك محطة القدرة الكهربائية المغلقة التي يمكن دراسة اجزائه (المرجل، المبادل الحراري، التوربين، المضخات… الخ ) كمنظومات مفتوحة, أي ان المائع يدخل ويخرج من كل واحدة من هذه المنظومات المصغرة المفتوحة.

عرفنا سابقا ما هو الانتقال الحراري
وهو انتقال الحرارة تلقائيا من الجسم الاكثر درجة حرارة الى الاقل و لا تنتقل بالعكس.
قانون التوصيل الحراري
يعرف الميل الحراري على انه تغير درجة الحرارة مع تغير المسافة على طول الجسم.
فعند وجود فرق بدرجات الحرارة على جانبي جسم صلب فان الحرارة ستنساب من المنطقة ذات درجة الحرارة الاعلى T2 الى المنطقة ذات درجة الحرارة الاقل T1.
الا ان شكل خطوط انتقال الحرارة خلال المادة يعتمد اساسا على طريقة العزل الحراري للمادة .
فعند تغليف قضيب بمادة عازلة للحرارة فان خطوط انتقال الحرارة تكون بخطوط مستقيمة و منتظمة اما في حالة عدم وجود مادة عازلة فان خطوط انتقال الحرارة تسلك مسارات غير منتظمة
وفي كلا الحالتين بعد مرور فترة زمنية كافية تستقر الحرارة في كل اجزاء القضيب ( حالة الاتزان )
نفترض ان لدينا مقطعا من قضيب معدني طوله dx و مساحة مقطعة A ودرجة حرارة احد طرفيه T و الطرف الاخر T-dT


AAAAA
? dx ?

فان معدل سريان الحرارة ( كمية الحرارة التي تسري خلال وحدة الزمن )
تتناسب :
1- طرديا مع مساحة المقطع العرضي للقضيب A .
dQ/dt ? A
2- طرديا مع الفرق في درجتي حرارة الطرفين
(T-dT)-T=-dT
dQ/dt ? –dT
3- عكسيا مع السمك dx
dQ/dt ? 1/dx
4- طرديا مع الزمن
5- نوع المادة الصلبة
مما سبق نستنتج ان :
dQ/dt ? -A dT/dx
dQ/dt=-KA dT/dx
حيث :
K مقدار ثابت يعرف بمعامل التوصيل الحراري وهو المعدل الزمني لانسياب الحرارة خلال المادة لوحدة المساحة لكل وحدة تدرج حراري ووحدة قياسه cal ??cm?^(-1) sec?^(-1) c^(-1)
dT/dx : الميل الحراري و يمثل معدل تغير درجة الحرارة بالنسبة للمسافة فعندما تقل درجة الحرارة بزيادة المسافة من الطرف الساخن للقضيب فان الكمية dT/dx سالبة و تسمى ايضا بالتدرج الحراري .
اذا كان القضيب المعدني طوله x و درجة حرارة طرفية هما T1, T2



فان في حالة الاستقرار نجد ان :

dQ/dt=-KA (T2-T1 )/x
dQ/dt=KA (T1-T2 )/x
يمكن الوصول الى حالة الاستقرار و ذلك بعزل القضيب المعدني عن الوسط الخارجي كي لا يكون هناك فقد في الطاقة الحرارية و ايضا عندما نصل الى درجتي حرارة ثابتتين عند طرفي القضيب عليه يكون الفرق بين درجتي الحرارة T1, T2 مقدار ثابت و هذا الشرط لا يتحقق الا بتحقق الشرط الاول ( شرط العزل عن الوسط المحيط) .
يمكن حساب كمية الحرارة المارة في القضيب خلال فترة زمنية من العلاقة :
Q=KA (T1-T2 )/x t
مثال (1) :
قضيب معدني طوله m 1.5 و مساحة مقطعه cm^2 2 وضع احد طرفيه في ماء مغلي و الطرف الاخر في خليط ماء و ثلج . جد كمية الحرارة المنتقلة خلال القضيب في مدة عشرة دقائق اذا علمت ان الموصلية الحرارية تساوي (0.2 cal)?(cm s 0_c ) ؟
الحل :
Q=K A t (dT )/dx

=0.2*(100-0)*2*10* 60/(150 )
Q=160 cal









مثال (2) :

شريحة معدنية سمكها cm 2 ومساحة سطحها cm^2 200 فإذا كان الفرق في درجات الحرارة بين السطحين المتقابلين يساوي 0_c 100 جد كمية الحرارة التي ستنتقل خلال الشريحة في دقيقة واحدة اذا علمت ان الموصلية الحرارية تساوي (0.2 cal)?(cm s 0_c )


الحل :


T2 T1


? x ?

Q=K A t (dT )/dx

=0.2*200*100* 60/0.2
Q=1200000 cal