مدونة التربية و التعليم في الجزائر – دروس، فروض، نتائج امتحانات مدونة التربية والتعليم في الجزائر | تحضير الدروس، فروض واختبارات، نتائج البكالوريا وBEM، مسابقات التوظيف، والتوجيه المدرسي للطلاب وأولياء الأمور.
التمدد والانكماش الحراري — ظواهر فيزيائية وتطبيقاتها
أهداف الدرس:
- فهم ظاهرة التمدد والانكماش الحراري
- التمييز بين تمدد المواد الصلبة والسوائل والغازات
- التعرف على تطبيقات التمدد الحراري في الحياة اليومية
- دراسة التمدد الخطي والسطحي والحجمي
مفهوم التمدد والانكماش الحراري
التمدد الحراري: هو زيادة حجم المادة عند تسخينها نتيجة لازدياد حركة جزيئاتها وتباعدها عن بعضها البعض.
الانكماش الحراري: هو نقصان حجم المادة عند تبريدها نتيجة لاقتراب جزيئاتها من بعضها البعض.
تختلف المواد في درجة تمددها، فبعضها يتمدد أكثر من البعض الآخر عند نفس الزيادة في درجة الحرارة.
أنواع التمدد الحراري
| النوع | التعريف | مثال |
|---|---|---|
| التمدد الخطي | زيادة طول جسم صلب عند تسخينه | قضيب معدني يزداد طوله |
| التمدد السطحي | زيادة مساحة سطح جسم صلب عند تسخينه | صفيحة معدنية تتسع مساحتها |
| التمدد الحجمي | زيادة حجم الجسم (صلب، سائل، غاز) عند تسخينه | تمدد الماء في المحرار |
التمدد في المواد الصلبة
تتمدد المواد الصلبة عند تسخينها بنسبة تعتمد على نوع المادة. المعادن المختلفة تتمدد بنسب متفاوتة:
- الألومنيوم: يتمدد كثيراً نسبياً
- الحديد والفولاذ: يتمدد بنسبة متوسطة
- الزجاج: يتمدد بنسبة قليلة (الزجاج العادي يتمدد أكثر من زجاج البيركس)
- الخرسانة: تتمدد وتنكمش مع تغير درجة الحرارة
التمدد في السوائل
تتمدد السوائل أكثر من المواد الصلبة عند نفس الزيادة في درجة الحرارة. لكل سائل معامل تمدد خاص به.
- الماء: له سلوك شاذ، فكثافته العظمى عند 4 درجات مئوية. يتمدد بالتبريد من 4 إلى 0 درجة مئوية (لهذا يطفو الجليد)
- الزئبق: يستخدم في المحارير لأنه يتمدد بانتظام في مجال واسع من درجات الحرارة
- الكحول: يستخدم في محارير المناطق الباردة لأنه لا يتجمد عند درجات حرارة منخفضة
التمدد في الغازات
تتمدد الغازات أكثر بكثير من السوائل والمواد الصلبة عند نفس الزيادة في درجة الحرارة. تخضع الغازات لقوانين خاصة مثل قانون شارل (حجم الغاز يتناسب طرداً مع درجة حرارته المطلقة عند ثبوت الضغط).
تطبيقات التمدد الحراري
- المحرار (ميزان الحرارة): يعتمد على تمدد السوائل بالحرارة (زئبق أو كحول)
- فواصل التمدد: تترك في الجسور وقضبان السكك الحديدية للسماح بالتمدد والتقلص دون تشويه
- المزدوجة الحرارية (الطبقتين): شريط من معدنين مختلفين يتمددان بنسب مختلفة، يستخدم في منظمات الحرارة والأجهزة الكهربائية
- ربط الأطواق الحديدية: تسخن البراميل الخشبية لربط الأطواق حولها فعند التبريد تشد بقوة
- فك الأغطية المعدنية: يسخن غطاء الجرة المعدنية تحت الماء الساخن فيتمدد وينفك
- تركيب الزجاج في النوافذ: يترك فراغ بسيط بين الزجاج والإطار لتفادي كسره عند التمدد
مثال تطبيقي:
لماذا تترك فجوات بين قضبان السكك الحديدية؟
الحل: في فصل الصيف ترتفع درجة الحرارة فتتمدد القضبان الحديدية. إذا كانت القضبان ملتصقة ببعضها البعض دون فجوات، فإن التمدد سيؤدي إلى اعوجاجها أو انحنائها مما يسبب حوادث القطارات. لذلك تُترك فواصل صغيرة بين القضبان تسمح لها بالتمدد في الصيف والانكماش في الشتاء.
مثال آخر:
لماذا ينكسر كأس زجاجي عادي عندما نضع فيه ماء مغلياً فجأة؟
الحل: يتمدد الزجاج عند التسخين. عند صب الماء المغلي فجأة، يسخن الجزء الداخلي للكأس ويتمدد بينما يبقى الجزء الخارجي بارداً. هذا الفرق في التمدد يسبب إجهاداً يؤدي إلى تشقق الزجاج. ولهذا يستخدم زجاج البيركس في الأواني الزجاجية المقاومة للحرارة لأنه يتمدد بنسبة قليلة جداً.
خلاصة الدرس:
- التمدد الحراري هو زيادة حجم المادة بالتسخين، والانكماش هو نقصانه بالتبريد
- الغازات تتمدد أكثر من السوائل، والسوائل أكثر من المواد الصلبة
- الماء شاذ في تمدده، فكثافته العظمى عند 4 درجات مئوية
- للتمدد الحراري تطبيقات مهمة في الهندسة والحياة اليومية
- يجب مراعاة التمدد الحراري عند تصميم المباني والجسور والسكك الحديدية
دروس مشابهة:
- الحرارة وانتقالها – طرق انتقال الحرارة والتمدد الحراري
- المادة وتحولاتها – التحولات الفيزيائية والكيميائية
