الحرارة

جامعة بابل - كلية التربية الاساسية – قسم العلوم – محاضرات الحرارة - للمرحلة الثانية – للعام الدراسي 2017_2018 م . م سفير عبد الكريم الساعاتي
المحاضرة الخامسة من ( 1 – 8 )

الحرارة الكامنة للانصهار
لو تصورنا أن لدينا كتلة من الجليد حرارتها دون درجة الصفر المئوي c 0^° وتم وضع مسخن ومحرار في الكتلة، بعد مرور التيار وتجهيز الطاقة يلاحظ ارتفاع درجة الحرارة الى الصفر. بعد ثبوت قراءة المحرار يبدأ الجليد بالتحول وتبقى قراءة المحرار ثابتة حتى اكتمال تحول كل الجليد، تبدأ قراءة المحرار بالارتفاع حتى يبدأ الماء بالغليان ولفترة طويلة. وحتى يتحول كل الماء الى بخار يبدأ بعدها ارتفاع درجة الحرارة من جديد.
ان الطاقة المجهزة لتحويل الجليد الى ماء تسمى الحرارة الكامنة للانصهار وهي طاقة مخفية لأنها لم تظهر بقراءة المحرار حيث لم تتغير القراءة اثناء التحويل.
الحرارة النوعية للانصهار

ونفس الكلام يصح للتحول من سائل الى بخار أو في بعض المرات من صلب الى بخار يسمى بالتسامي .
ان الطاقة اللازمة للتحول دائماً اعلى من الطاقة اللازمة لرفع درجة الحرارة. كمثال لو لدينا g 10 من النحاس يراد رفع درجة حرارتها بمقدار 100k فإن كمية الطاقة اللازمة هي:
???????????????mc????10?10?3 ??400Jk?1kg?1 ?100k
اما الطاقة اللازمة لصهر g 10 من النحاس، فمقدارها 2000J ولتبخير نفس الكتلة .48000J
مثال:
ما مقدار الطاقة اللازمة لتحويل ماء الغلاية 1.7kg من ماء مغلي الى بخار في نفس الدرجة؟ اذا علمت أن ???2.3*?10?^6 JKg^(-1?? وما مقدار الفترة الزمنية لذلك؟
??????????????ml=( 1.7kg) * (2.3*?10?^6 JKg^(-1) )
= 3.9 10 J
فإذا كانت قدرة التجهيز 2750 ?JS?^(-1) فإن الزمن اللازم هو:
t = (?3.9* 10?^6 J)/( 2750 ?JS?^(-1) ) = 14225 S
وهو زمن أطول بكثير من الزمن اللازم للوصول الى الغليان .
التوضيح على الأساس الجزيئي: عند التحول ألطوري الطاقة المجهزة تخدم غرضين ، الأول لانصهار المادة والثاني هو لدفع الجزيئات المتجاورة عن بعضها ، وهذا يعني ان المادة تفقد صلابتها) ثبوت الشكل. (ولأجل ابعاد الجزيئات ، يجب انجاز شغل وهذا يعني كسر الروابط الجزيئية) وهي العلاقات الكهربائية التي تربط الجزيئات مع بعضها. (في حالة السيولة،توجد مجاميع من الجزيئات . في اي مجموعة تتجمع الجزيئات معاً ولكن هذه المجاميع ليست ثابتة في موقعها بالنسبة للمجاميع الاخرى ، لذلك لا يكون هناك شكل ثابت للسائل. وعند حالة التبخر سوف يتم كسر كل الروابط المتبقية، لذلك عند الانصهار تم كسر بعض الاواصر ، بينما في التبخر يجب كسر كل الاواصر ، عليه من المتوقع ان الطاقة الكامنة للتبخر اعلى من الطاقة اللازمة للانصهار.
الحرارة الكامنة للأنصهار هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل (Kg 1) من المادة الصلبة الى سائلة بثبوت درجة الحرارة وحدتها (kJ/kg)

التبخر: هو عملية هروب لجزيئات السائل من السطح الى المحيط،وذلك لأن الجزيئات لا تمتلك نفس القدر من الطاقة الحركية، فالجزيئات التي تمتلك طاقة اعلى هي التي لها القابلية على الانفصال.
والعوامل المساعدة على زيادة سرعة التبخر هي:
أ- درجة الحرارة
ب- سعة سطح السائل
ج- وجود تيار هوائي جارف

الحرارة الكامنة للتبخر :
هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل (Kg 1) من المادة سائل الى بخار بثبوت درجة الحرارة وحدتها (kJ/kg) .

القانون الاول للديناميكا الحرارية
لهذا القانون نصوص كثيرة مثلاً:-
1 -الطاقة لا تفنى ولا تستحدث) قانون بقاء الطاقة(
2 - الطاقة قد تتحول الى صور مختلفة ولكنها لا تفنى.
3- إذا اختفى جزء من أحدى صور الطاقة فسوف تظهر كمية مكافئة من الطاقة في صور اخرى .
ولاستنتاج القانون نتصور الآتي:-
تأمل نظام مثالي عديم الاحتكاك كما في الشكل. يتكون من كتلة mمربوطة بحبل ملفوف حول محور اسطواني. عندما ترتفع الكتلة مسافةh ينتقل النظام من حالة (1) الى الحالة (2) , وإن مقداراً من الشغل w = mgh يتحتم أن يعبر الحدود حيث يتحول الى طاقة وضع. لو اعيدت الكتلة من (2) الى (1) فان تغيراً بطاقة الوضع مقداره mgh
سيتحول الى طاقة شغل ستعاد من النظام الى المحيط. وجمع الشغل سيكون ناتجه صفراً خلال العملية المغلقة
??????????????????w ??0 1 ??2 ??1

القانون الأول لديناميك الحرارة:
من القوانين المهمة التي يعتمد عليها هيكل ديناميك الحرارة هو القانون الأول، الذي وجد من خلال تجربة الانسان وخبرته، يتناول كل أشكال الطاقة في الطبيعة، كالطاقة المنتقلة بشكليها الحرارة والشغل، والطاقة المخزونة بكل أشكاله ا . هو صيغة من صيغ قانون حفظ الطاقة، الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، فمتى ما اختفى شكل من أشكال الطاقة ظهر بشكل آخر . بوساطته نحسب كميات الشغل والحرارة المنتقلة عبر حدود النظام عندما تحدث تغيرات معينة في الحالة، مثلا الشغل الناتج من تمدد بخار في توربين، الشغل اللازم لضغط هواء في ضاغط، او الحرارة اللازمة لتوليد بخار عند ضغط معين داخل المرجل.
لقد اهمل القانون الاول نسبة التحول والاتجاه، إذ اوضح انه يمكن تحويل الشغل كليًا الى حرارة بالا حتكاك ولكن من المستحيل تحويل الحرارة كليًا الى شغل.

تطبيقات القانون الاول على الانظمة المفتوحة:
إن عمليات التدفق التي تنطبق عليها معادلة الطاقة للأنظمة المفتوحة تكون على نوعين: الاول ويسمى بعملية التدفق غير المستقر والثاني وهو المهم ويسمى بعمليات التدفق المستقر . وهناك امثلة كثيرة على عمليات التدفق المستقر مث ل : المرجل، المكثف، الضاغط، التوربين، المنفث، صمام الخانق … الخ. وسنتناول هذه العمليات بشكل تفصيلي وكما يأتي:
المرجل والمكثفات البخارية:
يتم في المرجل ا لبخاري تحويل الماء الى بخار بدرجة حرارة وضغط مرتفعين . ولغرض المحافظة على مستوى الماء في المرجل تجهز مضخة التغذية ماء بمعدل زمني يساوي المعدل الزمني لتدفق البخار من المرجل. ويجب تجهيز الفرق بالطاقة الحرارية بمعدل زمني منتظم لكي يستمر إنتاج البخ ا ر بهذا المعدل وبضغط منتظ م . تحت هذه الشروط تثبت خواص المائع في أي مقطع ضمن النظام بالنسبة للزمن .






القانون الثاني للثرموداينمك
صيغة كلفن – بلانك : من المستحيل انشاء جهاز يعمل تبعا لدورة ولا ينتج تاثيرا سوى رفع ثقل و تبادل حرارة مع خزان واحد ( انه من المستحيل بناء محرك حراري كفاءته الحرارية 100%)
صيغة كلاوزيوس : من المستحيل انشاء جهاز يعمل دورة ولا ينتج تاثيرا سوى انتقال حرارة من جسم ابرد الى جسم اسخن. ( يستحيل انشاء مبرد يعمل دون تغذيته بشغل )
من التطبيقات المهمة للقانون الثاني تطبيقاته لدورات المحركات الحرارية .
دورة المحركات الحرارية : تتكون دورة المحرك الحراري من عدد من العمليات التي ينسق تتابعها بهدف تحويل الطاقة الحرارية الى طاقة شغل و بحيث يعود النظام الى حالته الاصلية عند ختام كل دورة.
الطاقة الداخلية: هي عبارة مجموع كل الطاقات التي يمتلكها المائع و يختزنها داخليا و بعده صور .

تتألف المادة من الذرات والجزيئا ت . فعند التسخين ستحصل المادة على طاقة حركية بسبب حركة الجزيئات الانتقالية(Transition) والدورانية،(Rotation) ، الاهتزازية(Vibration)
وكذلك ستحصل المادة على طاقة كامنة بسبب قوة التجاذب الموجودة بين الجزيئات، كما في شكل

حركة الجزئيات داخل المادة

إذن كل الطاقات التي تمتلكها المادة والمخزونة فيها تسمى بالطاقة الداخلية، ويرمز لها U و الحرارة النوعية µ . في الغازات تتحر ك الجزيئات والذرات بحرية اكبر مما هو عليه في المواد الصلبة لذا سيولد ارتطامها وحركتها ضغطًا على الجدا ر . لذا فإن الطاقة الداخلية دالة لحركة الجزيئات والذرات، وبالتالي فهي خاصية من خواص المادة تعين بدلالة أي خاصيتين مستقلتين مثل P) ،(T.
إن زيادة الطاقة الدا خلية لا يؤدي دائمًا الى زيادة درجة الحرارة، فمثلا عند تغير الماء الى بخار فإن درجة الحرارة ستبقى ثابتة في حين تزداد الطاقة الداخلية وتنفصل الجزيئات ليتحول الماء الى بخار . وهذه الحالة تنطبق على تحويل الصلب الى سائل.
فعند تسخين النظام ترتفع درجة حرارته وتزداد حركة الجزيئات والذرات وبالتالي .(?U12=U2-U1) تزداد الطاقة الداخلية، والعكس صحيح، فعندما تكون الجزيئات والذرات في حالة سكون فتكون الطاقة الداخلية صفرًا. أي ان الطاقة الداخلية دالة لدرجة الحرارة.
بواسطة الطاقة الداخلية يمكن للنظام انجاز شغل فمثلا عندما يتمدد غاز بدون ان يجهز بطاقة حرارية اثناء تمدده من ضغط مرتفع الى ضغط واطئ , خلف مكبس , فان الطاقة الداخلية هي التي تمكن الغاز من انجاز شغل.


العلاقة بين الحرارة والشغل
عند إنتقال الحرارة او الشغل الى النظام يتحولان الى طاقة مخزونة بعد دخولهما الى النظام لا يمكن تمييزهما او فصلهما عن الطاقة التي يمتلكها النظا م . يمكن تشبيه ذلك بالمطر في البحيرة، فالمطر هو الحرارة والشغل، وماء المطر في البحيرة يشبه الطاقة المخزونة . نستنتج من ذلك ان الحرارة او الشغل هما طاقة منتقلة عبر حدود النظام، أي انها ظاهرة وقتية تلاحظ عند حدود ا لنظام.
إذن الشغل والحرارة هما شكل من اشكال الطاقة، كمية منتقلة وليس خاصية، لذلك فهما دالة للمسار، أي لا يعتمدان فقط على الحالة الابتدائية والنهائية بل ايضًا على الحالات البينية (الوسطية, ( أي على المسار.
اشارة ووحدات الحرارة والشغل:
رمز الشغل (W) والنوعي (w) الذي يساوي (w=W/m) , ورمز الحرارة (Q) و الحرارة لكل (Kg 1 ) بالرمز (q)و التي تساوي (q=Q/m)

ويقال عن الشغل المنتقل من النظام الى المحيط بالشغل الخارجي و رمزه (Wout) واشارته موجبة. وعن الشغل المنتقل من المحيط الى النظام بالشغل الداخلي ورمزه (Win) وإشارته سالبة. اما الحرارة المنتقلة فأشارتها عكس إشارة الشغل.

محرك الاحتراق الداخلي
يقوم بإنتاج شغل ميكانيكي موجب بصفة دائمة . أي ان جزء من الطاقة الكيميائية للوقود يتحول الى شغل ميكانيكي. ان محرك الاحتراق الداخلي آلة ذات دورة مفتوح(Open Circuit) , وذات جريان شبه مستقر لكن يعامل كآلة ذات جريان مستقر لانه معظم المحركات متعددة الاسطوانات ، وان نبضات الجريان تخمد خلال شوط السحب بواسطة مرشحات الهواء. (Air Filters) وخلال شوط العادم بواسطة مخمدات الصوت(Silencers) .
محرك الاحتراق الداخلي يقوم بأنتاج شغل ميكانيكي موجب بصفة دائمة أي ان جزء من الطاقة الكيميائية للوقود يتحول الى شغل ميكانيكي وجزء يطرد الى الوسط المحيط للمحرك على هيئة حرارة والباقي يعمل على زيادة الانثالبي الكلي للمادة الشغالة.

قانون نيوتن للتبريد Newton Law of Cooling :

للتعبير عن انتقال الحرارة بالحمل بين سطح ما و مائع يسري حوله نستخدم قانون نيوتن للتبريد
q= h ×A(T w ?T?)
حيث h هو معامل انتقال الحرارة بالحمل (W/m^2 C) و A هي مساحة سطح الشريحة التي تنتقل خلالها الحرارة m^2. يمكن كتابة المعادلة السابقة بصيغة المقاومة الحرارية كالتالي:

q = ((T w -T?))/(1/( h ×A))

حيث 1/( h ×A) هي مقاومة المائع R لانتقال الحرارة . و بالتالي يمكن اعادة كتابة المعادلة:


q = ((T w -T?))/R

مثال :
اذا كان معدل انتقال الحرارة من لوح معدني هو W/m^2 1000 و درجة حرارة سطح اللوح °_C120 و كانت درجة حرارة المحيط °_C 20 , احسب معامل انتقال الحرارة بالحمل ؟
الحل :
هذا المثال تطبيق مباشر لقانون نيوتن للتبريد
q= h ×A(T w ?T?)
q/( A) = h × (T w ?T?)
1000 = h × (120 ?20)
h = 1000/( 100) = 10 W/(m^2 °_C )