تم استخراج الدرس المرفق بعنوان:
تم استخراج الدرس المرفق بعنوان:
الدرس 2: الحرارة وتحولات المادة
الأهداف
- تتعرف كلًّا من الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة.
- تقارن بين الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة.
- تربط تغير الطاقة الحرارية بتغير حالة المادة.
- تستكشف تغيرات الطاقة ودرجة الحرارة عن طريق الرسم البياني.
الأهمية
تغير حالة المادة بالتسخين والتبريد.
مراجعة المفردات
تتغير حاله الماده بالتخسين والتبريد
المفردات الجديدة
- الطاقة الحرارية
- درجة الحرارة
- الحرارة
- الانصهار
- التجمد
- التبخر
- التكثف
الطاقة الحرارية والحرارة
عندما تضع قطعة من الثلج في كأس وتتركها قليلًا، فإنها تأخذ في الانصهار تدريجيًّا حتى تتحول إلى ماء، أي أنها تتحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. ما الذي يجعل المادة تتحول من حالة إلى أخرى؟ للإجابة عن هذا السؤال تحتاج إلى التفكير في الجسيمات التي تتكون منها المادة.
الطاقة تعرف بأنها المقدرة على إنجاز الشغل أو إحداث تغيير. ولقد درست فيما سبق أنواعًا مختلفة من الطاقة، منها طاقة الحركة، كما في حالة حركة الجسم المتحركة للمادة. وتعتمد حركة الجسيمات في حالة المادة على طاقتها الحركية. وكلما كانت طاقتها الحركية أكبر كانت سرعتها أكبر، وزادت المسافات بينها. أما الجسيمات التي لها طاقة حركية قليلة فإنها تتحرك أبطأ، وتبقى متقاربة بعضها إلى بعض.
وللجسيمات طاقة وضع، أو طاقة كامنة، بالإضافة إلى طاقتها الحركية. ويطلق على مجموع طاقة الوضع والطاقة الحركية لجميع جسيمات الجسم الطاقة الحرارية Thermal Energy للجسم. وتعتمد الطاقة الحرارية على عدد الجسيمات الموجودة ومقدار طاقتها. وإذا تغير عدد الجسيمات أو كمية الطاقة في كل جزء، تغيرت الطاقة الحرارية في العينة.
لذا عند وجود عينتين متشابهتين تمامًا في الحجم، تحتوي العينة الأسخن، التي درجة حرارتها أعلى، على طاقة حرارية أكبر. لذا توصف الطاقة الحرارية بأنها خاصية كمية؛ لأنها تختلف باختلاف العينة من المادة نفسها.
وفي الشكل لا نجد أن الطاقة الحرارية لجسيمات الماء الساخن في الينبوع أكبر من طاقة الجسيمات المحيطة بها.
الشكل 7
العين الحارة في جبال الحجاز والتي يبعد عن جازان 250 كم.
استنتج: لماذا يشعر الإنسان بالراحة عند وضع الماء الساخن حتى وإن كان الطقس باردًا؟
الشكل 8
جسيمات الشاي الساخن تتحرك أسرع من جسيمات الشاي المثلج، ودرجة حرارة الشاي الساخن أعلى من درجة حرارة الشاي المثلج.
حدد: في أي السائلين تكون طاقة حركة الجزيئات أكبر؟
درجة الحرارة
درجة الحرارة ليس لجسيمات المادة جميعها المقدار نفسه من الطاقة الحركية؛ فبعضها طاقته الحركية أكبر من البعض الآخر. ودرجة حرارة Temperature الجسم هي متوسط الطاقة الحركية للجسيمات المكونة له.
ويمكن إيجاد متوسط مجموعة من القيم بقسمة مجموعها على عددها. فمثلًا يكون متوسط الأعداد 2، 4، 8، 10 هو:
10 + 8 + 4 + 2 = 24
24 ÷ 4 = 6
لذا تختلف درجة الحرارة عن الطاقة الحرارية؛ فالطاقة الحرارية هي مجموع الطاقات للجسيمات، في حين أن درجة الحرارة هي متوسط الطاقات.
وفي الشكل 8 لا نقول إن الشاي المثلج أبرد من الشاي الساخن، ويمكن صياغة ذلك بطريقة أخرى، فنقول إن درجة حرارة الشاي المثلج أقل من درجة حرارة الشاي الساخن، كما يمكنك القول إن متوسط الطاقة الحركية لجسيمات الشاي المثلج أقل من متوسطها للشاي الساخن.
الحرارة
الحرارة تنتقل الطاقة الحرارية من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد عند تلامس جسمين مختلفين في درجة الحرارة، وتسمى الطاقة الحرارية التي تنتقل من مادة درجة حرارتها أعلى إلى مادة درجة حرارتها أقل حرارة Heat.
لذا عندما يتسخن جسم يكتسب طاقة حرارية، وتتحرك جسيماته بسرعة أكبر، وتزداد درجة حرارته. وعندما يبرد يفقد جزءًا من طاقته الحرارية، مما يبطئ من حركة جزيئاته، فتنخفض درجة حرارته.
ماذا قرأت؟
كيف ترتبط الحرارة بدرجة الحرارة؟
التدريب المهني: أشكال الطاقة
الطاقة الحرارية أحد أشكال الطاقة العديدة. ومن أشكالها أيضًا الطاقة الكيميائية للشركات، والطاقة الكهربائية المستعملة في الأجهزة الكهربائية، والطاقة الكهرومغناطيسية للضوء، والطاقة النووية المختزنة في أنوية الذرات.
اكتب قائمة بأمثلة توضح من خلالها استعمال أشكال مختلفة من الطاقة.
التغيرات بين الحالات الصلبة والسائلة
يمكن للمادة أن تتغير من حالة إلى أخرى عند اكتسابها طاقة حرارية أو فقدانها. ويعرف هذا التغير بتغير الحالة. ويظهر الرسم في الشكل 10 تغيرات درجة الحرارة مع الزيادة التدريجية للطاقة للمادة التي لإنتاج جليد.
الانصهار
يكتسب الجليد طاقة حرارية، فترتفع درجة حرارته، كما في الشكل 10، وعند نقطة معينة تتوقف درجة الحرارة عن الارتفاع، مع أن الجليد ما زال يكتسب الطاقة الحرارية، ويبدأ في التغير، فيتحول إلى الماء السائل.
يسمى التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة الانصهار Melting. وتسمى درجة الحرارة التي يتم عندها تحول المادة من صلبة إلى سائلة درجة الانصهار. ودرجة انصهار الجليد صفر س.
لا تنصهر المركبات غير البلورية ومنها المطاط والزجاج بالطريقة نفسها التي تنصهر بها المركبات البلورية؛ لأنها ليس لها تركيب بلوري محدد، كما أن هذه المركبات تصبح أكثر ليونة عند تسخينها، كما يظهر في الشكل 9.
الشكل 9
يبدأ الزجاج في الليونة تدريجيًّا عند تسخينه بدلًا من انصهاره وتحوله إلى سائل. ويستخدم صانعو الزجاج هذه المرونة في تشكيل الزجاج.
حالات المادة
الشكل 10
يوجد الماء، شأنه شأن الكثير من المواد، في حالات ثلاث محددة، هي الصلبة والسائلة والغازية، ويتحول الماء عند درجات حرارة محددة من حالة إلى أخرى. يوضح الشكل التغيرات التي تحدث عند تسخين الماء وتبريده.
الانصهار
عندما ينصهر الجليد تثبت درجة حرارته حتى يتحول الجليد كله إلى ماء سائل. ومع استمرار تسخين الماء السائل تزداد سرعة اهتزاز جزيئاته، وترتفع درجة حرارته.
التبخر
عندما تصل درجة حرارة الماء إلى صفر درجة سيليزية تصبح حركة جزيئاته بطيئة جدًا، تتحرك جزيئاته بسرعة تكفي لانفصالها وتغلبها على قوة تماسكها التي تجعلها في الحالة السائلة، فيتبخر ويصير الماء غازًا. تثبت درجة الحرارة في أثناء الغليان حتى يتبخر السائل كله.
التجمد
عند تجمد الماء يفقد طاقة حرارية، متحولًا من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة في صورة جليد. وكما هو الحال في حالة الانصهار، تثبت درجة الحرارة في أثناء التجمد حتى يتحول السائل إلى صلب.
التكثف
عند تبريد البخار يفقد جزءًا من طاقته الحرارية، ويتحول إلى الحالة السائلة، وتسمى هذه العملية التكثف.
التجمد
التجمد يسمى التغير من الحالة السائلة إلى الصلبة التجمد Freezing. ويحدث في سوائل المواد التي تكون بلورية في الحالة الصلبة.
فعند تبريد السائل يفقد جزءًا من طاقته الحرارية، لذا تتباطأ حركة جسيماته، ويتقارب بعضها إلى بعض أكثر، فتزداد قوى التماسك بين هذه الجسيمات، ويبدأ في تشكل بلورات المادة الصلبة. وتلاحظ في الشكل 10 أن عملية التجمد عكس عملية الانصهار.
ويطلق على درجة الحرارة التي يتم عندها تغير حالة المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة درجة التجمد. ودرجة انصهار المادة الصلبة هي نفسها درجة التجمد، فدرجة انصهار الجليد هي نفسها درجة تجمد الماء السائل، وهي صفر س.
تبقى درجة حرارة المادة في أثناء عملية التجمد ثابتة؛ ولأن جسيمات المادة في الحالة السائلة طاقتها أكبر مما في الحالة الصلبة، فإنها تقوم بإطلاق الطاقة للوسط المحيط، وبعد أن تتحول المادة إلى الصلبة تبدأ درجة الحرارة في الانخفاض أكثر إذا استمرت عملية التبريد.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية: درجة التجمد
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للحصول على معلومات حول التجمد.
نشاط: اعمل قائمة بعدد من المواد ودرجات تجمد كل منها، وبين كيف تؤثر درجة تجمد المادة في سبل الاستفادة منها.
تطبيق العلوم
كيف ينقذ الجليد حبات البرتقال؟
يراقب مزارعو البرتقال في مناطق شمال وطننا انخفاض درجات الحرارة في الشتاء، واقترابها من التجمد؛ حيث يؤدي انخفاضها دون الصفر س إلى تجمد المياه في خلايا البرتقال، ثم خلال البرتقال وتمددها، مما يسبب تلف الخلايا، ويجعل حبات البرتقال طرية، والمحصول عديم الجدوى تجاريًّا.
ولتجنب ذلك، يرش المزارعون البرتقال بالماء قبيل وصول درجة الحرارة إلى الصفر س. فكيف تحمي عملية رش الماء البرتقال؟
تحديد المشكلة
ارجع إلى الشكل 10، وأوضح ماذا يحدث للماء عند درجة صفر س؟
حل المشكلة
- ما التغيرات التي تحدث لحالة الماء ولطاقته عند تجمده؟
- كيف يحفظ الجليد المتكون على قشرة البرتقال الثمار من التلف؟
التغيرات بين الحالات السائلة والغازية
تلاحظ بعد هطول المطر تكون تجمعات من الماء على سطح الأرض، ثم لا تلبث أن تختفي بعد أيام. أين يذهب الماء؟ لقد تحول الماء إلى بخار، أي ماء في الحالة الغازية. وتتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وبالعكس، عن طريق عمليتي التبخر والتكثف.
تجربة
ملاحظة التبخر
الخطوات
- ضع قطرة واحدة من الكحول الطبي بالقطارة على ظاهر يدك.
- صف ما يحدث ليدك وما تشعر به بعد دقيقتين.
- اغسل يديك.
التحليل
- ما التغيرات التي لاحظتها على مظهر الكحول الطبي؟
- ما الإحساس الذي شعرت به خلال الدقيقتين؟ وكيف تفسر ذلك؟
التبخر
التبخر ترتفع درجة حرارة الماء عند تسخينه حتى تصل إلى 100 س، وعندها يبدأ الماء السائل في التحول إلى غاز. ويحدث التحول من الحالة السائلة إلى الغازية التبخر Vaporization.
وهناك نوعان من التبخر؛ في النوع الأول يحدث التبخر عند التسخين الجزئي السائل كله؛ إذ تولد الفقاعات وتصعد إلى السطح، كما في الشكل 11، ويسمى هذا الغليان، كما تثبت درجة حرارة السائل خلال غليانه حتى يتحول السائل كله إلى بخار. ويطلق على درجة الحرارة هذه درجة الغليان.
وفي أثناء الغليان تكتسب جسيمات السائل الطاقة الحرارية، فتزداد سرعتها، وعندما يكتسب الجسم الطاقة الكافية يفلت من السائل.
أما النوع الثاني من التبخر فيحدث باستمرار على سطح السائل دون الحاجة إلى وصول السائل إلى درجة الغليان. وتختلف جزيئات السائل في طاقتها الحركية، مما يجعلها تتحرك بسرعات مختلفة. وعلى الرغم من ثبات درجة الحرارة التي تعبر عن متوسط الطاقة الحركية للجزيئات، فإن الجزيئات السريعة الحركة تتغلب على قوة التجاذب بينها، وتتمكن من الإفلات من سطح الماء بسبب زيادة طاقتها الحركية.
موقع الجزيئات
تحتاج الجزيئات إلى عوامل أخرى إضافة إلى السرعة الزائدة لتفلت من الحالة السائلة؛ إذ يجب أن تكون هذه الجزيئات قريبة من سطح السائل، وتتحرك في الاتجاه الصحيح؛ متجنبة التصادم مع غيرها في أثناء خروجها. وعندما يتبخر الأسرع من سطح السائل تبقى الجزيئات الأبطأ والأبرد، فيتبخر السائل والحيز المحيط به.
هل يمكنك تفسير الشعور بالبرودة عند تبخر العرق من الجسم؟
الشكل 11
يتحول السائل عند الغليان إلى غاز، وتصاعد الفقاقيع إلى سطح السائل.
حدد الحالة التي تصف تحول السائل إلى غاز.
التكثف
التكثف عندما تصب ماء باردًا في يوم دافئ في كأس وتتركه مدة معينة، تتكون قطرات من الماء على سطح الكأس في الخارج، كما في الشكل 12. ما الذي حدث؟
عندما يبرد بخار الماء الموجود في الهواء المحيط بالكأس تقل سرعة جسيماته، فتقترب شيئًا فشيئًا بعضها من بعض، وعندما تصل إلى الحد الكافي لتتماسك فيما بينها تتكون قطرات من السائل. وتسمى العملية المعاكسة للتبخر التكثف Condensation.
ويحدث التكثف عندما يطلق بخار الماء الطاقة الحرارية التي سبق أن اكتسبها عند تحوله إلى غاز. وتثبت درجة الحرارة خلال التكثف أيضًا، وتغير الجسيمات من ترتيب نفسها في أثناء فقدانها للطاقة وتحولها إلى الحالة السائلة. وعندما يتم التحول تستمر درجة الحرارة في الانخفاض، كما في الشكل 10.
ماذا قرأت؟
ما تغيرات الطاقة التي تحدث في أثناء التكثف؟
يتكثف بخار الماء الموجود في الجو بالطريقة نفسها، مكونًا قطرات من الماء في صورة غيوم. وعندما تتجمع القطرات وتكبر على نحو كاف تسقط في صورة مطر.
الشكل 12
تكونت قطرات ماء على السطح الخارجي للكأس عندما فقد بخار الماء في الهواء كمية كافية من الطاقة ليعود إلى الحالة السائلة، وتسمى هذه العملية التكثف.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية: التكثف
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للحصول على المزيد من المعلومات حول تأثير التكثف في الطقس.
نشاط: ابحث كيف يتأثر التكثف بدرجة الحرارة وكمية الماء في الهواء؟
تجربة عملية
حالات المادة
ارجع إلى كراسة التجارب العملية.
الشكل 13
يتحول ثاني أكسيد الكربون الصلب، الجليد الجاف، في كأس الماء مباشرة إلى غاز ثاني أكسيد الكربون بعملية تسمى التسامي.
التغيرات بين الحالات الصلبة والغازية
يمكن أن تتحول بعض المواد من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية مباشرة دون المرور بالحالة السائلة، ويسمى هذا التسامي. وهو يحدث نتيجة اكتساب جسيمات سطح المادة الصلبة الطاقة الكافية لتصبح غازًا.
فالجليد الجاف، ثاني أكسيد الكربون الصلب، من المواد التي لها خاصية التسامي. ويستعمل في حفظ بعض المواد باردة جافة. لا يتغير الجليد الجاف في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي العادي إلى الحالة السائلة، بل يتحول مباشرة إلى الحالة الغازية؛ حيث يمتص الطاقة من بخار الماء الموجود في الهواء، فيتحول ثاني أكسيد الكربون إلى غاز، بينما يبرد بخار الماء ويتكثف مشكلًا الضباب الذي ترى في الشكل 13.
مراجعة الدرس 2
الخلاصة
الطاقة الحرارية والتسخين
- تعتمد الطاقة الحرارية على كمية المادة والطاقة الحركية لجسيماتها.
- الحرارة هي انتقال الطاقة الحرارية من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد.
التغير بين الحالة الصلبة والحالة السائلة
- تبقى حرارة المادة ثابتة خلال تحولات المادة من حالة إلى أخرى.
- الانصهار: تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
- التجمد: تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة.
التغير بين الحالة السائلة والحالة الغازية
- التبخر: تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.
- التكثف: تحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة.
التغير من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية
- التسامي: تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية مباشرة دون المرور بالحالة السائلة.
اختبر نفسك
- قارن بين الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة.
- فسر كيف يسبب تغير الطاقة الحرارية تغيرًا في حالتها؟ وأعط مثالين على ذلك.
- اكتب ثلاثة تغيرات للحالة تمتص خلالها المادة الطاقة.
- صف نوعي التبخر.
- اكتب فقرة في دفتر العلوم توضح فيها سبب شعورك بقشعريرة عند خروجك سريعًا من حمام دافئ.
- التفكير الناقد: لماذا تبقى درجة حرارة مادة ثابتة حتى في أثناء امتصاصها طاقة حرارية؟
- تطبيق الرياضيات: إنشاء الرسوم البيانية واستخدامها
استخدم البيانات التي جمعتها من التجربة الاستهلالية لإنشاء رسم بياني يوضح تغير درجة الحرارة مع الزمن. صف كيف وماذا حدث لمستوى المنحنى؟ وماذا يحدث للسائل خلال هذه الفترة؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.