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

سؤال 1: ارسم مخططاً تبين فيه حركة سائل التبريد، وانتقال الحرارة في أثناء عمل المضخة الحرارية لتبريد المنزل، طاقة ميكانيكية.

الإجابة: ج1: يمر (داخل) يمتص حرارة ← حافظ مكيف (خارج) يطرد حرارة ← صمام.

خطوات الحل:

1. **الهدف:** رسم مخطط يوضح حركة سائل التبريد وانتقال الحرارة في المضخة الحرارية لتبريد المنزل.
2. **مكونات المضخة الحرارية:** 1. **المبخر:** يمتص الحرارة من داخل المنزل. 2. **الضاغط:** يرفع ضغط سائل التبريد. 3. **المكثف:** يطرد الحرارة إلى خارج المنزل. 4. **صمام التمدد:** يخفض ضغط سائل التبريد.
3. **خطوات عمل المضخة الحرارية:** 1. يمر سائل التبريد ذو الضغط المنخفض عبر **المبخر** داخل المنزل، حيث يمتص الحرارة ويتحول إلى غاز. 2. يتم ضغط الغاز بواسطة **الضاغط**، مما يزيد من درجة حرارته وضغطه. 3. ينتقل الغاز ذو الضغط العالي والحرارة المرتفعة إلى **المكثف** الموجود خارج المنزل، حيث يطرد الحرارة إلى الخارج ويتكثف إلى سائل. 4. يمر السائل ذو الضغط العالي عبر **صمام التمدد**، مما يقلل من ضغطه ودرجة حرارته، ثم يعود إلى المبخر لبدء الدورة من جديد.
4. **ملخص:** سائل التبريد يمتص الحرارة من داخل المنزل (المبخر) ويطردها إلى الخارج (المكثف) عبر دورة تتضمن الضاغط وصمام التمدد.

سؤال 2: وضح لماذا لا يستخدم محرك الديزل شمعات احتراق؟ في حجرات خاصة داخل جسم المحرك.

الإجابة: ج2: لا توجد شرارة للوقود + حرارة المحرك، فيسخنها.

خطوات الحل:

1. **السؤال:** لماذا لا يستخدم محرك الديزل شمعات احتراق؟
2. **السبب:** محركات الديزل تعتمد على **الضغط العالي** لرفع درجة حرارة الهواء داخل الأسطوانة إلى مستوى كافٍ لإشعال الوقود عند حقنه. لا تحتاج إلى شمعات احتراق لإحداث شرارة.
3. **شرح مفصل:** 1. في محرك الديزل، يتم ضغط الهواء بقوة كبيرة داخل الأسطوانة. 2. هذا الضغط يرفع درجة حرارة الهواء إلى مستوى مرتفع جداً. 3. عندما يتم حقن الوقود (الديزل) في هذا الهواء الساخن، فإنه يشتعل تلقائياً بسبب الحرارة العالية. 4. لذلك، لا حاجة لشمعات احتراق لإشعال الوقود في محرك الديزل.
4. > **ملاحظة:** محركات البنزين تستخدم شمعات احتراق لإشعال خليط الهواء والوقود، لأنها لا تعتمد على الضغط العالي لرفع درجة حرارة الهواء بنفس القدر الذي تعتمد عليه محركات الديزل.
5. **الخلاصة:** محركات الديزل لا تحتاج شمعات احتراق لأنها تعتمد على حرارة الهواء الناتج عن الضغط العالي لإشعال الوقود.

سؤال 3: حدد ما إذا كان من الممكن تبريد المطعم بترك باب الثلاجة مفتوحاً، وضح إجابتك.

الإجابة: ج3: عكس الدورة: داخلي (مكيف) يدفي، خارجي (مصر) يمص.

خطوات الحل:

1. **السؤال:** هل يمكن تبريد المطعم بترك باب الثلاجة مفتوحاً؟
2. **الجواب:** لا، لا يمكن تبريد المطعم بترك باب الثلاجة مفتوحاً.
3. **التفسير:** الثلاجة تعمل عن طريق نقل الحرارة من داخلها إلى خارجها. عندما يكون باب الثلاجة مفتوحاً، فإنها تقوم بسحب الحرارة من الهواء المحيط داخل المطعم، ولكنها في الوقت نفسه تطرد نفس كمية الحرارة (بالإضافة إلى الحرارة الناتجة عن عمل الضاغط) إلى الهواء المحيط أيضاً.
4. **شرح مفصل:** 1. الثلاجة تسحب الحرارة من داخلها (المبخر) وتطردها من الخلف (المكثف). 2. عندما يكون الباب مفتوحاً، فإن الثلاجة تعمل باستمرار، ولكنها لا تخلق برودة حقيقية في المطعم. 3. بدلاً من ذلك، فإنها تقوم بإعادة توزيع الحرارة فقط، مما قد يؤدي إلى ارتفاع طفيف في درجة حرارة المطعم بسبب الحرارة الناتجة عن عمل الضاغط.
5. > **ملاحظة:** هذه العملية تشبه محاولة تبريد غرفة بمكيف هواء مع توجيه أنبوب طرد الهواء الساخن من المكيف إلى داخل نفس الغرفة. لن تبرد الغرفة، بل قد تسخن قليلاً.
6. **الخلاصة:** ترك باب الثلاجة مفتوحاً لن يبرد المطعم، بل قد يجعله أكثر دفئاً.

سؤال 4: صف كيف تعمل الثلاجة على تبريد الطعام باستخدام غاز التبريد؟

الإجابة: ج4: صمام التمدد: يقلل الضغط، يتبخر، يمتص حرارة.

خطوات الحل:

1. **السؤال:** كيف تعمل الثلاجة على تبريد الطعام باستخدام غاز التبريد؟
2. **الجواب:** الثلاجة تستخدم دورة تبريد تعتمد على خصائص غاز التبريد لامتصاص الحرارة من داخل الثلاجة وطردها إلى الخارج.
3. **مكونات الثلاجة الرئيسية:** 1. **الضاغط:** يرفع ضغط غاز التبريد. 2. **المكثف:** يطرد الحرارة من غاز التبريد. 3. **صمام التمدد:** يخفض ضغط غاز التبريد. 4. **المبخر:** يمتص الحرارة من داخل الثلاجة.
4. **خطوات عمل الثلاجة:** 1. **الضاغط:** يقوم الضاغط بضغط غاز التبريد، مما يرفع درجة حرارته وضغطه. 2. **المكثف:** يمر الغاز الساخن ذو الضغط العالي عبر المكثف (عادةً ما يكون ملفاً معدنياً في الجزء الخلفي من الثلاجة)، حيث يطرد الحرارة إلى الهواء المحيط ويتكثف إلى سائل. 3. **صمام التمدد:** يمر السائل ذو الضغط العالي عبر صمام التمدد، الذي يقلل من ضغطه بشكل كبير. هذا الانخفاض في الضغط يؤدي إلى انخفاض كبير في درجة حرارة السائل. 4. **المبخر:** يمر السائل البارد ذو الضغط المنخفض عبر المبخر (عادةً ما يكون ملفاً معدنياً داخل الثلاجة). هنا، يمتص السائل الحرارة من داخل الثلاجة، مما يؤدي إلى تبريد الهواء والطعام الموجود داخلها. يتحول السائل إلى غاز مرة أخرى، ثم يعود إلى الضاغط لبدء الدورة من جديد.
5. **ملخص:** غاز التبريد يمتص الحرارة داخل الثلاجة ويطردها خارجها عبر دورة مستمرة تتضمن الضغط، التكثيف، التمدد، والتبخير.

سؤال 5: التفكير الناقد وضح كيف يمكن استخدام مكيف الهواء لتدفئة المنزل؟

الإجابة: ج5: صمام ← ضغط ← مبخر (يمتص) ← ضاغط ← مكثف (يطرد) ← صمام.

خطوات الحل:

1. **السؤال:** كيف يمكن استخدام مكيف الهواء لتدفئة المنزل؟
2. **الجواب:** يمكن استخدام مكيف الهواء لتدفئة المنزل عن طريق عكس دورة التبريد.
3. **شرح مفصل:** مكيف الهواء يعمل عادةً عن طريق امتصاص الحرارة من داخل المنزل وطردها إلى الخارج. لتدفئة المنزل، يجب عكس هذه العملية بحيث يتم امتصاص الحرارة من الخارج وطردها إلى الداخل.
4. **كيفية عكس الدورة:** 1. يتم استخدام **صمام رباعي الاتجاهات** لعكس اتجاه تدفق غاز التبريد. 2. عند عكس الدورة، يصبح **المبخر** (الذي كان يمتص الحرارة من الداخل) هو **المكثف** (الذي يطرد الحرارة إلى الداخل). 3. وبالمثل، يصبح **المكثف** (الذي كان يطرد الحرارة إلى الخارج) هو **المبخر** (الذي يمتص الحرارة من الخارج). 4. بهذه الطريقة، يمتص المكيف الحرارة من الهواء الخارجي (حتى لو كان بارداً) ويطردها إلى داخل المنزل، مما يؤدي إلى تدفئته.
5. **دورة التدفئة:** 1. **المبخر (الخارجي):** يمتص الحرارة من الهواء الخارجي. 2. **الضاغط:** يضغط غاز التبريد. 3. **المكثف (الداخلي):** يطرد الحرارة إلى داخل المنزل. 4. **صمام التمدد:** يخفض ضغط غاز التبريد قبل دخوله إلى المبخر.
6. > **ملاحظة:** هذه العملية أكثر كفاءة من استخدام سخانات المقاومة الكهربائية، خاصة في المناخات المعتدلة، لأنها تنقل الحرارة بدلاً من توليدها.
7. **الخلاصة:** يمكن استخدام مكيف الهواء للتدفئة عن طريق عكس دورة التبريد باستخدام صمام خاص، مما يسمح بامتصاص الحرارة من الخارج وطردها إلى الداخل.

سؤال 7: رسم خريطة مفاهيمية تبين تسلسل خطوات عمل آلة الاحتراق الداخلي ذات الأشواط الأربعة.

الإجابة: ج7: سحب ← ضغط ← قدرة (اشتعال) ← عادم.

خطوات الحل:

1. **الهدف:** رسم خريطة مفاهيمية توضح تسلسل خطوات عمل آلة الاحتراق الداخلي ذات الأشواط الأربعة.
2. **الأشواط الأربعة:** 1. **شوط السحب (Intake Stroke):** يتم فيه سحب خليط الوقود والهواء إلى داخل الأسطوانة. 2. **شوط الضغط (Compression Stroke):** يتم فيه ضغط خليط الوقود والهواء داخل الأسطوانة. 3. **شوط القدرة (Power Stroke):** يتم فيه إشعال خليط الوقود والهواء المضغوط، مما ينتج عنه قوة تدفع المكبس. 4. **شوط العادم (Exhaust Stroke):** يتم فيه طرد الغازات الناتجة عن الاحتراق خارج الأسطوانة.
3. **خريطة مفاهيمية:** آلة الاحتراق الداخلي (ذات الأشواط الأربعة) ├── شوط السحب (Intake) │ └── فتح صمام السحب، حركة المكبس للأسفل، دخول خليط الوقود والهواء ├── شوط الضغط (Compression) │ └── إغلاق صمامات السحب والعادم، حركة المكبس للأعلى، ضغط الخليط ├── شوط القدرة (Power) │ └── إشعال الخليط (بواسطة شمعة الاحتراق في محركات البنزين أو بالضغط في محركات الديزل)، حركة المكبس للأسفل └── شوط العادم (Exhaust) └── فتح صمام العادم، حركة المكبس للأعلى، طرد الغازات المحترقة
4. **شرح إضافي:** * **شوط السحب:** يتحرك المكبس إلى الأسفل، مما يخلق فراغاً داخل الأسطوانة. يفتح صمام السحب، ويدخل خليط الوقود والهواء إلى الأسطوانة. * **شوط الضغط:** يتحرك المكبس إلى الأعلى، وضغط خليط الوقود والهواء. كلا صمامي السحب والعادم مغلقان. * **شوط القدرة:** عند أعلى نقطة في شوط الضغط، يتم إشعال خليط الوقود والهواء (إما بواسطة شمعة احتراق في محركات البنزين أو بسبب الحرارة الناتجة عن الضغط في محركات الديزل). يؤدي الاحتراق إلى زيادة كبيرة في الضغط، مما يدفع المكبس إلى الأسفل. * **شوط العادم:** يتحرك المكبس إلى الأعلى، ويفتح صمام العادم، مما يسمح للغازات المحترقة بالخروج من الأسطوانة.
5. **الخلاصة:** دورة الاحتراق الداخلي ذات الأشواط الأربعة تتكون من أربعة أشواط متتالية: السحب، الضغط، القدرة، والعادم.

كيف تعمل المضخة الحرارية على تبريد المنزل؟

• أ) يمتص سائل التبريد الحرارة من داخل المنزل، ثم يضغط ويطرد الحرارة إلى الهواء الخارجي.
• ب) يطرد سائل التبريد الحرارة إلى داخل المنزل، ثم يمتصها من الهواء الخارجي.
• ج) يحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارية داخل المنزل لتقليل الحرارة.
• د) يضغط الهواء البارد ثم يعيده إلى داخل المنزل دون نقل حرارة.

الإجابة الصحيحة: a

الإجابة: يمتص سائل التبريد الحرارة من داخل المنزل، ثم يضغط ويطرد الحرارة إلى الهواء الخارجي.

الشرح: تعمل المضخة الحرارية للتبريد بامتصاص سائل التبريد للحرارة من الملفات الداخلية (داخل المنزل). بعد ذلك، يتم ضغط السائل لرفع درجة حرارته وضغطه، ثم ينتقل عبر الملفات الخارجية ليطرد الحرارة إلى الهواء خارج المنزل، ليكمل الدورة ويعود لامتصاص المزيد من الحرارة من الداخل.

تلميح: فكر في دورة عمل مكيف الهواء أو الثلاجة في وضع التبريد.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

لماذا لا تستخدم محركات الديزل شمعات احتراق لإشعال الوقود؟

• أ) تستخدم نظامًا كهربائيًا متطورًا لإشعال الوقود بشكل غير مباشر.
• ب) تعتمد على الضغط العالي للهواء الذي يرفع درجة حرارته لإشعال الوقود تلقائيًا.
• ج) يتم خلط الوقود بالهواء مسبقًا ويشتعل بالاحتكاك مع جدران الأسطوانة.
• د) تستخدم شمعات احتراق خاصة مخفية داخل المحرك لا تُرى من الخارج.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تعتمد على الضغط العالي للهواء الذي يرفع درجة حرارته لإشعال الوقود تلقائيًا.

الشرح: في محركات الديزل، يتم ضغط الهواء بقوة شديدة داخل الأسطوانة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته بشكل كبير جدًا. عند حقن وقود الديزل في هذا الهواء الساخن جدًا، يشتعل الوقود تلقائيًا (احتراق ذاتي) دون الحاجة إلى شرارة خارجية من شمعة احتراق.

تلميح: قارن طريقة إشعال الوقود في محركات الديزل والبنزين.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما تأثير ترك باب الثلاجة مفتوحًا على درجة حرارة المطبخ؟

• أ) يبرد المطبخ بشكل فعال ولكن ببطء شديد.
• ب) لا يبرد المطبخ بل قد يرفع درجة حرارته قليلًا بسبب حرارة الضاغط وإعادة توزيع الحرارة.
• ج) يحافظ على درجة حرارة المطبخ ثابتة عن طريق سحب الحرارة فقط.
• د) يقلل من الرطوبة في المطبخ ويجعله أكثر جفافًا دون تأثير على الحرارة.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: لا يبرد المطبخ بل قد يرفع درجة حرارته قليلًا بسبب حرارة الضاغط وإعادة توزيع الحرارة.

الشرح: الثلاجة تعمل عن طريق سحب الحرارة من داخلها وطردها إلى الخارج. عند ترك باب الثلاجة مفتوحًا، فإنها ستسحب الحرارة من هواء المطبخ ولكنها ستطرد نفس كمية الحرارة (بالإضافة إلى الحرارة الناتجة عن عمل الضاغط) مرة أخرى إلى المطبخ. لذا، لن يبرد المطبخ بل قد ترتفع درجة حرارته قليلًا.

تلميح: تذكر أن الثلاجة تنقل الحرارة من الداخل إلى الخارج، وهناك حرارة ناتجة عن عملها.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط

كيف يمكن استخدام مكيف الهواء (كمضخة حرارية) لتدفئة المنزل في فصل الشتاء؟

• أ) بإضافة وقود خاص إلى غاز التبريد لتوليد حرارة إضافية.
• ب) عن طريق تبديل الوحدات الداخلية والخارجية للمكيف يدويًا.
• ج) بعكس دورة التبريد ليمتص الحرارة من الهواء الخارجي ويطردها إلى داخل المنزل.
• د) بزيادة سرعة دوران الضاغط لرفع حرارة الهواء بشكل مباشر.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: بعكس دورة التبريد ليمتص الحرارة من الهواء الخارجي ويطردها إلى داخل المنزل.

الشرح: يمكن استخدام مكيف الهواء لتدفئة المنزل عن طريق عكس دورة التبريد. يتم ذلك باستخدام صمام رباعي الاتجاهات يسمح لغاز التبريد بامتصاص الحرارة من الهواء الخارجي (حتى لو كان باردًا) ثم ضغطه وطرد هذه الحرارة إلى داخل المنزل، مما يؤدي إلى تدفئته.

تلميح: فكر في آلية عمل المضخات الحرارية للتدفئة.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

ما هو الترتيب الصحيح للأشواط الأربعة في آلة الاحتراق الداخلي؟

• أ) شوط الضغط، شوط السحب، شوط القدرة، شوط العادم.
• ب) شوط القدرة، شوط العادم، شوط السحب، شوط الضغط.
• ج) شوط السحب، شوط الضغط، شوط القدرة، شوط العادم.
• د) شوط العادم، شوط القدرة، شوط الضغط، شوط السحب.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: شوط السحب، شوط الضغط، شوط القدرة، شوط العادم.

الشرح: دورة عمل آلة الاحتراق الداخلي تتكون من أربعة أشواط متتالية: 1. شوط السحب (يدخل خليط الوقود والهواء)، 2. شوط الضغط (يضغط الخليط)، 3. شوط القدرة (يحدث الاحتراق ويدفع المكبس)، 4. شوط العادم (تخرج الغازات المحترقة من الأسطوانة).

تلميح: تذكر تسلسل المراحل التي يمر بها خليط الوقود والهواء داخل الأسطوانة.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: سهل