صفحة 184 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 الكفاءة والمبردات والمضخات الحرارية

المفاهيم الأساسية

الكفاءة الفعلية للمحرك: تعبر عن نسبة الشغل النافع (W) إلى كمية الحرارة الداخلة (QH)، وتُحسب بالعلاقة: \text{الكفاءة} = \frac{W}{Q_H}

المبرد (الثلاجة): آلة تنقل الطاقة الحرارية من جسم أبرد إلى جسم أسخن باستخدام شغل ميكانيكي.

المضخة الحرارية: مبرد يعمل في اتجاهين؛ لتبريد المنزل في الصيف وتدفئته في الشتاء.

خريطة المفاهيم

```markmap

المحركات الحرارية

تعريف المحرك الحراري

• أداة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية باستمرار
• العملية العكسية (من ميكانيكي إلى حراري) تحدث بسهولة

مكونات المحرك الحراري

• مصدر ذو درجة حرارة مرتفعة (يمتص منه الحرارة)
• مستقبل (مصرف) ذو درجة حرارة منخفضة (يمتص الحرارة)
• طريقة لتحويل الطاقة الحرارية إلى شغل

مثال: محرك الاحتراق الداخلي (محرك السيارة)

• يشتعل بخار الجازولين المخلوط بالهواء في الأسطوانة
• يتمدد الهواء ويدفع المكبس (تحويل حراري إلى ميكانيكي)
• دورة العمل (تتكرر عدة مرات كل دقيقة)

- الإدخال

- الضغط

- الاشتعال

- العادم

الحرارة الضائعة

• لا تتحول كل الطاقة الحرارية الناتجة عن الاشتعال إلى شغل
• جزء من الحرارة ينتقل إلى الهواء الخارجي والمبرد
• هذه الحرارة غير المتحولة إلى شغل تسمى (Q)

الكفاءة

• الكفاءة الفعلية = الشغل النافع / الحرارة الداخلة (W/QH)
• لا تصل كفاءة أي محرك إلى 100% بسبب وجود حرارة مفقودة (QL) دائماً
• الشغل الناتج: W = Q_H - Q_L

المحركات الشمسية

• تستخدم الطاقة الشمسية (موجات كهرومغناطيسية) لتسخين مجمعات
• تنتقل الحرارة من المجمعات إلى المحرك لتحويلها إلى شغل نافع وحرارة مفقودة

المبردات (الثلاجات)

• تنتقل الحرارة تلقائياً من الساخن إلى البارد
• المبرد: ينقل الحرارة من الجسم الأبرد إلى الأسخن ببذل شغل
• مبدأ العمل (كما في الشكل 13-6):

- يمتص الحرارة (QL) من داخل الثلاجة (المستودع البارد)

- يبذل شغل (W) عليه (عن طريق محرك كهربائي)

- يطرد الحرارة (QH) إلى خارج الثلاجة (المستودع الساخن)

- العلاقة: Q_H = W + Q_L

المضخات الحرارية

• هي مبردات تعمل في اتجاهين
• الصيف: تنتزع الحرارة من داخل المنزل (لتبريده)
• الشتاء: تنتزع الحرارة من الهواء البارد الخارج وتنقلها لداخل المنزل (لتدفئته)
• تتطلب طاقة ميكانيكية في كلتا الحالتين

```

نقاط مهمة

• لا يوجد محرك حراري يحول كل الطاقة الحرارية الداخلة إلى شغل نافع بسبب وجود حرارة ضائعة (مفقودة).
• كفاءة المحرك هي نسبة الشغل النافع إلى الحرارة الداخلة، وهي دائماً أقل من 100%.
• يعمل المبرد عكس الاتجاه التلقائي لانتقال الحرارة، مما يتطلب بذل شغل.
• المضخة الحرارية هي تطبيق عملي للمبرد، تستخدم نفس المبدأ للتبريد والتدفئة.

للمحرك لا تتغير، أو W - Q = AU = 0. ومحصلة كمية الحرارة التي تدخل المحرك هي Q = QL؛ لذا يكون الشغل الذي يبذله المحرك هو W = QH - QL. وتولد جميع المحركات الحرارية حرارة ضائعة (مفقودة)، ولذا لا يوجد محرك يحول الطاقة كلها إلى شغل أو حركة نافعة.

الكفاءة

يتحدث المهندسون وبائعو السيارات عن كفاءة استهلاك الوقود في محركات المركبات، حيث يشيرون إلى كمية الحرارة الداخلة، QH، التي تتحول إلى شغل نافع W. ويعبر عن الكفاءة الفعلية للمحرك بالنسبة W/QH. ومن الممكن أن تساوي الكفاءة مئة في المئة إذا تحولت الحرارة الداخلة كلها إلى شغل بفعل المحرك. ولكن بسبب وجود حرارة مفقودة دائما، لا تصل كفاءة أغلب المحركات - حتى إن كانت ذات كفاءة عالية - إلى مئة في المئة.

تعمل بعض المحركات بالطاقة الشمسية فتتجمع الحرارة في المجمعات الشمسية عند درجة حرارة عالية، ثم تستخدم لتشغيل المحركات، حيث تنتقل الطاقة الشمسية في صورة موجات كهرومغناطيسية تعمل على زيادة الطاقة الداخلية للمجمعات الشمسية، ثم تنتقل هذه الطاقة في صورة حرارة إلى المحرك. الذي يعمل على تحويلها إلى شغل نافع وحرارة مفقودة.

المبردات (الثلاجات)

تتدفق الحرارة تلقائيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد. وعلى الرغم من ذلك، فإنه يمكن انتزاع الطاقة الحرارية من الجسم الأبرد وإضافتها إلى الجسم الأسخن ببذل شغل معين. ويعد المبرد مثالا على الآلة التي تحقق هذا الانتقال باستخدام شغل ميكانيكي؛ حيث تعمل الطاقة الكهربائية على تشغيل محرك، فيبذل المحرك شغلا على الغاز فيضغطه.

يعبر الغاز الذي ينقل الحرارة من داخل المبرد (الثلاجة) عن طريق الضاغط إلى ملفات التكثيف الموجودة خارج المبرد (خلف الثلاجة)، حيث يبرد متحولا إلى سائل، وتنتقل الطاقة الحرارية المفقودة بسبب إسالة الغاز إلى الهواء الموجود في الغرفة، ثم يعود السائل إلى داخل الثلاجة، فيتبخر بعد أن يمتص الطاقة الحرارية مما يحيط به (أي من داخل الثلاجة)، ويتكرر بعد ذلك إلى الضاغط، وتتكرر هذه العملية، ويكون التغير الكلي في الطاقة الحرارية للغاز يساوي صفرا؛ لذا واستنادا إلى القانون الأول في الديناميكا الحرارية، فإن مجموع الطاقة المأخوذة من محتويات المبرد والشغل المبذول بفعل المحرك يساوي الحرارة المنبعثة، كما يبين الشكل 13-6.

المضخات الحرارية

إن المضخة الحرارية عبارة عن مبرد يعمل في اتجاهين، فتنتزع الحرارة في الصيف من المنزل، ولذا يبرد المنزل. أما في الشتاء فتنتزع الحرارة من الهواء البارد الذي في الخارج وتنقلها إلى داخل المنزل لتدفئته. وفي كلتا الحالتين، يتطلب ذلك طاقة ميكانيكية لنقل الحرارة من الجسم الأبرد إلى الجسم الأدفأ.

وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447

184

للمحرك لا تتغير، أو W - Q = AU = 0. ومحصلة كمية الحرارة التي تدخل المحرك هي Q = QL؛ لذا يكون الشغل الذي يبذله المحرك هو W = QH - QL. وتولد جميع المحركات الحرارية حرارة ضائعة (مفقودة)، ولذا لا يوجد محرك يحول الطاقة كلها إلى شغل أو حركة نافعة. الكفاءة يتحدث المهندسون وبائعو السيارات عن كفاءة استهلاك الوقود في محركات المركبات، حيث يشيرون إلى كمية الحرارة الداخلة، QH، التي تتحول إلى شغل نافع W. ويعبر عن الكفاءة الفعلية للمحرك بالنسبة W/QH. ومن الممكن أن تساوي الكفاءة مئة في المئة إذا تحولت الحرارة الداخلة كلها إلى شغل بفعل المحرك. ولكن بسبب وجود حرارة مفقودة دائما، لا تصل كفاءة أغلب المحركات - حتى إن كانت ذات كفاءة عالية - إلى مئة في المئة. تعمل بعض المحركات بالطاقة الشمسية فتتجمع الحرارة في المجمعات الشمسية عند درجة حرارة عالية، ثم تستخدم لتشغيل المحركات، حيث تنتقل الطاقة الشمسية في صورة موجات كهرومغناطيسية تعمل على زيادة الطاقة الداخلية للمجمعات الشمسية، ثم تنتقل هذه الطاقة في صورة حرارة إلى المحرك. الذي يعمل على تحويلها إلى شغل نافع وحرارة مفقودة. المبردات (الثلاجات) تتدفق الحرارة تلقائيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد. وعلى الرغم من ذلك، فإنه يمكن انتزاع الطاقة الحرارية من الجسم الأبرد وإضافتها إلى الجسم الأسخن ببذل شغل معين. ويعد المبرد مثالا على الآلة التي تحقق هذا الانتقال باستخدام شغل ميكانيكي؛ حيث تعمل الطاقة الكهربائية على تشغيل محرك، فيبذل المحرك شغلا على الغاز فيضغطه. يعبر الغاز الذي ينقل الحرارة من داخل المبرد (الثلاجة) عن طريق الضاغط إلى ملفات التكثيف الموجودة خارج المبرد (خلف الثلاجة)، حيث يبرد متحولا إلى سائل، وتنتقل الطاقة الحرارية المفقودة بسبب إسالة الغاز إلى الهواء الموجود في الغرفة، ثم يعود السائل إلى داخل الثلاجة، فيتبخر بعد أن يمتص الطاقة الحرارية مما يحيط به (أي من داخل الثلاجة)، ويتكرر بعد ذلك إلى الضاغط، وتتكرر هذه العملية، ويكون التغير الكلي في الطاقة الحرارية للغاز يساوي صفرا؛ لذا واستنادا إلى القانون الأول في الديناميكا الحرارية، فإن مجموع الطاقة المأخوذة من محتويات المبرد والشغل المبذول بفعل المحرك يساوي الحرارة المنبعثة، كما يبين الشكل 13-6. المضخات الحرارية إن المضخة الحرارية عبارة عن مبرد يعمل في اتجاهين، فتنتزع الحرارة في الصيف من المنزل، ولذا يبرد المنزل. أما في الشتاء فتنتزع الحرارة من الهواء البارد الذي في الخارج وتنقلها إلى داخل المنزل لتدفئته. وفي كلتا الحالتين، يتطلب ذلك طاقة ميكانيكية لنقل الحرارة من الجسم الأبرد إلى الجسم الأدفأ. وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447 184 --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: الشكل 13-6: يمتص المبرد الحرارة QL من المستودع البارد ويبعث الحرارة QH إلى المستودع الساخن، ببدل شغل W على المبرد. Description: A schematic diagram illustrating the operation of a refrigerator/heat pump. It shows a central 'مبرد' (cooler) unit. Heat QL is absorbed from a 'مستودع بارد عند TL' (cold reservoir at TL) and work W is input into the cooler. Heat QH is rejected to a 'مستودع ساخن عند TH' (hot reservoir at TH). Arrows indicate the direction of heat flow and work input. The equation QH = W + QL is explicitly shown, representing the energy balance. Key Values: TH, TL, QH, QL, W Context: Illustrates the first law of thermodynamics applied to a refrigerator, showing the relationship between heat absorbed, work input, and heat rejected.