The heat and their measurement

Transkript

1 1 الحرارة وقياسها The heat and their measurement مقدمة 1.1 Introduction المحاضرة األولى لقد كان المفهوم األول للحرارة مفهوما فيزيولوجيا إذ كان ي عطى بإحساااااااس الحرارة أو البرودة الذي كان يشااااعر به اإلنسااااان عند ما يقترب أو يلمس بعض األجسااااام فيمكنه بذلك أن يقرر إذا كان جساااام ما أسخن من جسم آخر أو أبرد منه. وال يعني هذا بالضرورة إن كمية الحرارة التي يحويها الجسم األول أكبر من كمية الحرارة التي يحويها الجسم الثاني ذلك ألن كمية الحرارة تتعلق بعدة عوامل أساسية منها: طبيعة الجساام وكتلته. إنما بشااكل عام يمكن أن نقول أن تغير الحالة الفيزيائية ألي جساام تترافق مع تغير درجة حرارته. تعريف درجة الحرارة Definition of Temperature من أجل إلغاء كل مفهوم شاااخصاااي للحرارة نميز بين أجساااام A ت عتبر باردة وبين أجساااام أخرى B ت عتبر ساخنة. ولنضع أجساما مختلفة مثل: حوجلة زجاجية مملوءة بالكحول الملون يعلوها أنبوب مدرج بتدريجات متساوية في الحجم. سلك معدني F. إناء مغلق R يحتوي على غاز من الغازات ومجهز بمقياس للضغط. أوال مع األجسام A )الباردة( وثانيا مع األجسام B )الساخنة(. فنالحظ ارتفاعا في سااااااوية ساااااااائل الكحول في األنبوب المدرج كما نالحظ ازديادا في المقاومة الكهربائية للسلك F وازديادا في ضغط الغاز المحصور في اإلناء R. فالحجم والمقاومة الكهربائية والضغط مقادير قابلة للقياس تتغير بتغير درجة الحرارة. وتستخدم مقادير كهذه التي يطلق عليها اسم»مقادير ترمومترية«تستخدم لتعريف درجة الحرارة. إذا درجة الحرارة عبارة عن مقدار فيزيائي يعين اتجاه انتقال الطاقة الحرارية المتبادلة بين الجساااااام وما يحيط به. فهي تمثل صااااافة فيزيائية تحدد الخواص الحرارية للجسااااام وتدل على مقدار ساااااخونة هذا الجسم أو برودته. 1

2 1.3 ولتحديد درجة الحرارة لجسم ما يجب قياسها بشكل غير مباشر وذلك اعتمادا على تحديد المتحوالت الحرارية لهذا الجسم. كمية الحرارة The heat quantity إن مفهوم كمية الحرارة يختلف عن مفهوم درجة الحرارة فكمية الحرارة هي ما يأخذه الجساااااام من منبع حراري تتراكم فيه فيؤدي إما إلى رفع درجة حرارته أو إلى تغير حالته. فمثال الماء الموضااااااوع 100 فإنه يتبخر )أي تغيرت على الموقد تزداد درجة حرارته لكن عندما تصااااال درجة حرارته إلى o c حالته(. فالحرارة نوع من أنواع الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والطاقة الحركية والطاقة الكهربائية وغيرها. وكما هو معروف يمكن أن تتحول الطاقة من شااكل إلى آخر فعند مرور تيار كهربائي في ساالك يسااخن وتتولد حرارة فالطاقة الكهربائية قد تحولت إلى طاقة حرارية. ونشاااير إلى أن الطاقة في جميع أشاااكالها ال تضيع )ال تفنى( ولكنها تظهر بشكل آخر وهذا ما ي سمى بقانون حفظ الطاقة. إن كمية الحرارة مقدار فيزيائي قابل للمساااااااواة وللجمع ونرمز لكمية الحرارة بالرمز Q ويمكن للجسم أن يكتسب أو يفقد من الطاقة الحرارية بحيث ال تتغير حالته. وتقاس كمية الحرارة Q في الجملة الدولية SI بالجول J كما وتقاس كمية الحرارة في الجملة السغثية.C G.S بالحريرة cal حيث: 1 cal = 4.18 J كما وتستخدم وحدة من مضاعفات الحريرة وهي الكيلو حريرة حيث: 1 k cal = 10 3 cal وت عر ف الحريرة بأنها كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء المقطر )النقي(.15.5 درجة مئوية واحدة من 14.5 o c إلى o c ت عر ف الساااااعة الحرارية لجسااااام كتلته m بأنها كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة هذا الجسااااام درجة مئوية واحدة. وتقدر وحدة السعة الحرارية في الجملة الااا C.G.S بااا cal/ c وفي الجملة الااا SI بااا /J o c وي رمز للسعة الحرارية بالرمز c. وترتبط كمية الحرارة لجساااااام ما كتلته m بحرارته النوعية s وكذلك بالتغير في درجة حرارته T بالعالقة التالية: Q = m s T 2

3 ومن العالقة السابقة نالحظ أن وحدة قياس s في الجملة السغثية.C.G S هي cal/g. c وفي الجملة الدولية هي J/kg. K والتي تكافئ.J/kg. c فإذا كانت > 0 T تكون > 0 Q وبالتالي يكتسب الجسم حرارة. أما من أجل < 0 T فإن 0> Q وبالتالي فإن الجسم يخسر حرارة. مثال )1(: يحتوي ترموسااااااتات على 300 g قهوة )ماء أساااااااسااااااا ) عند درجة حرارة. 90 c صاااااا ب في هذا الترموستات 50g من اللبن )ماء أساسا ) عند درجة حرارة 15. c احسب درجة الحرارة النهائية للقهوة. الحل: أي: بما أن الترموسااااتات معزول جيدا فال يوجد تساااارب حرارة من القهوة ولذا فإن الحرارة التي تفقدها القهوة تستغل كلية في تدفئة اللبن واعتمادا على قانون حفظ الطاقة فإن: Qcoffee = Qmilk (s. m. T)Caffee = (s. m. T)milk وفي هذه الحالة فإن s = 1 cal/g. c للقهوة واللبن. وكتلة القهوة 300g وكتلة اللبن 50. g فاإذا رمزناا لادرجاة الحرارة النهاائياة لمحلول القهوة واللبن باالرمز t فاإن T = 90 c t- للقهوة وt-15 c T= للبن وبالتعويض نجد: 300 (90 c - t) = 50 (t 15 c) t = 79.3 c ومنه: أي أن اللبن قد بر د القهوة بمقدار 10.7 c. 1.4 قياس درجة الحرارة Temperature measurement عند تعريف درجة الحرارة فقد ألغينا كل مفهوم شاااااخصاااااي لها. ومن األولى عند قياساااااها أن نلغي العوامل الشااااخصااااية. ولذا من أجل قياس درجة الحرارة نسااااتخدم مقادير ترمومترية )وكما رأينا( مثل: الحجم والضااااااغط والمقاومة الكهربائية... ال تخص مواد ترمومترية مثل المواد الغازية )هيدروجين أوكسااااااجين...( أو مواد سااااااائلة مثل الكحول أو الزئبق أو مواد صاااااالبة كالمعادن. وعند اختيار المادة الترمومترية يجب مراعاة ما يلي: a تتأثر المادة سريعا لدى مالمستها للجسم المراد قياس درجة حرارته. b ال تتغير حالتها الطورية مع ارتفاع درجة حرارتها. 3

4 c أن تكون العالقة خطية بين إحدى الخواص الفيزيائية للمادة الترمومترية ودرجة الحرارة. 1.5 وتستخدم لقياس درجة الحرارة أجهزة تسمى ساللم )موازين أو مقاييس( درجة الحرارة. ساللم درجة الحرارة Temperature Scales يراعى دوما عند صناعة ساللم درجة الحرارة اختيار نقطتين ثابتتين تقسم المسافة بينهما إلى أقسام متساااااوية ت ساااامى ك رل منها درجة الحرارة. تمثل عادة النقطة الثابتة األولى درجة انصااااهار الجليد تحت الضغط الجوي النظامي. وت ؤخذ في أغلب األحيان النقطة الثالثية للماء )ت عب ر النقطة الثالثية triple Point عن حالة توازن األطوار الثالثة للماء( وذلك ألن هذه الدرجة هي أثبت من درجة انصااااااهار الجليد. وتمثل النقطة الثابتة الثاانياة درجاةة حرارة بخاار المااء المقطر عناد الغلياان تحات الضااااااغط الجوي النظاامي. ويختلف عادد التقسيمات بين هاتين النقطتين الثابتتين باختالف السلم. ومن أهم ساللم درجات الحرارة ما يلي: Celsius Scale (Centigrade Scale) سلم سلزيوس )السلم المئوي( a يتم تق سيم الم سافة بين النقطتين الثابتتين ح سب سلم سلزيوس إلى أجزاء مت ساوية عددها 100. نسمي كل جزء من هذه األجزاء درجة حرارة واحدة نرمز لها بالرمز. o c توافق النقطة الثابتة األولى درجة 0 بينما توافق النقطة الثابتة الثانية درجة غليان الماء المقطر أي 100. o c تجمد الماء المقطر أي o c Fahrenheit scale سلم فهرنهايت b ت نسااب تساامية الساالم المئوي إلى مخترعه السااويدي ساالزيوس. بينما تعود تساامية هذا الساالم إلى العالم األلماني فهرنهايت. ي رمز لدرجة الحرارة حساااب هذا ا لسااالم بااااااااا F وت دعى درجة فهرنهايت. وتقسااام المساااافة بين النقطتين الثابتتين حساااب سااالم فهرنهايت إلى 180 تدريجة متسااااوية حيث توافق النقطة الثابتة األولى القيمة 32 F بينما توافق النقطة الثابتة الثانية القيمة 212 F ويرتبط هذا الساااالم بالسااااالم المئوي بالعالقة التالية: 9 t ( F) t( c) 32 5 Kelvin Scale (Absolute Scale) سلم كلفن )السلم المطلق( c ي قسام المجال بين النقطتين الثابتتين حساب هذا السالم إلى 100 قسام متسااو ي سامى كل قسام من هذه األقسااام درجة حرارة واحدة K أو K وي ساامى كل قساام من األقسااام السااابقة أيضااا درجة حرارة مطلقة ي رمز لها بالرمز T. وتكون درجة انصااااااهار الجليد وفق هذا الساااااالم K ودرجة غليان الماء 0 K -= وبهذا نرى أن صااااافر هذا السااااالم الدرجة على السااااالم المئوي أي أن: K c 4

5 ويرتبط هذا السلم بالسلم المئوي بالعالقة التالية: T(K) = t( c) والعالقة التي تربط تدريجات الساللم المختلفة هي: t( c) t( F) 32 t( K) مثال )2(: إذا كانت درجة حرارة جساااااام اإلنسااااااان الداخلية على التدريي المئوي هي 37 c الدرجة على جميع الساللم األخرى. الحل: على سلم فهرنهايت. فأوجد قيمة هذه على سلم كلفن 9 t( F) t ( c) F 5 T(K) = t( c) = = 310K 1.6 التوازن الحراري The thermic equilibrium 1.7 إذا وضاعنا جساما ما باردا مع جسام آخر سااخن في حالة تالمس ضامن حجرة مغلقة معزولة حراريا عن الوساااط الخارجي فإنه يتم تبادل الطاقة الحرارية بين الجسااامين. فالجسااام السااااخن يتقلص والجسااام البارد يتمدد إلى أن يصبحا بعد انقضاء فترة من الزمن في حالة توازن حراري وعندها يصبح حجم ك ل من الجسمين ثابتا مع مرور الزمن. وي الحظ أنه للوصول إلى التوازن الحراري بين الجسمين ينبغي أن يتخلى الجسم الساخن عن جزء من طاقته الحرارية إلى الجسم األقل سخونة وبذلك تصبح درجة حرارة الجسااامين واحدة وهي التي ندعوها بدرجة حرارة التوازن لكال الجسااامين. وبالنتيجة يمكن القول أنه لكي يبلغ الجساامان حالة التوازن الحراري يجب أن تكون كمية الحرارة التي فقدها الجساام الساااخن مساااوية إلى كمية الحرارة التي كسبها الجسم األقل سخونة. طرائق انتقال الحرارة Methods of heat transfer تحدث لدى التماس المباشر بين جسمين مختلفي درجة الحرارة انتقال للحرارة من الجسم الساخن إلى الجسااام البارد وكما أوضاااحنا في الفقرة الساااابقة. كما تحدث مثل هذه الظاهرة بين أجزاء الجسااام الواحد المتباينة حراريا. ويمكننا تمييز ثالث طرق النتقال الحرارة. 5

6 1.7.1 التوصيل الحراري The thermal Conduction تنتقل ح سب هذه الطريقة الحرارة في ج سم ما عن طريق اهتزاز جزيئاته حول مواضعها األصلية دون حدوث أية حركة انسااحابية لتلك الجزيئات. ونالحظ عندما نسااخن قطعة معدنية أن الحرارة تنتقل إلى الطرف اآلخر منها خالل فترة زمنية قصيرة. ويعود السبب في ذلك إلى أن جزيئات الطرف الساخن تكتسااب طاقة حركية تؤدي إلى زيادة سااعة وساارعة الحركة االهتزازية لتلك الجزيئات. وعند اصااطدام هذه الجزيئات بمجاوراتها التي تهتز بساارعة أقل منها فإنها تنقل إليها بعضااا من طاقتها الحركية. وهكذا تنتقل الطاقة بالتوالي من جزيء إلى جزيء مجاور. إن انتقال الحرارة بالتوصاايل في السااوائل أقل بكثير مما هو عليه في المعادن كما أن انتقال الحرارة بالتوصيل في الغازات أقل مما هو عليه في السوائل واألجسام الصلبة. يختلف انتقال الحرارة بالتوصيل بالنساابة للكائن الحي )اإلنسااان مثالب( باختالف أنسااجة جساامه فهو قريب من االنتقال في الماء بالنساابة لألجزاء السااااائلة من الجساااام. ويقل عن ذلك كثيرا في األنسااااجة الدهنية والطبقات الخارجية للجلد لذلك تلعب هذه األنسااااااجة أو الطبقات الخارجية للجلد دور عازل للحرارة. ولهذا تكون درجة حرارة جوف اإلنسااااااان أعلى من درجة حرارة سااااااطح جلده. وهكذا نجد أن التبادل الحراري بين جساااااام الكائن الحي والمواد الصاالبة المختلفة حراريا يعتمد على وضااع الجساام وفعالية أنسااجته. ففي وضااع الوقوف ال يكون الجساااااام على تماااس كبير مع األرض ممااا يجعاال مقاادار التبااادل الحراري باالتماااس )انتقااال الحرارة بالتوصاايل( ضااعيفا. ويزداد التبادل الحراري مع تزايد تماس جساام الكائن الحي. لذلك يجب في األجواء أو المناطق الباردة تقليل سطوح التماس مع األرض الباردة أو الوسط المحيط البارد إلى أقل حد ممكن. الحمل الحراري The thermal convection عندما ي سخ ن سائل أو غاز تزداد المسافة بين جزيئاته وتقل بالتالي كثافته فترتفع نحو األعلى مبتعدة عن المصاادر الحراري ليحل محلها جزيئات السااائل الباردة )األكثر كثافة( مكو نة بذلك تيارات صاااعدة وأخرى هابطة. ونحصااال بالتالي على انتقال للحرارة بوسااااطة تيارات الحمل. وتدخل الدراساااة النظرية لقوانين انتقال الحرارة بوساطة تيارات الحمل في نطاق ميكانيك السوائل. ولتيارات الحمل تطبيقات هامة خاصة في التدفئة المركزية وفي أفران المصانع. وعند وجود مشااع حراري في غرفة فإن هذا المشااع يوزع الحرارة على الغرفة. ويمكن توضاايح هذه العملية بمالحظة إن الهواء المالمس مباشااارة للمشاااع الحراري يساااخن ويتمدد ثم يرتفع إلى األعلى نظرا النخفاض كثافته ويحل محل ه الهواء البارد الذي ما يلبث أن يسااااااخن وهكذا تتكرر العملية ويحدث تدف ق للهواء الساخن داخل الغرفة. مما سبق يمكن أن نميز طريقتين النتقال الحرارة حسب الحمل الحراري هما: a الحمل الطبيعي: ويتم عندما تنتقل جزيئات المادة الحارة نتيجة اختالف الكثافة.

7 b الحمل القسري: ويتم عندما تتحرك جزيئات المادة المسخ نة تحت تأثير عامل خارجي كالرياح اإلشعاع الحراري The thermal radiation ينتشاااار إشااااعاع الشاااامس عبر الخالء والغالف الجوي لألرض إلى أن يصاااال سااااطح األرض وهذه اإلشعاعات عبارة عن أمواج كهرطيسية يكون قسم منها مرئيا. وعند تعرض جسم ما لألشعة السابقة نجد أنه يسخن حيث يمتص قسما من الطاقة الحرارية الموجودة في اإلشعاعات الضوئية. عندما يصطدم اإلشعاع الشمسي بجسم ما فإنه إما أن ي متص من قبل الجسم أو ينعكس عن سطحه أو ينفذ من خالله وذلك حسااااب طبيعة الجساااام ونوعه. فمثال يمتص هباب الفحم %95 من اإلشااااعاع الوارد عليه بينما يعكس معدن الفضة المصقول جيدا %97 من الطاقة اإلشعاعية الواردة إليه. وتجدر اإلشاااارة إلى أن طريقة انتقال الحرارة باإلشاااعاع ال تحتاج إلى وساااط مادي كما هو الحال في الطريقتين السابقتين. إضافات مدرس المقرر نهاية المحاضرة األولى 7

8 8