الحرارة ودرجة الحرارة والاتزان الحراري
يربط بين كمية الحرارة المكتسبة والارتفاع في درجة الحرارة، ويقارن ارتفاع درجة حرارة الماء وزيت الزيتون عند تسخينهما بالطريقة نفسها، ويفسّر الوصول إلى الاتزان الحراري.
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 (٤): الطاقة ودرجة الحرارة — الجزء الثاني، ص ٨٦
- نشاط (٦): العلاقة بين كمية الحرارة ونوع المادة — الجزء الثاني، ص ٨٨
- نشاط (٧): الاتزان الحراري — الجزء الثاني، ص ٩٠
خطوات التجربة
افتح شاشة «مقدمة»، وفعّل «السخانات» كي يعمل الموقدان معًا بالقدر نفسه، وفعّل «رموز الطاقة».
ضع كأس «الماء» على أحد الموقدين وكأس «زيت الزيتون» على الآخر، واسحب مقياس حرارة إلى كل كأس. سجّل القراءتين في جدول أعمدته: القراءة، درجة حرارة الماء، درجة حرارة الزيت.
حرّك منزلق الموقد نحو «تسخين» وأبقه، وسجّل القراءتين على فترات متساوية. لاحظ أيّ السائلين ترتفع درجة حرارته أسرع.
أعد المنزلق إلى الوسط لتوقف التسخين، وسجّل ما يحدث لدرجتي الحرارة بعد توقف تزويد الطاقة.
ضع قطعة «الحديد» على موقد وسخّنها حتى ترتفع درجة حرارتها كثيرًا، مع مقياس حرارة عليها.
انقل قطعة «الحديد» الساخنة إلى داخل كأس «الماء»، وراقب حركة رموز الطاقة وقراءتي المقياسين حتى تثبتا. سجّل درجة حرارة كل منهما قبل التلامس وبعده.
الفكرة العلمية
حين يُزوَّد جسم بالطاقة الحرارية ترتفع درجة حرارته تدريجيًا، وكلما زادت كمية الحرارة التي يكتسبها زاد الارتفاع في درجة حرارته؛ ولذلك توقّف الارتفاع حين أوقفت التسخين. وتعتمد كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم على نوع مادته المرتبطة بحرارته النوعية: كمية الحرارة = الكتلة × الحرارة النوعية × التغيّر في درجة الحرارة. والحرارة النوعية للماء نحو ضعف الحرارة النوعية لزيت الزيتون، فارتفعت درجة حرارة الزيت أسرع مع أن الموقدين أعطيا الطاقة نفسها. وعند تلامس جسمين مختلفين في درجة حرارتهما تنتقل الطاقة الحرارية من الساخن إلى البارد حتى تتساوى درجتا حرارتيهما، فيكونان في اتزان حراري، وما يفقده الساخن يكتسبه البارد. تنبيه: المحاكاة لا تعرض كتلة السائل في كل كأس ولا تحتوي ساعة توقيت كما في جدول الكتاب.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
سخّنت كأس الماء وكأس زيت الزيتون بالموقدين المربوطين المدة نفسها. أيّهما ارتفعت درجة حرارته أكثر؟
- الماء، لأنه أخف من الزيت
- زيت الزيتون، لأن حرارته النوعية أقل
- ارتفعتا بالقدر نفسه لأن الطاقة واحدة
- الماء، لأن الزيت لا يسخن
اعرض الإجابة
ب) زيت الزيتون، لأن حرارته النوعية أقل
المادة ذات الحرارة النوعية الأقل تحتاج إلى طاقة أقل لترتفع درجة حرارتها درجة واحدة، فترتفع درجة حرارة الزيت أسرع. ومن ظنّ أنهما يرتفعان بالقدر نفسه خلط بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة.
وضعت قطعة حديد ساخنة في ماء بارد. متى يتوقف انتقال الطاقة بينهما؟
- عندما تتساوى درجتا حرارتيهما
- عندما تبرد قطعة الحديد إلى الصفر
- عندما يغلي الماء
- لا يتوقف أبدًا
اعرض الإجابة
أ) عندما تتساوى درجتا حرارتيهما
الطاقة الحرارية تنتقل بسبب الفرق في درجة الحرارة، فإذا تساوت الدرجتان بلغ الجسمان الاتزان الحراري وثبتت قراءتا المقياسين. ومن قال إن الحديد يبرد إلى الصفر ظنّ أن الحديد يفقد حرارته كلها، وهو يتوقف عند درجة حرارة الماء.
في أيّ اتجاه تنتقل الطاقة الحرارية بين جسمين متلامسين؟
- من الأكبر كتلة إلى الأصغر
- من البارد إلى الساخن
- في الاتجاهين بالتساوي دائمًا
- من الأعلى درجة حرارة إلى الأقل
اعرض الإجابة
د) من الأعلى درجة حرارة إلى الأقل
درجة الحرارة هي التي تحدد اتجاه انتقال الطاقة الحرارية، كما رأيت رموز الطاقة تنتقل من الحديد الساخن إلى الماء. ومن اختار «من البارد إلى الساخن» تصوّر البرودة شيئًا ينتقل، والذي ينتقل هو الطاقة الحرارية فقط.
لماذا يُستعمل الماء في تبريد محرّكات السيارات، لا الزيت؟
اعرض الإجابة
لأن حرارة الماء النوعية كبيرة، فيمتصّ كمية كبيرة من الحرارة وترتفع درجة حرارته قليلًا، كما رأيت حين ارتفعت درجة حرارة الماء أبطأ من الزيت. فيأخذ من المحرّك طاقة حرارية أكثر قبل أن يسخن هو كثيرًا.
خلطت ماءً ساخنًا بماء بارد في نشاط «الاتزان الحراري». أيّ الماءين اكتسب حرارة؟ وما العلاقة بين الحرارة المكتسبة والحرارة المفقودة؟
اعرض الإجابة
الماء البارد اكتسب حرارة، والماء الساخن فقدها، حتى صارت للمزيج درجة حرارة واحدة بين الدرجتين. وكمية الحرارة التي اكتسبها البارد تساوي كمية الحرارة التي فقدها الساخن، إذا أهملنا ما يتسرّب إلى الكأس والهواء.