الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري (المفاعيل الحرارية): مفاهيم أساسية وقوانين التحويل الحراري — الثالثة ثانوي (بكالوريا) علوم فيزيائية — المنهاج الجزائري

📘 مقدمة

تعتبر الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري من المفاهيم الأساسية في الكيمياء الحرارية (Thermochemistry)، وهي مخصصة لدراسة الانتقالات الحرارية المصاحبة للتفاعلات الكيميائية. هذا الدرس موجه لتلاميذ السنة الثالثة ثانوي (شعبة علوم تجريبية ورياضيات وتقني رياضي) استعداداً لامتحان البكالوريا.

🎯 الأهداف التعليمية

• تعريف الطاقة الداخلية U لنظام كيميائي.
• التفريق بين الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري H.
• حساب ΔH للتفاعلات الكيميائية باستخدام قانون هس.
• تصنيف التفاعلات إلى ماصة للحرارة (Endothermique) وطاردة للحرارة (Exothermique).

📚 الشرح التفصيلي

1. مفهوم الطاقة الداخلية U

الطاقة الداخلية U لنظام هي مجموع الطاقات الحركية والكامنة للجزيئات المكونة له. إنها كمية فيزيائية موسّعة (extensive) تقاس بالجول (J). لا يمكن قياس U مباشرة بل نقيس التغير فيها ΔU.

2. المحتوى الحراري H

المحتوى الحراري H معرف بالعلاقة: H = U + PV حيث P الضغط و V الحجم. عند ضغط ثابت (وهي حالة معظم التفاعلات في المختبر)، فإن التغير في المحتوى الحراري ΔH يساوي كمية الحرارة المتبادلة مع الوسط الخارجي: Q_p = ΔH.

3. التفاعلات الماصة والطاردة للحرارة

• تفاعل طارد للحرارة (Exothermique): ΔH < 0، يحرر حرارة نحو الوسط الخارجي (مثل احتراق الميثان).
• تفاعل ماص للحرارة (Endothermique): ΔH > 0، يمتص حرارة من الوسط الخارجي (مثل التحليل الكهربائي للماء).

4. قانون هس (Hess’s Law)

ينص قانون هس على أن تغير المحتوى الحراري لتفاعل كيميائي لا يعتمد على المسار المتبع بل على الحالة الابتدائية والنهائية فقط. أي أن: ΔH_تفاعل = Σ ΔH_{f°(نواتج)} – Σ ΔH_{f°(متفاعلات)}

5. حساب ΔH من طاقات الروابط

يمكن حساب ΔH باستخدام متوسط طاقات الروابط: ΔH = Σ طاقات الروابط المكسورة – Σ طاقات الروابط المتكونة.

📝 تمارين بكالوريا محلولة

تمرين 1:

احسب ΔH للتفاعل التالي: C₂H₅OH(l) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H₂O(l)
علماً أن ΔH_f° للإيثانول = -277 kJ/mol، لـ CO₂ = -393.5 kJ/mol، لـ H₂O(l) = -285.8 kJ/mol.

الحل:
ΔH = [2×(-393.5) + 3×(-285.8)] – [-277 + 0] ΔH = [-787 – 857.4] + 277 = -1367.4 kJ/mol

إذن التفاعل طارد للحرارة (ΔH < 0).

تمرين 2 (بكالوريا 2022):

أحسب كمية الحرارة المنطلقة عند احتراق 32g من الميثان CH₄ (الكتلة المولية = 16 g/mol، ΔH_احتراق = -890 kJ/mol).

الحل:
n = m/M = 32/16 = 2 mol
Q = n × ΔH = 2 × (-890) = -1780 kJ

🎯 الخلاصة

الطاقة الداخلية U والمحتوى الحراري H يسمحان بدراسة الجوانب الحرارية للتفاعلات الكيميائية. قانون هس أداة قوية لحساب ΔH للتفاعلات غير المباشرة. يجب على تلميذ البكالوريا التمييز بين التفاعلات الماصة والطاردة للحرارة وإتقان حسابات ΔH.

📍 دروس مشابهة

• الظاهرة الكهروضوئية (المفعول الكهروضوئي) — الثالثة ثانوي علوم فيزيائية
• التفاعلات الحمضية القاعدية: تعريف برونستد-لوري — الثالثة ثانوي علوم فيزيائية