الظواهر الحرارية: التمدد الحراري وانتقال الحرارة (التوصيل والحمل والإشعاع) مع تمارين محلولة — العلوم الفيزيائية — الأولى ثانوي — المنهاج الجزائري

الأهداف التعليمية

• أن يميز التلميذ بين أنواع انتقال الحرارة (التوصيل، الحمل، الإشعاع).
• أن يحسب التمدد الحراري للأجسام الصلبة والسوائل.
• أن يطبق قوانين انتقال الحرارة في حل مسائل عملية.

1. مفهوم الحرارة ودرجة الحرارة

الحرارة: شكل من أشكال الطاقة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد.\nدرجة الحرارة: مقياس لمدى سخونة الجسم أو برودته، وتقاس بالدرجة المئوية (C°) أو الكلفن (K).

2. التمدد الحراري

عند تسخين جسم، تزداد أبعاده (طول، مساحة، حجم) وتسمى هذه الظاهرة التمدد الحراري.

أ) التمدد الطولي

قانون التمدد الطولي: ΔL = α × L₀ × ΔT\nحيث: ΔL = التغير في الطول، α = معامل التمدد الطولي، L₀ = الطول الأصلي، ΔT = التغير في درجة الحرارة.

ب) التمدد السطحي

قانون التمدد السطحي: ΔA = β × A₀ × ΔT (حيث β = 2α)

ج) التمدد الحجمي

قانون التمدد الحجمي: ΔV = γ × V₀ × ΔT (حيث γ = 3α)

3. طرق انتقال الحرارة

أ) التوصيل الحراري (Conduction)

انتقال الحرارة عبر المادة دون انتقال جزيئاتها. المواد الفلزية موصلة جيدة للحرارة، بينما الخشب والهواء عازلان.\nقانون التوصيل: Q = k × A × (ΔT / L) × t

ب) الحمل الحراري (Convection)

انتقال الحرارة بحركة جزيئات المائع (سائل أو غاز). يحدث الحمل نتيجة اختلاف الكثافة مع تغير درجة الحرارة.\nمثال: تسخين الماء في إناء، دوران الهواء في الغرفة.

ج) الإشعاع الحراري (Radiation)

انتقال الحرارة عبر موجات كهرومغناطيسية دون الحاجة لوسط ناقل. جميع الأجسام تشع حرارة.\nمثال: حرارة الشمس تصل إلى الأرض عبر الإشعاع.

4. تمارين محلولة

التمرين 1:

قضيب حديدي طوله 2 متر عند درجة حرارة 20°C، سخن إلى 120°C. احسب الزيادة في طوله علماً أن α للحديد = 1.2×10⁻⁵ /°C.

الحل:\nΔL = α × L₀ × ΔT = 1.2×10⁻⁵ × 2 × (120 – 20) = 1.2×10⁻⁵ × 2 × 100 = 2.4×10⁻³ m = 2.4 mm

التمرين 2:

صحن زجاجي مساحته 0.1 m² عند 20°C. أحسب مساحته عند 80°C علماً أن α للزجاج = 8×10⁻⁶ /°C.

الحل:\nβ = 2α = 1.6×10⁻⁵ /°C\nΔA = β × A₀ × ΔT = 1.6×10⁻⁵ × 0.1 × 60 = 9.6×10⁻⁵ m²\nA = A₀ + ΔA = 0.1 + 9.6×10⁻⁵ = 0.100096 m²

التمرين 3 (بكالوريا):

وعاء نحاسي حجمه 500 mL عند 20°C مملوء بالكحول. أحسب حجم الكحول المنسكب عند تسخين الوعاء إلى 60°C علماً أن γ للكحول = 1.1×10⁻³ /°C و γ للنحاس = 5.1×10⁻⁵ /°C.

الحل:\nالتمدد الحجمي للوعاء: ΔVₙ = γₙ × V₀ × ΔT = 5.1×10⁻⁵ × 500 × 40 = 1.02 mL\nالتمدد الحجمي للكحول: ΔVₖ = γₖ × V₀ × ΔT = 1.1×10⁻³ × 500 × 40 = 22 mL\nالحجم المنسكب = ΔVₖ – ΔVₙ = 22 – 1.02 = 20.98 mL

دروس مشابهة

قد يهمك أيضاً:

• الطاقة الحرارية والتحولات الطاقوية: أشكال الطاقة ومبدأ انحفاظها
• التحولات الطاقوية: الطاقة الحرارية والكهربائية والميكانيكية