نموذج الجسيمات للمادة
كل شيء يتكون من جسيمات. تفسر طاقتها وفواصلها وحركتها حالات المادة، والتسخين والتبريد، ولماذا تحتاج الجسور إلى فواصل. الموضوع الرابع لـ OxfordAQA يبني هذا النموذج ويكمّم مفاهيمه: السعة الحرارية النوعية، و(أوزان) الحرارة الكامنة، والتبخر، وتصميم نقل الطاقة، والتوسع الحراري.
OxfordAQA International GCSE Physics 9203، موضوع 3.4 (الإصدار 5.1). العبارات المحددة بـ (P) خاصة بالورقة-2-فقط.
النظرية الحركية
السعة الحرارية النوعية c هي الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 kg من مادة بمقدار 1 °C:
تحقق محلول. تسخين 1.5 كجم من الماء ($c = 4200$) بمقدار 40 درجة مئوية: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ جول.
(P) تغيير الحالة يتطلب طاقة بدون تغير في درجة الحرارة: حرارة تبخر كامنة $E = m \times L_V$ (سائل ← بخار) وحرارة انصهار كامنة $E = m \times L_F$ (صلب ← سائل). الشوائب تغير نقاط الانصهار والغليان. عملي مطلوب (P): منحنى تبريد لحم دهني ستيارك.
انتقال الطاقة وحركة الجسيمات
التوصيل الحراري ينقل الطاقة عبر جسم صلب اهتزاز الجسيمات، مدعوماً بـالإلكترونات الحرة في المعادن؛ العوازل تفتقر إلى إلكترونات توصيل متحركة، لذا فإن نقل الطاقة بالاهتزاز أبطأ. الحمل الحراري يدور المائع: تكتسب الجسيمات طاقة، تتباعد، يصبح المائع أقل كثافة ويرتفع، بينما يهبط المائع الأبرد. التبخر يحول جزيئات السطح السريعة إلى بخار، مما يبرد ما يتبقى — أسرع مع ارتفاع درجة الحرارة، مساحة سطح أكبر، تيارات هوائية ورطوبة أقل؛ التكثف يعكس هذه العملية.*
يزداد معدل انتقال الطاقة بالتسخين مع مساحة السطح والحجم والمادة والسطح المتلامس وفرق درجات الحرارة. التصميم يتبع ذلك: زعانف التبريد تعظم المساحة؛ حجم الأذن النسبي للحيوانات يتناسب مع المناخ. معظم المواد تمتد عند التسخين — وهو خطر على الأسقف والجسور (الفجوات والدوارات)، مفيد في منظم حراري بشرياح ثنائية المعدن تنحني عندما يتمدد معدن أكثر من الآخر وتقطع الدائرة الكهربائية.
تحقق من نفسك
- صف ترتيب الجسيمات في السائل.
- عرّف السعة الحرارية النوعية.
- احسب الطاقة اللازمة لتسخين 2 كجم من الألمنيوم (c = 900) بمقدار 30 درجة مئوية.
- (P) لماذا تظل درجة الحرارة ثابتة أثناء تجمد مادة ما؟
- (P) 0.5 كجم من مادة لها L_F = 330 000 جول/كجم. احسب الطاقة اللازمة لاندماجها.
- اشرح التوصيل في المعادن، مذكراً حوامل الطاقة الإضافية.
- اشرح لماذا يرتفع الماء الدافئ.
- اذكر ثلاثة عوامل تسرع التبخر.
- اذكر خطراً واحداً واستخداماً واحداً للتمدد الحراري.
- لماذا تمتلك زعانف التبريد مساحة سطح كبيرة؟
الإجابات: 1 الجسيمات متلامسة لكن مرتبة بشكل عشوائي، وتنزلق فوق بعضها البعض؛ 2 الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة 1 كجم من المادة بمقدار 1 درجة مئوية؛ 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ جول؛ 4 (P) الطاقة المحرزة عند تكون الروابط (حرارة الانصهار الكامنة) تخرج بنفس معدل إزالة الحرارة، لذا لا تتغير الطاقة الحركية للجسيمات؛ 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ جول؛ 6 الجسيمات المهتزة تنقل الطاقة لجيرانها، وتحمل الإلكترونات الحرة الطاقة بسرعة عبر المعدن؛ 7 الجسيمات الدافئة تتباعد، مما يجعل ذلك الماء أقل كثافة من محيطه، فيرتفع؛ 8 درجة حرارة أعلى، مساحة سطح أكبر، حركة الهواء فوق السطح (أيضاً رطوبة أقل)؛ 9 الخطر — تمدد الجسور/الأسقف يحتاج فجوات؛ الاستخدام — انحناء الشريحة ثنائية المعدن في منظم حراري؛ 10 المساحة الأكبر تنقل الطاقة إلى المحيط بأسرع عن طريق التسخين.