الدرس: 4-4 تاثير الحرارة على المواد

تمدد المواد بالحرارة: إن زيادة درجة حرارة المادة يؤدي إلى زيادة معدل الطاقة الحركية للجزيئات فتتباعد فيؤدي إلى التمدد وهذا التمدد يختلف باختلاف حالة المادة فتمدد الغازات أكبر من تمدد السوائل وتمدد السوائل أكبر مما هو عليه في الصلب، إذا كانت الحرارة المكتسبة متساوية.

a. تمدد المواد الصلبة:

ويوجد ثلاث أنواع من التمدد:

• تمدد المواد الصلبة.
• تمدد المواد السائلة.
• تمدد المواد الغازية.

التمدد الطولي: وهو تمدد في بعد واحد مثل تمدد سلك، وكلما زادت درجة الحرارة يزداد التمدد.

null.

حيث:

• null: معامل التمدد الطولي.
• null: الطول الجديد - الطول الأصلي.

معامل التمدد الطولي: مقدار الزيادة الحاصلة في وحدة الأطوال من المادة عند تسخينها درجة سيليزية واحدة ويقاس بوحدة null وهو يختلف باختلاف المواد.

التمدد السطحي: وهو تمدد الجسم الحاصل في سطحه (في بعدين) فتزداد المساحة السطحية للجسم بزيادة درجة الحرارة.

null مس= معامل التمدد السطحي × المساحة الأصلية × التغير بدرجات الحرارة.

null.

حيث:

• null= التغير بالمساحة.
• null= معامل التمدد السطحي.
• null=التغير بدرجات الحرارة.

null.

معامل التمدد السطحي: مقدار الزيادة الحاصلة في وحدة المساحة من الجسم عندما ترتفع درجة الحرارة درجة سيليزية واحدة وإن معامل التمدد السطحي = ضعف معامل التمدد الطولي null = null.

التمدد الحجمي: وهو التمدد الحاصل في حجم الجسم (في ثلاث أبعاد) عند زيادة درجة الحرارة.

null.

• null = معامل التمدد الحجمي.
• null= التغير بدرجات الحرارة.

معامل التمدد الحجمي: مقدار الزيادة الحاصلة في وحدة الحجم من المادة عند ارتفاع درجة الحرارة درجة سيليزية واحدة.

null.

معامل التمدد الحجمي = ثلاثة أضعاف معامل التمدد الطولي null.

تطبيقات على تمدد الأجسام الصلبة:

1. الضابط الأوتوماتيكي الحراري الذي يستعمل في الثلاجة والسخان والمكواة حيث يصنع من شريط ثنائي المعدن فعند الحرارة تنحني إلى جهة وعند البرودة تنحني إلى جهة معاكسة فمثلاً المنظم الحراري في الثلاجة يستعمل من مادة النحاس والحديد مثلاً، فإن المعدن ذو معامل التمدد الأكبر عند البرودة العالية ينحني مبتعداً ليقطع الدائرة كما في الشكل، اما في السخان فيكون بالعكس فيكون النحاس، هو المواجه للمسمار فعند الحرارة العالية ينحني النحاس حول الحديد مبتعداً ليقطع الدائرة ليعمل كمنظم للحرارة.

2. ومن التطبيقات كذلك الاستفادة من تساوي معامل التمدد الحراري لمادتين مختلفتين، مثل السلك المستعمل في المصباح والزجاج يتمددان بنفس المقدار لعدم كسر الزجاج عند تملك السلك الذي بداخله.

3. كذلك في وضع فواصل مناسبة بين سكك الحديد أو الجسور أو الطرق.

يستعمل زجاج البايركس بدلاً من الزجاج الاعتيادي.

لأنه يتحمل التغيرات السريعة في درجات الحرارة، لأن معامل التمدد الطولي له صغير قياساً لما هو في الزجاج الاعتيادي.

b. تمدد السوائل بالحرارة:

(نشاط يوضح تمدد السوائل بالحرارة):

• إذا ملأنا دورق بماء ملون كما في الشكل ثم بدأنا بالتسخين فإن مستوى الماء سوف ينزل في الأنبوبة الرفيعة والسبب هو أن الحرارة التي وصلت أولاً إلى الدورق الزجاجي جعلته يتمدد ويكبر حجمه قليلاً، ثم إذا استمرينا في التسخين فستصل الحرارة إلى الماء الذي بداخل الدورق مما يؤدي إلى تمدد السائل ولكن تمدد السائل أكبر بكثير من الصلب مما يؤدي إلى ارتفاع الماء في الأنبوية الرفيعة إلى أكثر مما كانت عليه في الحالة الأولى في a.
• معامل التمدد الحجمي الظاهري null للسائل هو نسبة الزيادة الظاهرية في الحجم لكل درجة سائل سيليزية واحدة.
• معامل التمدد الحجمي الحقيقي null للسائل هو نسبة الزيادة الحقيقية في الحجم لكل درجة سيليزية واحدة.

وحسب الأشكال أعلاه فإن التمدد الحقيقي للسائل null هو أكبر من التمدد الظاهري null حيث يكون التمدد الحقيقي للسائل هو التمدد الظاهري مضاف إليه التمدد الحجمي للإناء، بينما التمدد الظاهري هو تمدد السائل فقط.

null.

• null معامل التمدد الحقيقي للسائل.
• null معامل التمدد الظاهري للسائل.

null معامل التمدد الحجمي للإناء ويساوي ثلاث أضعاف معامل التمدد الطولي.

/فسر/ عند وضع محرار زئبقي في سائل ساخن فإنه ينخفض قليلاً في البداية ثم يرتفع؟

عندما يوضع في السائل الساخن أول ما يسخن الزجاج فيتمدد ويكبر حجمه فينزلق الزئبق، ثم تصل الحرارة إلى الزئبق فيتمدد أكثر من الزجاج فيرتفع.

تم ملء خزان بنزين السيارة حجمه 60 litter بالبنزين تماماً حينما كانت درجة الحرارة 25ºC ثم تركت السيارة تحت أشعة الشمس ساعات عدة إلى أن أصبحت درجة حرارة الخزان 45ºC احسب حجم البنزين المتوقع أن ينسكب من الخزان (أهمل تمدد الخزان)؟

من الجدول (3) نجد أن معامل التمدد الحجمي للبنزين هو:

• null.
• null.

معامل التمدد الحجمي للبنزين:

• null.
• null.

حجم البنزين المنسكب = null.

C. تمدد الغازات:

• يتمدد الغاز أكثر من السائل وأكثر من الصلب بسبب ضعف القوى بين جزيئاته وتتساوي الغازات في معامل تمددها الحجمي، علماً أن التمدد الحجمي للإناء الحاوي للغاز قليل جداً له نسبة إلى الغاز الذي يحويه لذا نهمل تمدد
• الإناء فيكون تمدده الظاهري يساوي التمدد الحقيقي للغازات.

علل: التمدد الظاهري في الغازات يساوي تمدده الحقيقي؟

إن التمدد الحجمي للإناء الحاوي للغاز قليل جداً له نسبة إلى الغاز الذي يحويه لذا نهمل تمدد الإناء فيكون تمدده الظاهري يساوي التمدد الحقيقي للغازات.