الفيزياء الحرارية

توجد المادة في ثلاث حالات: صلبة، سائلة و غازية.

تغيرات الحالة هي: الانصهار (صلب ← سائل)، الغليان/التبخر (سائل ← غاز)، التكثف (غاز ← سائل) والتجمد (سائل ← صلب). في التكثف، تتباطأ جزيئات الغاز وتتقارب لتكوين سائل. وفي التجمد، تفقد جزيئات السائل الطاقة وتستقر في مواضع ثابتة.

تتكون جميع المواد من جسيمات صغيرة متحركة باستمرار. هذا هو نموذج الجسيمات الحركية.

• في المادة الصلبة، تهتز الجسيمات فقط حول مواضع ثابتة.
• في السائل، لا تزال قريبة لكنها يمكن أن تنزلق فوق بعضها البعض.
• في الغاز، تكون متباعدة وتتحرك بسرعة في اتجاهات عشوائية.

درجة الحرارة وطاقة الجسيمات

عند تسخين مادة ما، تتحرك جسيماتها بشكل أسرع، لذا تصبح لديها المزيد من الطاقة الحركية. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات.

أدنى درجة حرارة ممكنة هي الصفر المطلق، $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. عند هذه النقطة، تكون لدى الجسيمات أقل طاقة ممكنة.

ضغط الغاز

تصطدم جسيمات الغاز بجدران وعائها. كل اصطدام هو دفع صغير. ضغط الغاز هو محصلة قوة هذه الاصطدامات لكل وحدة مساحة.

• تسخين غاز (عند ثبات الحجم) يجعل الجسيمات تتحرك بشكل أسرع وتصطدم بقوة أكبر وبشكل أكثر تكراراً، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط.
• ضغط غاز داخل حجم أصغر (عند ثبات درجة الحرارة) يعني المزيد من الاصطدامات في الثانية الواحدة على كل وحدة مساحة، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط.

بالنسبة لكتلة ثابتة من الغاز عند درجة حرارة ثابتة:

لذا إذا انخفض الحجم للنصف، يتضاعف الضغط.

مثال محلول. غاز له حجم $200\ \text{cm}^3$ عند ضغط $100\ \text{kPa}$. تم ضغطه إلى $50\ \text{cm}^3$ عند درجة حرارة ثابتة. أوجد الضغط الجديد.

بما أن $pV$ يبقى ثابتاً، فإن $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

الحركة البراونية

إذا نظرت إلى الدخان في الهواء تحت المجهر، سترى بقعاً صغيرة تتحرك بطريقة متقطعة وعشوائية. هذه هي الحركة البراونية. البقع تدفعها جسيمات هواء سريعة وغير مرئية تصطدم بها. وهو دليل قوي على نموذج الجسيمات الحركية.

مقياس كلفن

غالباً ما يستخدم العلماء مقياس كلفن (K) لدرجة الحرارة، والذي يبدأ من الصفر المطلق. للتحويل:

إذن $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

مثال محلول. حول $25\,{}^{\circ}\text{C}$ إلى كلفن، و$200\ \text{K}$ إلى درجات مئوية.

عند تسخين المادة، تتحرك جسيماتها أكثر وتشغل مساحة أكبر، sehingga يتمدد الجسم. يتمدد الغازات أكثر من السوائل، ثم المواد الصلبة. يأتي هذا الترتيب من القوى بين الجسيمات: في المادة الصلبة تكون الجسيمات مقيدة بإحكام في شبكة بلورية (نمط ثابت)، لذا يمكنها الاهتزاز قليلاً فقط؛ في السائل تكون مقيدة بقوة أقل؛ وفي الغاز تكون القوى ضعيفة جداً، لذا تنتشر الجسيمات بشكل كبير.

أمثلة من الحياة اليومية: تُترك فجوات بين قضبان السكك الحديدية؛ تقف الجسور على عجلات دوارة؛ يرخى غطاء معدني ضيق عند تسخينه.

الطاقة الداخلية للجسم هي مجموع طاقة جميع جسيماته. رفع درجة حرارة جسم ما يزيد طاقته الداخلية وغالباً ما يرفع درجة حرارته.

السعة الحرارية النوعية هي الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم من مادة ما بمقدار 1 درجة مئوية.

المادة ذات السعة الحرارية النوعية العالية (مثل الماء) تحتاج إلى الكثير من الطاقة لتسخينها وتبرد ببطء.

مثال محلول. كم مقدار الطاقة اللازمة لتسخين $2.0\ \text{kg}$ من الماء من $20\,{}^{\circ}\text{C}$ إلى $70\,{}^{\circ}\text{C}$؟ السعة الحرارية النوعية للماء هي $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

بإعادة ترتيب $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ نحصل على $\Delta E = mc\,\Delta\theta$، مع $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

قياس السعة الحرارية النوعية. بالنسبة للمواد الصلبة، استخدم كتلة معدنية بها ثقبان: واحد لمصعد كهربائي والآخر لـمقياس حرارة. قِس الكتلة $m$ للكتلة. شغّل المصعد لفترة زمنية محددة $t$ وسجل التيار الكهربائي $I$ والجهد الكهربائي $V$، بحيث تكون الطاقة المزودة هي $E = IVt$ (أو اقرأ الطاقة من جهاز قياس الجول). سجل الارتفاع في درجة الحرارة $\Delta\theta$. حينها $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. بالنسبة للسوائل، سخّن كتلة محددة من السائل في وعاء وأدهنه، لتكون درجة الحرارة موحدة في جميع أنحاءه. لف الكتلة أو الوعاء بـمواد عازلة لتقليل فقدان الطاقة إلى الهواء.

الانصهار والغليان يتطلبان طاقة، لكن درجة الحرارة تبقى ثابتة أثناء تغير الحالة. هذه الطاقة تكسر القوى بين الجزيئات. بالنسبة للماء عند الضغط الجوي العادي، يحدث الانصهار عند $0\,{}^{\circ}\text{C}$ والغليان عند $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

التبخر هو تحول السائل إلى غاز عند سطحه، تحت درجة غليانه. تهرب أسرع الجزيئات من السطح. وبسبب مغادرة أسرع الجزيئات (الأكثر طاقة)، تنخفض متوسط طاقة ما يتبقى، مما يؤدي إلى تبريد السائل. أي جسم يلامس سائلاً يتبخر يبرد أيضاً، لأن السائل يأخذ الطاقة منه: ولهذا السبب يعرق الجلد.

التبخر أسرع عندما تكون درجة الحرارة أعلى، ومساحة السطح أكبر، ويكون هناك حركة هوائية أكثر فوق السطح.

تنقل الطاقة الحرارية من الأماكن الساخنة إلى الباردة بثلاث طرق.

التوصيل الحراري

التوصيل الحراري هو نقل الطاقة الحرارية عبر مادة دون تحرك المادة نفسها. جزيئات المادة الصلبة ترتبط في شبكة بلورية. تهتز الجزيئات المسخنة بشكل أكبر وتنقل الطاقة لجيرانها. في المعادن، تحمل الإلكترونات الحرة (الإلكترونات اللامركزية) الطاقة بسرعة، لذلك تُعد المعادن موصلات حرارية جيدة.

المواد التي توصل الحرارة بشكل سيء (مثل الهواء والخشب والبلاستيك) تُعد عوازل حرارية.

اختبار الموصلات. ثبت دبوس رسم بإصبع من الشمع على أحد طرفي قضبان من النحاس والحديد والزجاج والخشب، وسخّن الأطراف الأخرى بالتساوي. يسقط الدبوس أولاً من قضيب النحاس، ثم من قضيب الحديد، وأخيراً (أو لا يسقط أبداً) من الزجاج والخشب: المعادن هي أفضل الموصلات. يصبح القضيب المعدني ساخناً بسرعة عند وضعه في لهب، بينما لا يسخن القضيب الخشبي.

الغازات ومعظم السوائل رديئة التوصيل لأن جسيماتها متباعدة وتنتقل الطاقة فقط عندما تتصادم صدفةً. لا توجد شبكة بلورية ولا إلكترونات حرة.

الحمل الحراري

الحمل الحراري يحدث في السوائل والغازات. عندما يُسخّن المائع يتمدد ويصبح أقل كثافة ويرتفع. ينخفض المائع الأبرد والأكثر كثافة ليحل محله. هذه الحلقة من المائع المتحرك تسمى تيار الحمل.

إظهار الحمل الحراري. ألقِ بلورة من برمنجنات البوتاسيوم البنفسجية في كأس زجاجي به ماء وسخّن الكأس بلطف أسفل البلورة. يرتفع تيار ملون فوق منطقة التسخين، وينتشر عبر الأعلى وينخفض عند الجوانب. في الهواء، شمع مشتعل أسفل أحد مدخلات صندوق الدخان يسحب الدخان إلى الداخل من المدخل الآخر ويصعد فوق اللهب.

لا يمكن أن يحدث الحمل الحراري في المواد الصلبة لأن جسيماتها لا تستطيع التحرك من مكان إلى آخر.

الإشعاع

الإشعاع الحراري هو طاقة تُحمل بواسطة موجات الأشعة تحت الحمراء. تشعّه جميع الأجسام، ولا يحتاج إلى وسط مادي للانتقال — بل يمكنه عبور الفراغ (وهكذا تصل إلينا الطاقة من الشمس).

السطح الداكن والأسود هو مشعّ جيد وممتصّ جيد للأشعة تحت الحمراء. السطح اللامع والأبيض هو مشعّ ضعيف وعاكس جيد.

مقارنة الأسطح. املأ علبتين، إحداهما سوداء داكنة والأخرى فضية لامعة، بالماء الساخن عند نفس درجة الحرارة، وضع مقياس حرارة في كل منهما. تبرد العلبة السوداء أسرع، لذا فهي المشعّ الأفضل. ثم ضع نفس العلبتين، مليئتين بالماء البارد، على مسافات متساوية من مصدر تسخين. تسخن العلبة السوداء أسرع، لذا فهي الممتصّ الأفضل. يُظهر مكعب ليزلي (صندوق معدني بوجه واحد لكل نوع من الأسطح) نفس النتيجة.

تبقى الجسم عند درجة حرارة ثابتة عندما يشعّ الطاقة بنفس معدل امتصاصه لها. يكون معدل الإشعاع أعلى عندما تكون السطح أكثر سخونة وكبراً. إذا امتص الجسم طاقة أسرع مما يشعّه، ترتفع درجة حرارته؛ وإذا شعّ أسرع مما يمتصه، تنخفض درجة حرارته.

درجة حرارة الأرض. تمتص الأرض الإشعاع من الشمس وتُشع إشعاعاً تحت الحمراء إلى الفضاء. تبقى درجة حرارتها المتوسطة ثابتة فقط عندما تتساوى معدلان الامتصاص والإشعاع. أي تغيير في هذا التوازن يُغير درجة الحرارة. تمتص الغازات في الغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون جزءاً من الإشعاع المنبعث وتعيد جزءاً منه نحو الأسفل، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض مع زيادة هذه الغازات. تعكس الغيوم والجليد ضوء الشمس الوارد، لذا فإن انخفاض الجليد يعني امتصاص طاقة أكبر، وارتفاع درجة حرارة الأرض أكثر.

أمثلة يومية

• تحتوي مقلاة المطبخ على قاعدة معدنية توصل الطاقة بسرعة إلى الطعام، ومقبض بلاستيكي أو خشبي يعمل كمادة عازلة، مما يسمح لك بحملها بأمان.
• يسخن المشع الغرفة عن طريق الحمل الحراري: تسخن الهواء المجاور له، فيتصاعد ويحل محله هواء أبرد، مما يؤدي لتسخين الغرفة بأكملها.
• عند الجلوس قرب موقد النار، تشعر بإشعاعه على وجهك فوراً؛ لأن الهواء بينك وبين النار موصل ضعيف للحرارة.
• يحافظ الزجاجة المعقبة على مشروب ساخن عن طريق منع جميع عمليات النقل الثلاث: يعيق الفراغ بين الجدران المزدوجة التوصيل والحمل الحراري، بينما تمنح الأسطح الفضية اللامعة الإشعاع.

• في النموذج الحركي للجسيمات، يؤدي تسخين الغاز إلى زيادة سرعة جسيماته وضربها للجدران بقوة أكبر وبشكل متكرر، مما يرفع الضغط. لا تكبر الجسيمات نفسها.
• يحدث التبخر فقط عند السطح وعند أي درجة حرارة؛ بينما يحدث الغليان عبر كامل السائل عند درجة حرارة ثابتة. يُبرد التبخر السائل المتبقي لأن أسرع الجسيمات تهرب.
• أثناء الذوبان والغليان تظل درجة الحرارة ثابتة رغم استمرار تزويد الطاقة — هذه الطاقة تُكسر القوى بين الجسيمات.
• لحساب السعة الحرارية النوعية استخدم $\Delta E = mc\,\Delta\theta$، حيث $\Delta\theta$ هو التغير في درجة الحرارة، وليس درجة الحرارة النهائية.
• الأسطح السوداء المطفأة هي أفضل المشعّعات والممتصات للأشعة تحت الحمراء؛ أما الأسطح اللامعة والفاتحة فهي أفضل العاكسات. يحتاج الحمل الحراري إلى سائل أو غاز لتدفقه، لذا لا يمكن أن يحدث في المادة الصلبة.