الحرارة النوعية والاتزان الحراري
يقارن سرعة ارتفاع درجة حرارة مواد مختلفة تُزوَّد بالحرارة نفسها ويربطها بحرارتها النوعية، ويفسّر الوصول إلى الاتزان الحراري بانتقال الحرارة من الجسم الأسخن إلى الأبرد.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: أشكال الطاقة وتحولاتها — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٢): السعة الحرارية والحرارة النوعية — ص ٨٨
- نشاط (٣): الاتزان الحراري — ص ٩٢
خطوات التجربة
افتح شاشة «مقدمة»، وفعّل «السخانات» ليعمل السخانان بالقدرة نفسها، وفعّل «رموز الطاقة».
ضع «الحديد» على أحد السخانين و«طُوب» على الآخر، واسحب ميزان حرارة إلى كل منهما، وسجّل القراءتين قبل التسخين.
حرّك ذراع التسخين إلى أعلى مدة قصيرة متساوية، ثم أوقفه، وسجّل القراءتين. أيهما ارتفعت حرارته أسرع؟
أعد الضبط، وكرّر الخطوتين السابقتين مع «الماء» و«زيت الزيتون» في الكأسين، وسجّل أيهما يسخن أسرع.
أعد الضبط، وسخّن قطعة «الحديد» وحدها حتى ترتفع حرارتها كثيرًا، ثم انقلها إلى كأس «الماء» الباردة، وضع ميزان حرارة على كل منهما.
تابع القراءتين كل مدة قصيرة وسجّلهما في جدول حتى تثبتا، ولاحظ اتجاه حركة رموز الطاقة بين الحديد والماء.
الفكرة العلمية
الحرارة النوعية للمادة حن هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 kg منها درجة سلسيوس واحدة، والسعة الحرارية للجسم سح = ك × حن. وكمية الحرارة التي يكتسبها الجسم كح = سح × (د2 − د1). فإذا زُوِّدت مواد مختلفة بالكمية نفسها من الحرارة ارتفعت حرارة ذات السعة الحرارية الصغيرة أكثر، ولذلك سخن الحديد أسرع بكثير من الماء، فالحرارة النوعية للماء من أكبر الحرارات النوعية. وعند وضع الحديد الساخن في الماء البارد تنتقل الحرارة من الأسخن إلى الأبرد، وهذا ما تُظهره رموز الطاقة، حتى تتساوى درجتا الحرارة عند درجة حرارة الاتزان، وعندها كح المكتسبة = كح المفقودة إذا كان النظام معزولًا. والمحاكاة لا تعرض كتل الأجسام ولا تسمح بتغييرها، فالمقارنة فيها نوعية بين المواد، أما النشاط فيستعمل كتلًا متساوية ليقارن الحرارة النوعية بدقة.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
سخّنت الحديد والماء بالسخانين المرتبطين المدة نفسها، فارتفعت حرارة الحديد أكثر بكثير. ما التفسير الأقرب؟
- الحديد يمتص كمية حرارة أكبر من الماء
- الحرارة النوعية للحديد أقل من الحرارة النوعية للماء
- الماء يفقد حرارته إلى الهواء أسرع
- الحرارة النوعية للحديد أكبر لأنه فلز
اعرض الإجابة
ب) الحرارة النوعية للحديد أقل من الحرارة النوعية للماء
السخانان المرتبطان يعطيان الكمية نفسها من الحرارة، فمن ترتفع حرارته أكثر سعته الحرارية أصغر. والماء من أكبر المواد حرارة نوعية فيحتاج حرارة كثيرة ليسخن. ومن ظن أن الحديد امتص حرارة أكبر خلط بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة.
وضعت قطعة حديد ساخنة في ماء بارد. متى يتوقف انتقال الحرارة بينهما في المحصلة؟
- عندما تبرد قطعة الحديد إلى درجة الحرارة الابتدائية للماء
- عندما يكتسب الماء كل حرارة الحديد
- عندما تتساوى درجتا حرارتهما
- لا يتوقف ما دام الحديد في الماء
اعرض الإجابة
ج) عندما تتساوى درجتا حرارتهما
الحرارة تنتقل بسبب فرق درجتي الحرارة، فإذا تساوتا عند درجة حرارة الاتزان توقف الانتقال في المحصلة. ودرجة الاتزان تقع بين الدرجتين الابتدائيتين، فلا يبرد الحديد إلى حرارة الماء الأولى ولا يفقد كل حرارته.
في نظام معزول من حديد ساخن وماء بارد، ما العلاقة بين الحرارة التي فقدها الحديد والحرارة التي اكتسبها الماء؟
- المفقودة أكبر لأن الحديد أسخن
- المكتسبة أكبر لأن الماء حرارته النوعية أكبر
- لا علاقة بينهما
- متساويتان
اعرض الإجابة
د) متساويتان
في النظام المعزول لا تضيع الحرارة: كح المكتسبة = كح المفقودة. أما التغيّر في درجة الحرارة فيختلف لاختلاف السعة الحرارية، فيبرد الحديد درجات كثيرة ويسخن الماء درجات قليلة، وهذا ما يخلط بينه الطلاب وبين كمية الحرارة.
لماذا يكون المدى الحراري اليومي على شاطئ البحر أصغر منه في الصحراء؟
اعرض الإجابة
لأن الحرارة النوعية للماء كبيرة، فيمتص البحر نهارًا كمية كبيرة من حرارة الشمس وترتفع حرارته قليلًا، ويطلقها ليلًا وتنخفض حرارته قليلًا، فيلطّف حرارة الشاطئ. أما رمال الصحراء فحرارتها النوعية صغيرة، فتسخن كثيرًا نهارًا وتبرد كثيرًا ليلًا.
يقيس الطبيب حرارة المريض بميزان حرارة يضعه تحت لسانه دقيقة أو أكثر. لماذا لا تكفي ثانية واحدة؟
اعرض الإجابة
لأن ميزان الحرارة يقيس حرارته هو، ويحتاج وقتًا حتى تنتقل الحرارة بينه وبين جسم المريض ويصلا إلى الاتزان الحراري. وعند الاتزان فقط تساوي قراءة الميزان حرارة الجسم، كما احتاج ميزانا الحرارة في المحاكاة وقتًا حتى تثبت قراءتاهما.