الطاقة الحرارية والتحولات الطاقوية: أشكال الطاقة ومبدأ انحفاظها مع تمارين محلولة — العلوم الفيزيائية — الأولى ثانوي — المنهاج الجزائري

أهداف الدرس

• التعرف على أشكال الطاقة المختلفة (الحرارية، الميكانيكية، الكهربائية، الإشعاعية)
• فهم مبدأ انحفاظ الطاقة والتحولات الطاقوية
• حساب الطاقة الحرارية باستخدام العلاقة Q = m × C × Δθ
• تطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة في أنظمة بسيطة

1. مفهوم الطاقة وأشكالها

الطاقة هي المقدرة على إحداث تغيير في حالة نظام ما. وهي موجودة بعدة أشكال:

• الطاقة الحرارية: تنتج عن اهتزاز الجزيئات وانتقالها، وتُقاس بـ الجول (J)
• الطاقة الميكانيكية: مجموع الطاقة الحركية (Ec = ½ mv²) وطاقة الوضع (Ep = mgh)
• الطاقة الكهربائية: تنتج عن حركة الشحنات الكهربائية (E = P × t)
• الطاقة الإشعاعية: تنتقل عبر الموجات الكهرومغناطيسية (كالضوء)

2. التحولات الطاقوية

يمكن للطاقة أن تتحول من شكل إلى آخر دون أن تفنى أو تُستحدث. هذا هو مبدأ انحفاظ الطاقة (القانون الأول للديناميكا الحرارية).

أمثلة على التحولات الطاقوية:

• في المصباح الكهربائي: طاقة كهربائية → طاقة ضوئية + طاقة حرارية
• في المحرك الكهربائي: طاقة كهربائية → طاقة ميكانيكية + طاقة حرارية
• في الخلايا الشمسية: طاقة إشعاعية → طاقة كهربائية

3. حساب الطاقة الحرارية

العلاقة الأساسية لحساب كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة من جسم هي:

Q = m × C × Δθ

حيث:

• Q: كمية الحرارة بالجول (J)
• m: كتلة الجسم بالكيلوغرام (kg)
• C: السعة الحرارية الكتلية للمادة (J/kg.°C)
• Δθ: التغير في درجة الحرارة (°C) = θ_finale – θ_initiale

4. تمارين محلولة

التمرين 1:

نص التمرين: يسخن مقدار 2 kg من الماء من درجة حرارة 20°C إلى 80°C. احسب كمية الحرارة التي اكتسبها الماء. علماً أن السعة الحرارية الكتلية للماء هي C = 4180 J/kg.°C.

الحل:

Q = m × C × Δθ

Δθ = 80 – 20 = 60°C

Q = 2 × 4180 × 60 = 501600 J

إذن كمية الحرارة التي اكتسبها الماء هي 501.6 kJ.

التمرين 2 (نموذج بكالوريا):

نص التمرين: يسقط جسم كتلته m = 500 g من ارتفاع h = 10 m عن سطح الأرض. أحسب:

1. طاقة وضعه الابتدائية (Ep)
2. سرعه عند وصوله الأرض (بتطبيق مبدأ انحفاظ الطاقة الميكانيكية)

علماً أن g = 10 N/kg

الحل:

1. Ep = m × g × h = 0.5 × 10 × 10 = 50 J
2. بمبدأ انحفاظ الطاقة الميكانيكية: Em(دائماً) = cte
   Ep(بداية) + Ec(بداية) = Ep(نهاية) + Ec(نهاية)
   عند البداية: Ec = 0 (v = 0)، Ep = 50 J
   عند النهاية (الأرض): Ep = 0 (h = 0)
   إذن: 50 + 0 = 0 + ½ mv²
   ½ × 0.5 × v² = 50
   v² = 200 → v = √200 = 14.14 m/s

5. خلاصة

الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، بل تتحول من شكل إلى آخر. يمكن حساب الطاقة الحرارية بالعلاقة Q = m × C × Δθ، وتطبيق مبدأ الانحفاظ لحل مسائل متنوعة.

كلمات مفتاحية: الطاقة الحرارية، التحولات الطاقوية، مبدأ انحفاظ الطاقة، السعة الحرارية الكتلية، الجول، الطاقة الميكانيكية