سرعة الانتشار ودرجة الحرارة
يقارن الطالب سرعة انتشار الجسيمات عند درجتي حرارة مختلفتين، ويفسّر الفرق بسرعة حركتها.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: الإنتشار — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٢): انتشار الأصباغ في الماء — الجزء الأول، ص ٤٠
خطوات التجربة
افتح شاشة «الانتشار»، وافتح لوحة «معطيات» لتعرض عدد الجسيمات في كل جانب، وفعّل «ساعة التوقيت».
اضبط «عدد الجزيئات» في الجانب الأيسر على عدد مناسب، واجعل الجانب الأيمن بلا جزيئات، واضبط «درجة الحرارة الابتدائية» على قيمة منخفضة.
اضغط «إزالة الحاجز» وشغّل «ساعة التوقيت» معًا. سجّل في جدول عدد الجسيمات التي وصلت إلى الجانب الأيمن عند قراءات متساوية الفواصل من الساعة.
اضغط «أعد الحاجز»، وصفّر الساعة، وارفع «درجة الحرارة الابتدائية» إلى قيمة مرتفعة مع إبقاء عدد الجزيئات نفسه.
كرر «إزالة الحاجز» والتسجيل عند القراءات نفسها من الساعة. قارن العمودين: أي حرارة أوصلت جسيمات أكثر إلى الجانب الأيمن في الزمن نفسه؟
الفكرة العلمية
الانتشار انتقال جسيمات المادة من منطقة تركيزها مرتفع إلى منطقة تركيزها منخفض، نتيجة حركتها العشوائية المستمرة، ولا يحتاج إلى طاقة من مصدر خارجي. ويستمر صافي الانتقال حتى يتوزع التركيز بالتساوي، ثم تبقى الجسيمات تتحرك في الاتجاهين. ورفع درجة الحرارة يزيد الطاقة الحركية للجسيمات فتتحرك أسرع، فيزداد معدل الانتشار، ولذلك وصل إلى الجانب الأيمن عند الحرارة المرتفعة عدد أكبر من الجسيمات في الزمن نفسه. وهذا يفسّر ما في نشاط الكتاب: الصبغة تنتشر في الماء الدافئ أسرع منها في الماء البارد. والمحاكاة تعرض انتشار جسيمات غاز في وعاء، والنشاط يعرض انتشار صبغة في سائل؛ الوسط مختلف، لكن العلاقة بين الحرارة وسرعة الانتشار واحدة. وانتشار الأكسجين وثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء الخلوي يقوم على المبدأ نفسه.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
رفعت «درجة الحرارة الابتدائية» وكررت التجربة بالعدد نفسه. ماذا لاحظت؟
- وصل عدد أقل من الجسيمات إلى الجانب الأيمن
- لم يتغير شيء لأن العدد نفسه
- توقفت الجسيمات بعد إزالة الحاجز
- وصل عدد أكبر من الجسيمات إلى الجانب الأيمن في الزمن نفسه
اعرض الإجابة
د) وصل عدد أكبر من الجسيمات إلى الجانب الأيمن في الزمن نفسه
الحرارة المرتفعة تعني طاقة حركية أكبر وحركة أسرع، فينتشر عدد أكبر من الجسيمات في الزمن نفسه. ومن يظن أنه لا يتغير شيء يربط الانتشار بعدد الجسيمات وحده وينسى سرعتها.
ما سبب انتقال الجسيمات إلى الجانب الأيمن بعد إزالة الحاجز؟
- الجانب الأيمن يجذب الجسيمات
- الحركة العشوائية للجسيمات من التركيز المرتفع إلى المنخفض
- دفع الحاجز للجسيمات عند إزالته
- ارتفاع درجة الحرارة في الجانب الأيمن
اعرض الإجابة
ب) الحركة العشوائية للجسيمات من التركيز المرتفع إلى المنخفض
لا قوة تسحب الجسيمات نحو الجانب الفارغ، بل تتحرك عشوائيًا، ولأن عددها في اليسار أكبر يعبر منها إلى اليمين أكثر مما يعود. وتصوّر وجود قوة جذب هو خطأ شائع في فهم الانتشار.
بعد مدة طويلة صار عدد الجسيمات في الجانبين متقاربًا. ماذا يحدث بعد ذلك؟
- تتوقف الجسيمات عن الحركة
- تعود الجسيمات كلها إلى الجانب الأيسر
- تبقى تتحرك بين الجانبين ويبقى العددان متقاربين
- تتجمع الجسيمات في الجانب الأيمن
اعرض الإجابة
ج) تبقى تتحرك بين الجانبين ويبقى العددان متقاربين
الجسيمات لا تتوقف عن الحركة، لكن ما يعبر في كل اتجاه يتساوى تقريبًا فيبقى التوزيع متقاربًا. والظن بأن الجسيمات تسكن عند التساوي خطأ شائع.
لماذا يذوب السكر وينتشر طعمه في الشاي الساخن أسرع منه في الماء البارد؟
اعرض الإجابة
جزيئات الشاي الساخن طاقتها الحركية أكبر فتتحرك أسرع، فتنتشر جزيئات السكر الذائبة في الكوب بسرعة أكبر. وهذا ما رأيته في المحاكاة عند رفع درجة الحرارة: عدد أكبر من الجسيمات وصل إلى الجانب الآخر في الزمن نفسه.
لماذا أبقيت عدد الجزيئات نفسه عند تغيير درجة الحرارة؟
اعرض الإجابة
لأن درجة الحرارة هي المتغير المستقل الذي نختبر أثره، وسرعة الانتشار هي المتغير التابع. فإن غيّرنا العدد مع الحرارة لم نعرف أيهما سبّب الفرق في النتيجة، ولذلك نثبّت المتغيرات الأخرى كما ثبّت النشاط كمية الصبغة وحجم الماء.