مثال 1 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 انتقال الحرارة والحرارة النوعية

المفاهيم الأساسية

كمية الحرارة (Q): الطاقة المكتسبة أو المفقودة من جسم ما عند تغير درجة حرارته.

الحرارة النوعية (C): خاصية للمادة تحدد مقدار الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم منها بمقدار 1 كلفن أو 1 سلسيوس.

خريطة المفاهيم

```markmap

6-2 الاتزان والقياس الحراري

الاتزان الحراري

تعريف

#### حالة تساوي معدل تدفق الطاقة بين جسمين

#### حالة تساوي درجة الحرارة بين الجسمين

توضيح (الشكل 3-6)

#### قبل الاتزان

##### الجسم الساخن: جزيئات أسرع (KE أكبر)

##### الجسم البارد: جزيئات أبطأ (KE أقل)

#### بعد الاتزان

##### جزيئات الجسمين لها متوسط سرعات متساوية

##### KE_A = KE_B

قياس درجة الحرارة

مبدأ العمل

#### يعتمد على تغير خاصية فيزيائية (مثل الحجم) بتغير درجة الحرارة

أنواع مقاييس الحرارة

#### مقاييس منزلية (سائلية)

##### تحتوي على كحول ملون

##### يسخن ويرتفع في أنبوب ضيق

##### كلما زادت الحرارة، تمدد وزاد ارتفاعه

#### مقاييس سائل - بلوري

##### يتغير لون البلورة بتغير درجة الحرارة

##### تشير إلى درجة الحرارة عبر اللون

#### مقاييس طبية وإلكترونية

##### تستخدم دوائر إلكترونية حساسة للحرارة

##### تقيس درجات الحرارة بسرعة

توضيح (الشكل 4-6)

#### مقياس حرارة بلوري

##### يظهر تغير اللون مع تغير درجة الحرارة

##### من 32-35°م (أحمر/برتقالي غامق) إلى 13-16°م (أزرق/أخضر فاتح)

مقاييس درجة الحرارة

مقياس سلسيوس (°س)

#### ابتكره أندرييه سلسيوس (1741)

#### يعتمد على خصائص الماء

##### نقطة تجمد الماء النقي: 0°س

##### نقطة غليان الماء النقي عند مستوى سطح البحر: 100°س

مقياس كلفن (K)

#### الصفر المطلق

##### -273.15 °C

##### لا يمكن الوصول إلى درجة أقل منها

##### حجم الغاز يصبح مساويًا لحجم الذرات

##### تفقد الذرات طاقتها الحرارية كاملة

#### العلاقة مع السلسيوس

##### الدرجة الواحدة في كلفن تساوي 1 °C

##### العلاقة الرياضية: T_K = 273 + T_C

##### نقطة تجمد الماء: 273 K تقريبًا

##### نقطة غليان الماء: 373 K تقريبًا

#### الميزة العلمية

##### يبدأ من الصفر المطلق (لا توجد درجات سالبة)

##### مناسب للمسائل العلمية والهندسية

مدى درجات الحرارة في الكون (الشكل 5-6)

مدى واسع جدًا

أمثلة على المقياس اللوغاريتمي (كلفن)

#### 10^-8 K: أقل درجة حرارة في المختبر

#### 10^-2 K: يتحول الهيليوم إلى سائل

#### 100 K: توجد الحياة

#### 10^4 K: اللهب

#### 10^7 K: مركز الشمس

#### 10^10 K: انفجارات السوبرنوفا

الوصول إلى درجات حرارة منخفضة

جعل الغازات سائلة (مثال: الهيليوم عند 4.2 K)

استخدام خصائص المواد الصلبة ونظائر الهيليوم والذرات والليزر

الحرارة وتدفق الطاقة الحرارية

الحرارة (Q)

#### تعريف

##### الطاقة التي تنتقل بين جسمين عند تلامسهما

#### اتجاه التدفق

##### من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد فقط

#### رمز ووحدة القياس

##### الرمز: Q

##### الوحدة: الجول (J)

#### إشارة Q

##### Q موجبة: الجسم يمتص الحرارة

##### Q سالبة: الجسم يبعث الحرارة

طرق انتقال الحرارة

#### التوصيل الحراري

##### انتقال الحرارة عبر التلامس المباشر بين الجزيئات

##### مثال: تسخين قضيب معدني

#### الحمل الحراري

##### انتقال الحرارة بسبب حركة المائع (سائل/غاز) الناتجة عن اختلاف درجة الحرارة

##### مثال: غليان الماء، الاضطرابات الجوية

#### الإشعاع الحراري

##### انتقال الطاقة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية

##### لا يعتمد على وجود وسط مادي

##### مثال: تسخين الشمس للأرض عبر الفضاء

تطبيق الفيزياء: التدفئة بالبخار

#### مبدأ العمل

##### يتحول الماء إلى بخار في المرجل

##### ينتقل البخار عبر أنابيب معزولة إلى المشعاع

##### يتكثف البخار داخل المشعاع محررًا الحرارة

##### يعود الماء إلى المرجل لإعادة التبخير

#### العيوب

##### تكلفة مرتفعة للمراحل والأنابيب

##### الحاجة لأنابيب تتحمل البخار المضغوط

الحرارة النوعية

تعريف

#### كمية الطاقة (J) اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم من المادة بمقدار 1 °C أو 1 K

#### الرمز: C

تفسير ظاهرة يومية

#### تعرض الرمل وماء البحر لنفس الطاقة الشمسية

#### الرمس يسخن أكثر من الماء لأن حرارته النوعية أقل

قيم الحرارة النوعية (الجدول 6-1)

#### الألومنيوم: 897 J/(kg.K)

#### الماء: 4180 J/(kg.K)

#### الحديد: 2450 J/(kg.K)

#### النحاس: 385 J/(kg.K)

حساب كمية الحرارة

العوامل المؤثرة

#### كتلة الجسم (m)

#### التغير في درجة الحرارة (ΔT)

#### الحرارة النوعية للمادة (C)

المعادلة

#### Q = m C \Delta T = m C (T_x - T_1)

ملاحظات على الوحدات

#### ΔT: يمكن استخدام الكلفن (K) أو السلسيوس (°C) لأن الدرجة الواحدة متساوية في كلا المقياسين.

#### Q: تقاس بوحدة الجول (J).

مثال تطبيقي (مثال 1)

#### السيناريو: تسخين مقلاة حديد كتلتها 5.10 kg من 295 K إلى 450 K.

#### المعطيات: m = 5.10 kg, C = 450 J/kg.K, T₁ = 295 K, Tₓ = 450 K.

#### الحل:

##### Q = (5.10)(450)(450 - 295) = 3.6 \times 10^5 J

#### تقييم الإجابة:

##### الوحدات صحيحة (J).

##### Q موجبة لأن درجة الحرارة زادت (امتصاص حرارة).

```

نقاط مهمة

• تعتمد كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة على: الكتلة (m)، التغير في درجة الحرارة (ΔT)، والحرارة النوعية للمادة (C).
• للماء حرارة نوعية مرتفعة جدًا (4180 J/kg.K) مقارنة بمعظم المواد.
• عند حساب ΔT، يمكن استخدام الدرجة المئوية أو الكلفن لأن الفرق بين درجتي الحرارة متساوٍ في كلا المقياسين.
• في المعادلة Q = m C \Delta T، تكون Q موجبة عندما يمتص الجسم حرارة (ترتفع درجة حرارته)، وسالبة عندما يفقد حرارة (تنخفض درجة حرارته).

إن مقدار الحرارة التي يكتسبها جسم ما أو يفقدها عند تغير درجة حرارته يعتمد على كتلته، وعلى التغير في درجة حرارته، وعلى الحرارة النوعية لمادة الجسم، وتستطيع باستخدام المعادلة الآتية حساب كمية الحرارة (Q) اللازم لتغير درجة حرارة الجسم.

كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة Q = mcΔT = mc(Tₓ - T₁)

كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة تساوي كتلة الجسم مضروبة في الفرق بين درجتي حرارته النهائية والابتدائية.

لإلماء السائل حرارة نوعية مرتفعة مقارنة بالمواد الأخرى في الجدول 1-6، ولما قندما ترفع حرارة حرارة 10.0 kg من الماء بمقدار K 5.0 فإن الطاقة الممتصة هي:

Q = (10.0 kg) (4180 J/kg.K) (5.0 K) = 2.1 × 10⁵ J

تذكر أن التدريج الواحد في مقياس كلفن يعادل تدريجًا واحدًا في مقياس سلسيوس، وهذا السبب تستطيع حساب ΔT بوحدة الكلفن أو السلسيوس.

انتقال الحرارة إذا تم تسخين مقلاة من الحديد الصلب كتلتها 5.10 kg على موقد فارتفعت درجة حرارتها من K 295 إلى K 450، فما مقدار كمية الحرارة التي يكتسبها الحديد؟

ارسم تدفق الحرارة نحو المقلاة من قيمة الموقد.

المعلوم

C = 450 J/kg.K m = 5.10 kg Tₓ = 450 K T₁ = 295 K

المجهول

Q = ?

ترتيب العمليات 213

عوض مستخدمًا

Q = m C (Tₓ - T₁) = (5.10 kg) (450 J/kg.K) (450 K - 295 K) = 3.6 × 10⁵ J

m=5.10kg,C=450J/kg.K,Tₓ=450K,T₁=295K

هل الوحدات صحيحة؟ تقاس كمية الحرارة بوحدة J.

هل الإشارات مهمة هنا؟ زادت درجة الحرارة؛ لذا تكون Q موجبة.

وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447

172

إن مقدار الحرارة التي يكتسبها جسم ما أو يفقدها عند تغير درجة حرارته يعتمد على كتلته، وعلى التغير في درجة حرارته، وعلى الحرارة النوعية لمادة الجسم، وتستطيع باستخدام المعادلة الآتية حساب كمية الحرارة (Q) اللازم لتغير درجة حرارة الجسم. كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة Q = mcΔT = mc(Tₓ - T₁) كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة تساوي كتلة الجسم مضروبة في الفرق بين درجتي حرارته النهائية والابتدائية. لإلماء السائل حرارة نوعية مرتفعة مقارنة بالمواد الأخرى في الجدول 1-6، ولما قندما ترفع حرارة حرارة 10.0 kg من الماء بمقدار K 5.0 فإن الطاقة الممتصة هي: Q = (10.0 kg) (4180 J/kg.K) (5.0 K) = 2.1 × 10⁵ J تذكر أن التدريج الواحد في مقياس كلفن يعادل تدريجًا واحدًا في مقياس سلسيوس، وهذا السبب تستطيع حساب ΔT بوحدة الكلفن أو السلسيوس. --- SECTION: مثال 1 --- انتقال الحرارة إذا تم تسخين مقلاة من الحديد الصلب كتلتها 5.10 kg على موقد فارتفعت درجة حرارتها من K 295 إلى K 450، فما مقدار كمية الحرارة التي يكتسبها الحديد؟ --- SECTION: تحليل المسألة ورسمها --- ارسم تدفق الحرارة نحو المقلاة من قيمة الموقد. المعلوم C = 450 J/kg.K m = 5.10 kg Tₓ = 450 K T₁ = 295 K المجهول Q = ? --- SECTION: دليل الرياضيات --- ترتيب العمليات 213 --- SECTION: إيجاد الكمية المجهولة --- عوض مستخدمًا Q = m C (Tₓ - T₁) = (5.10 kg) (450 J/kg.K) (450 K - 295 K) = 3.6 × 10⁵ J m=5.10kg,C=450J/kg.K,Tₓ=450K,T₁=295K --- SECTION: تقويم الجواب --- هل الوحدات صحيحة؟ تقاس كمية الحرارة بوحدة J. هل الإشارات مهمة هنا؟ زادت درجة الحرارة؛ لذا تكون Q موجبة. وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447 172 --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: Figure 1: Heating a pan Description: An illustration showing a pan on a stovetop with three heating elements. The pan is labeled with its mass (m = 5.10 kg). Below the pan, three temperature indicators are shown: T₁ = 295 K, Tₓ = 450 K, and Q is indicated as the heat transferred. Key Values: m = 5.10 kg, T₁ = 295 K, Tₓ = 450 K Context: Illustrates the physical scenario of heating a pan, providing the given values for mass and temperatures used in the calculation.