التوازن الحراري
| English | العربية |
|---|---|
| heat/hiːt/ | حرارة |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | طاقة حرارية |
| thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | التوازن الحراري |
| net flow/net fləʊ/ | تدفق صافي |
ملعقة في الحساء الساخن
- ضع ملعقة باردة في حساء ساخن: تدفأ الملعقة ويبرد الحساء — حتى يتساوى حرارتهما.
- انتقلت الطاقة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد.
- هذا التدفق أحادي الاتجاه هو الفكرة الأساسية للحرارة.
مسار التوازن الحراري
راقب انتقال الطاقة حتى يصل جسمان إلى نفس درجة الحرارة.
الحرارة تتدفق من الساخن إلى البارد
- الحرارة (الطاقة الحرارية) تتدفق من درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة أقل.
- تستمر في التدفق حتى تتساوى درجات الحرارة.
الحرارة (الطاقة الحرارية) تتدفق طبيعياً من:
تتدفق الطاقة دائماً نزولاً عبر فرق درجات الحرارة، من الساخن إلى البارد، حتى تتساوى.
الاتزان الحراري
- عندما تصل جسمان إلى نفس درجة الحرارة، يكونان في اتزان حراري.
- لا يكون هناك حينئذٍ تدفق صافي للطاقة بينهما.
كاميرا حرارية (أشعة تحت حمراء) تحول درجة الحرارة إلى لون: البطاطا المقلية الساخنة تتوهج برتقالي ساطع، بينما يبقى المشروب البارد داكناً
عند التوازن الحراري لا يوجد تدفق صافي للطاقة بين جسمين.
تساوي درجات الحرارة يعني عدم وجود تدفق صافي — لا تزال الجسيمات تتبادل الطاقة، ولكن دون انتقال كلي.
جسمان في توازن حراري يكونان عند نفس ____.
تساوي درجات الحرارة هو بالضبط شرط التوازن الحراري.
صل كل مصطلح بالتعريف الذي يضعه المصحح.
يُعرف التوازن الحراري بعدم وجود تدفق صافي، وليس بعدم وجود تدفق على الإطلاق. لا تزال الطاقة تعبر في كلا الاتجاهين؛ التدفقان ببساطة يتساويان.
درجة الحرارة ليست طاقة
- تحدد درجة الحرارة اتجاه تدفق الحرارة — وليس مقدار الطاقة التي يحملها الجسم.
- شرارة صغيرة عند $1000\ °\text{C}$ تحمل طاقة أقل بكثير من مسبح دافئ.
درجة الحرارة تخبرك بـ:
درجة الحرارة تحدد اتجاه تدفق الحرارة؛ كمية الطاقة تعتمد أيضاً على الكتلة والمادة.
شرارة ساخنة تحتوي دائماً على طاقة حرارية أكثر من مسبح دافئ.
لا — الشرارة عند درجة حرارة أعلى، لكن المسبح الضخم يحتوي على طاقة حرارية أكبر بكثير إجمالاً.
دلو من الماء الدافئ يحتوي على طاقة داخلية أكثر من مسمار أحمر ساخن، لذا فهو عند درجة حرارة أعلى.
درجة الحرارة ليست طاقة. الدلو يحتوي على طاقة داخلية أكبر بكثير إجمالاً، ومع ذلك تتدفق الطاقة من المسمار إلى الماء، وهذا ما تحددونه درجة الحرارة فعلياً.
الصياغة كما تأتي في الامتحان
- "الجسمان المتزنان حرارياً يكونان على نفس درجة الحرارة، لذا لا يوجد انتقال صافي للطاقة الحرارية بينهما." كلا الجزأين يحصّلان الدرجة.
- الطاقة لا تزال تنتقل كلا الاتجاهين بينهما — بمعدلات متساوية، لذا يكون التدفق الصافي صفراً.
- يعمل الترمومتر بالوصول إلى اتزان حراري مع ما يلمسه، ولهذا يجب تركه لفترة كافية للاستقرار.
جسمان في توازن حراري. أي العبارات صحيحة؟ حدد كل ما ينطبق.
التوازن يعني تساوي درجات الحرارة وعدم وجود تدفق صافي. لا تزال الطاقة تمر في كلا الاتجاهين بنفس المعدل، ويمكن للجسمين احتواء كميات مختلفة جداً من الطاقة.
مثال محلول: خلط الماء الساخن والبارد
يُسكب $0.20\ \text{kg}$ من الماء عند $80\ °\text{C}$ داخل $0.50\ \text{kg}$ من الماء عند $20\ °\text{C}$ في كوب معزول. أوجد درجة الحرارة النهائية $T$. افترض $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$.
- الطاقة المفقودة من الماء الساخن = الطاقة المكتسبة من الماء البارد، لأن لا شيء يفقد.
- $0.20 \times 4200 \times (80 - T) = 0.50 \times 4200 \times (T - 20)$؛ يلغي $4200$.
- $16 - 0.20T = 0.50T - 10$، إذن $0.70T = 26$ و $T = 37\ °\text{C}$.
- تحقق: الإجابة تقع بين $20$ و$80$، وأقرب للماء البارد لأنه كميته أكبر. اكتب كل $\Delta T$ كـ رقم موجب في جانبه الخاص.
يُخلط $0.30\ \text{kg}$ من الماء عند $90\ °\text{C}$ مع $0.60\ \text{kg}$ من الماء عند $15\ °\text{C}$ في وعاء معزول. ما هي درجة الحرارة النهائية بوحدة °C؟
$0.30(90 - T) = 0.60(T - 15)$: $27 - 0.30T = 0.60T - 9$، لذا $0.90T = 36$ و$T = 40\ °\text{C}$.
يُخلط 200 g من الماء عند 80°C مع 300 g عند 20°C. ما هي درجة الحرارة النهائية بوحدة C؟
الطاقة المفقودة تساوي الطاقة المكتسبة: 200(80 - T) = 300(T - 20)، لذا T = 44°C. تختصر السعة الحرارية النوعية لأن كليهما ماء.
مثال محلول: الكأس يأخذ نصيبه
سخّان $810\ \text{W}$ يُسخّن $120\ \text{g}$ من سائل في كأس زجاجي كتلته $42\ \text{g}$ من $25\ °\text{C}$ إلى $80\ °\text{C}$ خلال $21\ \text{s}$. السعة الحرارية النوعية للزجاج هي $0.84\ \dfrac{\text{J}}{\text{g}\,\text{K}}$. أوجد $c$ للسائل.
- الطاقة المزودة: $Q = Pt = 810 \times 21 = 17\,000\ \text{J}$.
- الطاقة الداخلة للكأس: $42 \times 0.84 \times 55 = 1940\ \text{J}$ — لقد احتر عبر نفس $55\ \text{K}$.
- الطاقة الداخلة للسائل: $17\,010 - 1940 = 15\,070\ \text{J}$.
- السعة الحرارية النوعية: $c = \dfrac{15\,070}{120 \times 55} = 2.3\ \dfrac{\text{J}}{\text{g}\,\text{K}}$.
- تحقق: الكأس في اتزان حراري مع السائل طوال الوقت، لذلك ينتهي عند نفس درجة الحرارة ويجب احتسابه. نسيانه يعطي $2.6$، وهو يبدو منطقياً ولكنه خاطئ.
تساوي درجة الحرارة لا يعني تساوي الطاقة: شرارة ساخنة ومسبح دافئ. عند الاتزان يكون التدفق الصافي صفراً، وليس توقف جميع التدفقات. في أي مسألة خلط، احسب كل جسم تتغير درجة حرارته — بما في ذلك الوعاء — واستخدم تغيرات درجة الحرارة بنفس الوحدات على كلا الجانبين.
لقد فهمت الأمر
- تتدفق الحرارة من درجة حرارة أعلى إلى أدنى
- الاتزان الحراري: نفس درجة الحرارة، لا انتقال صافي للطاقة الحرارية
- تحدد درجة الحرارة اتجاه التدفق، ليس كمية الطاقة؛ مسائل الخلط: الطاقة المفقودة = الطاقة المكتسبة، تشمل الوعاء