المحركات الحرارية - كتاب العلوم - الصف 8 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

📚 المحركات الحرارية وآلة الاحتراق الداخلي

المفاهيم الأساسية

المحرك الحراري: آلة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية (مجموع طاقتي الحركة والوضع).

آلة الاحتراق الداخلي: محرك حراري يحوي داخلها حجرة احتراق خاصة يحترق فيها الوقود.

الشغل: نقل الطاقة عن طريق التأثير بقوة لمسافة محددة.

خريطة المفاهيم

```markmap

الفصل ۱۱: الطاقة الحرارية

الدرس الأول: درجة الحرارة

مقاييس درجات الحرارة

#### المقياس السلسيوس (°س)

• درجة تجمد الماء: 0 °س
• درجة غليان الماء: 100 °س
• المسافة بينهما مقسمة إلى 100 جزء متساوٍ.

#### المقياس الفهرنهايتي (°ف)

• درجة تجمد الماء: 32 °ف
• درجة غليان الماء: 212 °ف
• المسافة بينهما مقسمة إلى 180 جزءًا متساويًا.

#### مقياس الكلفن (المطلق) (ك)

• الصفر المطلق: أقل درجة حرارة ممكنة.
• درجة تجمد الماء: 273 ك
• درجة غليان الماء: 373 ك
• المسافة بين التجمد والغليان مقسمة إلى 100 جزء متساوية.
• الدرجة الواحدة على مقياس كلفن = درجة سلسيوس واحدة.

تحويل درجات الحرارة

#### من فهرنهايت إلى سلسيوس

°س = (5/9) (°ف - 32)

#### من سلسيوس إلى فهرنهايت

°ف = (9/5) (°س) + 32

#### من سلسيوس إلى كلفن

ك = °س + ۲۷۳

الدرس الثاني: طرق انتقال الطاقة الحرارية

الأهداف

• تصف ثلاث طرائق تنتقل بها الطاقة الحرارية.
• تميز المواد الموصلة والمواد العازلة.

الأهمية

• السيطرة على انتقال الحرارة من المنزل وإليه للحفاظ على أجواء معتدلة.

المفردات

#### مراجعة

• الحرارة
• الموجة الكهرومغناطيسية

#### جديدة

• التوصيل
• الموصل
• الإشعاع
• الحرارة النوعية
• الحَمل الحراري
• التلوث الحراري

طرق انتقال الحرارة

#### القاعدة الأساسية

• تنتقل الحرارة من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد دائماً.
• لا يمكن أن تنتقل في الاتجاه المعاكس.

#### الطرق الثلاث

• التوصيل
• الإشعاع
• الحَمل

#### التوصيل

• تعريف: انتقال الحرارة بالتلامس المباشر.
• آلية: يحدث عندما تتصادم جزيئات مادة ما مع الجزيئات المجاورة لها.
• مثال: أكل فطيرة ساخنة أو وضع مكعب ثلج على اليد.
• خصائصه (من الصفحة 157):

- يحدث عادة في المواد الصلبة بسبب قرب جزيئاتها.

- تكون سرعة انتقال الحرارة به في المواد الصلبة أسرع من السوائل والغازات.

#### الإشعاع

• تعريف (من الصفحة 157): انتقال الطاقة الحرارية على شكل موجات كهرومغناطيسية.
• خصائصه (من الصفحة 157):

- يمكن أن يحدث خلال الفراغ (مثل انتقال حرارة الشمس للأرض).

- يحدث أيضًا في المواد الصلبة والسائلة والغازات.

- كل الأجسام تصدر إشعاعًا، والأجسام الساخنة تصدر أكثر من الباردة.

- مثال: الدفء أمام المدفأة.

#### الحَمل الحراري

• تعريف (من الصفحة 157): انتقال الطاقة الحرارية داخل المادة (الموائع) عن طريق حركة الجزيئات نفسها حاملةً طاقتها.
• خصائصه (من الصفحة 157):

- يحدث في السوائل والغازات (الموائع) حيث تتحرك الجزيئات بحرية أكبر.

- مثال: تسخين الماء في إبريق.

• أنواعه (من الصفحة 158):

- الحمل الحراري الطبيعي

- آلية: صعود المائع الساخن قليل الكثافة لأعلى، ودفع المائع البارد عالي الكثافة للأسفل.

- مثال: تشكل نسمات الرياح عند شاطئ البحر في النهار.

- الحمل الحراري القسري

- تعريف: نقل الطاقة الحرارية بشكل قسري باستخدام قوة خارجية لتحريك المائع.

- مثال: استخدام مروحة في الحاسوب لدفع الهواء البارد نحو المكونات الإلكترونية الساخنة (كما في الشكل ٦).

الموصلات الحرارية

#### تعريف الموصل

• أي مادة تنقل الطاقة الحرارية بسهولة.

#### سبب التوصيل الجيد

• في بعض المواد (مثل الفلزات)، تكون الإلكترونات ضعيفة الارتباط بالنواة، مما يسمح لها بالحركة الحرة والمساعدة في نقل الطاقة الحرارية.

#### أمثلة على الموصلات الجيدة

• الفلزات مثل الألومنيوم والنحاس والذهب.
• استخداماتها: صناعة قدور الطبخ.

العوازل الحرارية

#### تعريف العازل الحراري

• مادة لا تنتقل الطاقة الحرارية خلالها بسهولة.

#### خصائص العوازل

• يكون العزل الحراري للسوائل والغازات أفضل منه للمواد الصلبة.
• الهواء عازل جيد.
• تحتوي معظم المواد العازلة على فقاعات هوائية تقلل انتقال الحرارة بالتوصيل.
• الموصلات الجيدة (مثل الفلزات) تكون عوازل رديئة، والعكس صحيح.

#### أمثلة على استخدامات العوازل

• مقابض أواني الطهي.
• طبقة عازلة في جدران المنازل (مثل الصوف الصخري).
• الزجاج المزدوج في النوافذ والثلاجات، حيث يحصر طبقة من الهواء أو غاز عازل.

امتصاص الحرارة

#### الحرارة النوعية

• تعريف: مقدار الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم من المادة درجة سلسيوسية واحدة.
• المواد ذات الحرارة النوعية العالية تحتاج إلى طاقة أكبر لرفع درجة حرارتها مقارنة بالمواد ذات الحرارة النوعية المنخفضة.

#### أمثلة تطبيقية

• الرمل له حرارة نوعية أقل من الماء، فيسخن أسرع في النهار ويبرد أسرع في الليل.
• الأسفلت يسخن أكثر من العشب في يوم حار.

التلوث الحراري

#### تعريف

• ارتفاع درجة حرارة الماء الناتج عن إضافة ماء حار إليه.

#### الأسباب

• طرح الماء الحار من المصانع ومحطات توليد الطاقة في المسطحات المائية.
• سقوط مياه الأمطار على الطرق الحارة ثم انسيابها إلى النهر أو البحيرة.

#### الآثار

• يجبر الكائنات المائية على استهلاك أكسجين أكثر.
• الماء الدافئ يحتوي على أكسجين مذاب أقل من الماء البارد، مما قد يؤدي لموت بعض الكائنات.
• يزيد حساسية الكائنات المائية للملوثات الكيميائية والطفيليات والأمراض.

#### الحلول

• تبريد الماء الحار قبل إلقائه في المسطحات المائية.
• استخدام أبراج تبريد خاصة (كما في الشكل ٨).

الدرس الثالث: المحركات الحرارية

الأهداف

• تصف عمل المحرك الحراري.
• تصف كيف تعمل آلة الاحتراق الداخلي.
• توضح كيف تعمل الثلاجة على نقل الطاقة الحرارية.

الأهمية

• تمكننا المحركات الحرارية من السفر مسافات بعيدة.

المفردات

#### مراجعة

• الشغل

#### جديدة

• المحرك الحراري
• آلة الاحتراق الداخلي

المحرك الحراري

• تعريف: آلة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.
• الطاقة الميكانيكية: مجموع طاقتي الحركة والوضع.
• مثال: محرك السيارة يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، مما يزيد سرعة السيارة وطاقتها الحركية.

آلة الاحتراق الداخلي

• تعريف: محرك حراري يحوي داخله حجرة احتراق خاصة يحترق فيها الوقود.
• الاستخدامات: السيارات، الشاحنات، القوارب، الطائرات، مجز العشب.

#### مكوناتها وطريقة عملها

• تتكون من أسطوانات (حجرات احتراق) أسطوانية الشكل.
• كل أسطوانة تحتوي على مكبس يتحرك لأعلى ولأسفل.
• آلية العمل:

1. يحقن خليط من الوقود والهواء في الأسطوانة.

2. يُشعل الخليط بشمعة الاحتراق، فيشتعل انفجارياً.

3. الانفجار يدفع المكبس إلى أسفل.

4. تتحول الحركة الترددية للمكابس إلى حركة دورانية.

5. الحركة الدورانية تدير المحور الرئيسي الذي يدير العجلات.

• أنواعها:

- محرك الديزل: يضغط الهواء لدرجة عالية فيشتعل الوقود دون شمعة احتراق.

- محرك مجز العشب: يعمل بالبنزين، ويدمج الأشواط الأربعة في شوطين.

```

نقاط مهمة

• المحركات الحرارية تستخدم في السيارات والشاحنات والدراجات النارية.
• كلما زاد عدد أسطوانات المحرك، زادت قدرته.
• تعمل آلة الاحتراق الداخلي خلال دورة الأشواط الأربعة لتحويل الطاقة الحرارية إلى حركية.

تستخدم المحركات الحرارية في السيارات والشاحنات وغيرها من المركبات، ومنها الدراجة النارية الموضحة في الشكل ٩. المحرك الحراري Heat Engine آلة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، والطاقة الميكانيكية تمثل مجموع طاقتي الحركة والوضع للجسم. فعندما يعمل محرك السيارة يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة الحركة، ويزيد من سرعة السيارة وطاقتها الحركية.

Internal Combustion Machine تتميز آلة الاحتراق الداخلي بأنها تحوي داخلها حجرة احتراق خاصة يحترق فيها الوقود، وتستخدم العديد من المركبات والآليات آلة الاحتراق الداخلي، ومنها السيارات والشاحنات والقوارب والطائرات وحتى محز العشب.

تتكون محركات معظم السيارات من أربع أسطوانات الشكل، وكلما زاد عدد أسطواناتها المحرك زادت قدرته، ويوجد في كل أسطوانة مكبس يتحرك داخلها إلى أعلى وإلى أسفل. وتحقق الأسطوانة خليطاً من الوقود والهواء، ثم يُشعل هذا الخليط بشمعة الاحتراق، حيث يشتعل الوقود بشكل انفجاري فيدفع المكبس إلى أسفل. وتتحول الحركة الترددية (صعوداً وهبوطاً) إلى حركة دورانية، تدير المحور الرئيس للمحرك، الذي يدير عجلات السيارة. ويبين الشكل ١٠ مراحل عمل آلة الاحتراق الداخلي في تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية، خلال دورة الأسطوانة الأربعة. لقد تم تصميم آلة متعددة من آلة الاحتراق الداخلي لتصميم أشكال متعددة من حجرة الاحتراق لدرجة عالية؛ بحيث يشتعل الوقود دون الحاجة إلى شمعة الاحتراق. أما محرك عشب فهو محرك يعمل بالبنزين، ويدمج عادة الأسطوانة في شُوطين؛ شُوط الاحتراق والضغط، وشُوط الشفط، وشُوط العادم.

كيف يؤدي احتراق مخلوط الوقود والهواء إلى تحريك المكبس؟

تصف عمل المحرك الحراري. تصف كيف تعمل آلة الاحتراق الداخلي. توضح كيف تعمل الثلاجة على نقل الطاقة الحرارية.

تمكننا المحركات الحرارية من السفر مسافات بعيدة.

الشغل: هو نقل الطاقة عن طريق التأثير بقوة لمسافة محددة.

المحرك الحراري آلة الاحتراق الداخلي

يعمل محرك الدراجة النارية والطاقب على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية تتحول بدورها إلى شغل مفيد.

--- SECTION: المحركات الحرارية --- تستخدم المحركات الحرارية في السيارات والشاحنات وغيرها من المركبات، ومنها الدراجة النارية الموضحة في الشكل ٩. المحرك الحراري Heat Engine آلة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، والطاقة الميكانيكية تمثل مجموع طاقتي الحركة والوضع للجسم. فعندما يعمل محرك السيارة يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة الحركة، ويزيد من سرعة السيارة وطاقتها الحركية. --- SECTION: آلة الاحتراق الداخلي --- Internal Combustion Machine تتميز آلة الاحتراق الداخلي بأنها تحوي داخلها حجرة احتراق خاصة يحترق فيها الوقود، وتستخدم العديد من المركبات والآليات آلة الاحتراق الداخلي، ومنها السيارات والشاحنات والقوارب والطائرات وحتى محز العشب. تتكون محركات معظم السيارات من أربع أسطوانات الشكل، وكلما زاد عدد أسطواناتها المحرك زادت قدرته، ويوجد في كل أسطوانة مكبس يتحرك داخلها إلى أعلى وإلى أسفل. وتحقق الأسطوانة خليطاً من الوقود والهواء، ثم يُشعل هذا الخليط بشمعة الاحتراق، حيث يشتعل الوقود بشكل انفجاري فيدفع المكبس إلى أسفل. وتتحول الحركة الترددية (صعوداً وهبوطاً) إلى حركة دورانية، تدير المحور الرئيس للمحرك، الذي يدير عجلات السيارة. ويبين الشكل ١٠ مراحل عمل آلة الاحتراق الداخلي في تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية، خلال دورة الأسطوانة الأربعة. لقد تم تصميم آلة متعددة من آلة الاحتراق الداخلي لتصميم أشكال متعددة من حجرة الاحتراق لدرجة عالية؛ بحيث يشتعل الوقود دون الحاجة إلى شمعة الاحتراق. أما محرك عشب فهو محرك يعمل بالبنزين، ويدمج عادة الأسطوانة في شُوطين؛ شُوط الاحتراق والضغط، وشُوط الشفط، وشُوط العادم. --- SECTION: ماذا قرأت؟ --- كيف يؤدي احتراق مخلوط الوقود والهواء إلى تحريك المكبس؟ --- SECTION: الأهداف --- تصف عمل المحرك الحراري. تصف كيف تعمل آلة الاحتراق الداخلي. توضح كيف تعمل الثلاجة على نقل الطاقة الحرارية. --- SECTION: الأهمية --- تمكننا المحركات الحرارية من السفر مسافات بعيدة. --- SECTION: مراجعة المفردات --- الشغل: هو نقل الطاقة عن طريق التأثير بقوة لمسافة محددة. --- SECTION: المفردات الجديدة --- المحرك الحراري آلة الاحتراق الداخلي --- SECTION: الشكل ٩ --- يعمل محرك الدراجة النارية والطاقب على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية تتحول بدورها إلى شغل مفيد.