ملخص الطاقة الداخلية ودرجة الحرارة — ثانية إعدادي

مقدمة

الوحدة: الوحدة الأولى: المادة والطاقة (الدرس الثالث)

إذا وضعت كوبًا من الماء المغلي وحوض استحمام من الماء الدافئ جنبًا إلى جنب، فأيهما يحتوي على طاقة حرارية أكبر؟ قد تكون الإجابة مفاجئة. يفرق هذا الدرس بين الطاقة الداخلية ودرجة الحرارة، ويقدم قانونًا لحساب كمية الحرارة التي تكتسبها المادة أو تفقدها.

أهداف التعلم

أن يعرّف الطالب الطاقة الداخلية للمادة ومكوناتها.
أن يفرّق الطالب بين مفهومي الطاقة الداخلية ودرجة الحرارة.
أن يعرّف الطالب الحرارة النوعية ووحدة قياسها.
أن يستخدم الطالب قانون كمية الحرارة في حل مسائل حسابية بسيطة.
أن يفسّر الطالب الأثر المعتدل للماء الكبير على المناخ بسبب ارتفاع حرارته النوعية.

شرح الدرس

الطاقة الداخلية للمادة

تتكون الطاقة الداخلية لأي مادة من مجموع طاقتين لجسيماتها:

طاقة الحركة (الحرارية): الناتجة عن حركة الجسيمات الدائبة (اهتزاز أو انزلاق أو حركة حرة حسب الحالة).
طاقة الوضع: الناتجة عن قوى الترابط والتجاذب بين الجسيمات وأوضاعها النسبية بعضها من بعض.

وتزداد الطاقة الداخلية للمادة كلما ازدادت درجة حرارتها (زيادة طاقة الحركة)، وكذلك عند تغير حالتها إلى حالة أقل ترابطًا بين الجسيمات (زيادة طاقة الوضع)، حتى لو ظلت درجة الحرارة ثابتة أثناء التغير كما رأينا في الدرس السابق.

الفرق بين الطاقة الداخلية ودرجة الحرارة

هذا فرق دقيق ومهم:

درجة الحرارة مقياس لمتوسط طاقة حركة الجسيمات في المادة، ولا تعتمد على كمية المادة.
الطاقة الداخلية هي المجموع الكلي لطاقات حركة ووضع جميع جسيمات المادة، وتعتمد على كمية المادة (كتلتها) بالإضافة إلى درجة حرارتها.

فمثلًا، كوب ماء صغير وبركة ماء كبيرة قد يكونان عند نفس درجة الحرارة (نفس متوسط طاقة حركة الجسيم الواحد)، لكن الطاقة الداخلية الكلية للبركة أكبر بكثير من الكوب؛ لأن عدد الجسيمات (الكتلة) في البركة أكبر كثيرًا.

الحرارة النوعية

الحرارة النوعية لمادة ما هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد منها درجة مئوية واحدة، ويُرمز لها بالرمز $c$ ، ووحدتها في النظام الدولي جول/(كجم·°م). وتختلف الحرارة النوعية من مادة لأخرى؛ فالماء له حرارة نوعية عالية جدًا (حوالي 4200 جول/كجم·°م) مقارنة بمعظم المواد الأخرى، مما يعني أنه يحتاج كمية حرارة كبيرة نسبيًا لترتفع درجة حرارته، وكذلك يفقد كمية حرارة كبيرة عند انخفاض درجة حرارته درجة واحدة فقط.

قانون كمية الحرارة

تُحسب كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة من جسم (دون تغيير حالته) بالعلاقة:

Q = m \times c \times \Delta T

حيث:

$Q$ : كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة، وتُقاس بالجول (J).
$m$ : كتلة المادة، وتُقاس بالكيلوجرام (kg).
$c$ : الحرارة النوعية للمادة، وتُقاس بوحدة J/(kg·°C).
$\Delta T$ : التغير في درجة الحرارة (درجة الحرارة النهائية − درجة الحرارة الابتدائية)، وتُقاس بالدرجة المئوية (°C).

تفسير الأثر المعتدل للبحار والمحيطات على المناخ

نظرًا للحرارة النوعية العالية جدًا للماء، فإن المسطحات المائية الكبيرة (البحار والمحيطات) تمتص كميات هائلة من الحرارة نهارًا دون أن ترتفع درجة حرارتها كثيرًا، وتفقد كميات كبيرة من الحرارة ليلًا دون أن تنخفض درجة حرارتها كثيرًا أيضًا، فتعمل كخزان حراري يعدّل من درجات الحرارة في المناطق الساحلية، مما يفسر اعتدال مناخ المناطق القريبة من البحر مقارنة بالمناطق الصحراوية البعيدة عن المسطحات المائية.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: احسب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 2 كجم من الماء من 20°م إلى 70°م، علمًا بأن الحرارة النوعية للماء تساوي 4200 J/(kg·°C).

الحل:

Q = m \times c \times \Delta T = 2 \times 4200 \times (70 - 20) = 2 \times 4200 \times 50 = 420000 \ \text{J} = 420 \ \text{kJ}

مثال 2: فقد جسم معدني كتلته 0.5 كجم كمية حرارة قدرها 4500 جول فانخفضت درجة حرارته من 100°م إلى 80°م. احسب الحرارة النوعية لهذا المعدن.

الحل: بما أن $\Delta T = 100 - 80 = 20$ °م، فمن القانون:

c = \frac{Q}{m \times \Delta T} = \frac{4500}{0.5 \times 20} = \frac{4500}{10} = 450 \ \text{J/(kg·°C)}

المفاهيم الأساسية

الطاقة الداخلية = مجموع طاقتي الحركة والوضع لجسيمات المادة، وتعتمد على الكتلة ودرجة الحرارة معًا.
درجة الحرارة مقياس لمتوسط طاقة حركة الجسيم الواحد، ولا تعتمد على كمية المادة.
الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم من المادة درجة مئوية واحدة.
قانون كمية الحرارة: $Q = m \times c \times \Delta T$ .
ارتفاع الحرارة النوعية للماء يجعله معتدلًا مناخيًا للمناطق الساحلية.

ملخص الدرس

الطاقة الداخلية هي مجموع طاقتي الحركة والوضع لجسيمات المادة، ولذلك تعتمد على كتلة المادة ودرجة حرارتها معًا، أما درجة الحرارة فتعبر عن متوسط طاقة حركة الجسيمات ولا تعتمد على كمية المادة. الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة $1$ كجم من المادة درجة واحدة، ونحسب كمية الحرارة بالقانون $Q = m \times c \times \Delta T$ . وارتفاع الحرارة النوعية للماء يفسر اعتدال مناخ المناطق الساحلية.

أسئلة للتدريب

وضّح الفرق بين الطاقة الداخلية ودرجة الحرارة بمثال عملي.
عرّف الحرارة النوعية، واذكر وحدة قياسها.
احسب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 3 كجم من مادة حرارتها النوعية 900 J/(kg·°C) بمقدار 40 درجة مئوية.
لماذا يكون مناخ المناطق الساحلية أكثر اعتدالًا من المناطق الصحراوية البعيدة عن البحر؟