وصف ظواهر الطاقة

وصف ظواهر "بلغة الطاقة".

* ملاحظة: هذا هو الاستبيان الأوّلي المقترح للمعلّمين. ستتغيّر صيغة الاستبيان على ضوء ردود الفعل التي تلقّيناها. يشمل الاستبيان بعض الأسئلة التي توجب استعمال بنك أنواع الطاقة التالي:

	بنك أنواع الطاقة الطاقة الحركية، طاقة الارتفاع، الطاقة الضوئية (الأشعّة)، الطاقة الصوتية، الطاقة الكهربائية، الطاقة الكيميائية، (الطاقة الموجودة مثلاً في الوقود وغاز الطبخ أو في العضلات)، الطاقة الحرارية.

 

1. أمامكم عدّة أحداث/ حالات. اكتبوا في نهاية كلّ جملة نوع الطاقة الذي يمكنه أن يميّز الحدث الموصوف (اكتبوا نوع الطاقة الأساسي في الحدث). للإجابة استعينوا "ببنك" أنواع الطاقة.

 أ. رعد قويّ نسمعه  ____________________.

 ب. لامبة فلوروسنت تضيء الغرفة ______________.

 ج. مياه تجري بشدّة كبيرة في النهر ____________________.

 د. في أعقاب رياح قويّة، تتحرّك دوّارة الهواء (انظروا الصورة) بسرعة _____________.

 ه. ثمار ليمون "معلّقة" على أغصان الشجرة ____________________.

 و. خطف البصر بواسطة أشعّة الشمس ____________________.

2. يدّعي سامي أنّه عندما يعدو في منافسة العَدْو تكون لديه طاقة حركية.

موافقون/ غير موافقين

أ. هل توافقون مع سامي؟ ضعوا دائرة حول الإجابة الصحيحة:

ب. اكتبوا تحوّلات الطاقة التي حدثت أثناء عَدْو سامي (استعينوا "ببنك" أنواع الطاقة):

3. ما هو المشترك بين الشمس وموادّ الوقود والرياح؟ (أشيروا إلى الإجابة الأصحّ.)

أ. جميعها مصادر طاقة متآكلة.

ب. جميعها مصادر طاقة.

ج. جميعها مصادر طاقة رخيصة.

د. جميعها مصادر طاقة "خضراء" ("نقيّة").

4. مولّد طاقة يدوي (جهاز يولّد تيّارًا كهربائيًا) موصول بلامبة. ندير يد المولّد بسرعة ونتيجة لذلك تضيء اللامبة. اكتبوا في المستطيلات التي أمامكم تحوّلات الطاقة التي حدثت في هذا الحدث. استعينوا ببنك أنواع الطاقة أدناه.

	طاقة حركية، طاقة ضوئية (أشعّة)، طاقة كهربائية، طاقة كيميائية (التي في العضلات)

 

5. يصف الرسم التوضيحي الذي أمامكم تفّاحة تسقط من شجرة في

ثلاث حالات مختلفة أثناء سقوطها. لاحظوا أنّ الحالة 3 تصف التفّاحة لحظةً

قبل إصابتها للأرض. (أشيروا إلى الإجابة الأصحّ). في أيّة حالات من الحالات

الموصوفة في الرسم التوضيحي توجد طاقة للتفّاحة؟

أ. في الحالة 1 فقط.

ب. في الحالة 1 وفي الحالة 2 فقط.

ج. في الحالة 3 وفي الحالة 1 فقط.

د. في الحالة 1 وفي الحالة 2 وفي الحالة 3.

6. ما هو المصدر الأوّلي للطاقة التي في الغذاء؟ (أشيروا إلى الإجابة الأصحّ.)

                       ‌أ.       التربة.

                    ‌ب.     أشعّة الشمس.

                     ‌ج.     موادّ التسميد.

                      ‌د.      الڤيتامينات.

7. فقط لأحد الأجسام التي أمامكم توجد طاقة حركية. لأيّ جسم؟ (أشيروا إلى الإجابة الصحيحة.)

                       ‌أ.       سيّارة تسير.

                    ‌ب.     شاحنة تقف في إشارة ضوئية حمراء.

                     ‌ج.     كرة قدم موضوعة على الملعب.

                      ‌د.      كتاب شيّق موضوع على الطاولة.

8. استعملوا عرض المستطيلات أدناه لوصف تحوّلات الطاقة في الأحداث التالية (بإمكانكم الاستعانة ببنك أنواع الطاقة):

                       ‌أ.       تسخين ماء في طنجرة بواسطة غاز الطبخ.

                    ‌ب.     سيّارة تستغلّ الوقود أثناء سيرها في الشارع السريع.

                     ‌ج.     كهرباء يُنتَج في محطّة توليد الكهرباء بواسطة حرق الوقود. تيّار كهربائي يُنقَل إلى بيت السيّدة لطيف التي تشغّل إبريقًا كهربائيًا لتسخين الماء (ترغب في إعداد فنجان قهوة).

9. أمامكم جملة يجب إكمالها بواسطة إحدى الإجابات المقترحة. (أشيروا إلى الإجابة الأصحّ.)

 رمى سامي كرة باتّجاه الأعلى. بعد بضع ثوانٍ، أثناء حركة الكرة باتّجاه الأعلى (الحالة 2 أو الحالة 3):

                       ‌أ.       توجد للكرة طاقة حركية وطاقة ارتفاع.

                    ‌ب.     توجد للكرة طاقة حركية فقط.

                     ‌ج.     توجد للكرة طاقة ارتفاع فقط.

                      ‌د.      لا توجد طاقة للكرة.

10. كتتمّة لما وُصف في السؤال 9، يدّعي سامي أنّ طاقة ارتفاع الكرة ستكون الأكبر عندما تصل الكرة إلى أوج ارتفاعها (انظروا الحالة 4 في الرسم التوضيحي). ضعوا دائرة حول الإجابة الصحيحة:

11. أمامكم قائمة مصادر للطاقة. صنّفوا هذه المصادر في الجدول إلى مصادر طاقة متآكلة وإلى مصادر طاقة متجدّدة.

المصادر: الطاقة التي في منتَجات النفط (طاقة كيميائية)، الطاقة التي في الفحم (طاقة كيميائية)، طاقة الماء الحركية، طاقة الريح الحركية، الطاقة التي لأشعّة الشمس، الطاقة الجيولوجية الحرارية (الطاقة التي مصدرها من مكان حارّ جدًّا في باطن الأرض)، طاقة أمواج البحر الحركية، طاقة ارتفاع المياه التي تنزل في شلاّل الماء.

مصادر طاقة متآكلة	مصادر طاقة متجدّدة

12. في محطّة لتوليد الكهرباء تعمل بالغاز الطبيعي، تحدث تحوّلات الطاقة التالية. (أشيروا إلى الإجابة الأصحّ.)

                           ‌أ.        الطاقة الكهربائية التي للغاز تتحوّل إلى طاقة حركية.

                         ‌ب.     الطاقة الكيميائية التي للغاز تتحوّل إلى طاقة كهربائية.

                          ‌ج.      طاقة الارتفاع التي للغاز تتحوّل إلى طاقة كهربائية.

                           ‌د.       طاقة القوّة التي للغاز تتحوّل إلى طاقة ارتفاع.

13. تسير سيّارة بسرعة 50 كم في الساعة. بعد زمن معيّن، تزيد السيّارة من سرعتها إلى 90 كم في الساعة. في أيّة مرحلة كانت للسيّارة طاقة حركية أكبر؟ (أشيروا إلى الإجابة الأصحّ.)

                           ‌أ.        عندما سارت السيّارة بسرعة 50 كم في الساعة.

                         ‌ب.     عندما سارت السيّارة بسرعة 90 كم في الساعة.

                          ‌ج.      الطاقة الحركية التي للسيّارة لم تتغيّر خلال السفر.

                           ‌د.       عندما بدأت السيّارة في زيادة سرعتها (قبل أن وصلت إلى سرعة 90 كم في الساعة).

14. رفعت سامية كتابًا من الطاولة ووضعته على رفّ موجود في مكان أعلى من الطاولة. أشيروا إلى الجملة التي تصف ما حدث لطاقة ارتفاع الكتاب في الوقت الذي رفعته فيه سامية.

                           ‌أ.        طاقة ارتفاع الكتاب، بالنسبة للأرض، ازدادت.

                         ‌ب.     طاقة ارتفاع الكتاب، بالنسبة للأرض، قلّت.

                          ‌ج.      لم يطرأ تغيّر على طاقة ارتفاع الكتاب.

                           ‌د.       طاقة ارتفاع الكتاب تتعلّق بسرعة رفعه.

إجابات للاستبيان التشخيصي

تحليل الأسئلة في موضوع الطاقة (قبل التعلّم في الصفّ السابع)

رقم السؤال	الإجابة	نوع السؤال	الموضوع (هدف التعلّم)	المستوى الفكري	المهارة
1	طاقة صوتية طاقة ضوئية طاقة حركية طاقة حركية طاقة ارتفاع طاقة ضوئية	مغلق	تشخيص أنواع الطاقة	معرفة
2 (أ)	موافقون	مغلق	تشخيص أنواع الطاقة	معرفة
2 (ب)	طاقة كيميائية للعضلات تحوّلت إلى طاقة حركية	مفتوح	تحوّلات الطاقة	تطبيق	عرض في مستطيلات
3	ب	مغلق	مصادر الطاقة	معرفة
4	طاقة كيميائية للعضلات تحوّلت إلى طاقة حركية لأجزاء المولّد، وتحوّلت إلى طاقة كهربائية، وتحوّلت إلى طاقة ضوئية	مفتوح	تحوّلات الطاقة	تطبيق	عرض في مستطيلات
5	د	مغلق	تشخيص أنواع الطاقة	تطبيق
6	ب	مغلق	مصادر الطاقة	معرفة
7	أ	مغلق	أنواع الطاقة	تطبيق
8	أ. طاقة كيميائية للغاز تحوّلت إلى طاقة حرارية. ب. طاقة كيميائية للوقود تحوّلت إلى طاقة حركية وإلى طاقة حرارية. ج. طاقة كيميائية للوقود تحوّلت إلى طاقة كهربائية التي تحوّلت إلى طاقة حرارية.	مغلق	تحوّلات الطاقة	تطبيق	عرض في مستطيلات
9	أ	مغلق	تشخيص أنواع الطاقة	معرفة
10	موافقون	مغلق	تشخيص مميّزات الطاقة	تطبيق
11	مصادر متآكلة: النفط، الفحم، الجيولوجية الحرارية (الإجابتان ممكنتان). مصادر متجدّدة: الماء، الريح، الشمس.	مفتوح	مصادر الطاقة	معرفة	تصنيف في جدول
12	ب	مغلق	تحوّلات الطاقة	تطبيق
13	ب	مغلق	تشخيص مميّزات الطاقة	تطبيق
14	أ	مغلق	تشخيص مميّزات الطاقة	تطبيق

التعميم لأنواع الطاقة الأخرى

بعد أن تعرّفنا على مصطلح أنواع الطاقة وعلى العوامل التي تؤثّر على طاقة ارتفاع الجسم، نقوم بتعميم الفكرة ونتعلّم كيف يمكن تشخيص العوامل التي تؤثّر على أنواع الطاقة الأخرى  [1]مثل الطاقة الحركية والطاقة المرنة.

كتكملة للقسم الأوّل الذي شكّل فيه مدى معس البلاستيلينا مقياسًا لكمّية طاقة الارتفاع، نستعمل نفس الطريقة لوصف العوامل التي تؤثّر على كمّية الطاقة الحركية والطاقة المرنة.

هنا أيضًا نستعمل كرة البلاستيلينا التي سنضعها بجانب الحائط، وعلب الأغذية المحفوظة التي كتلها مختلفة. نضع كرة البلاستيلينا بحيث يكون مركز الكرة في ارتفاع مركز العلبة ويستند إلى الحائط (يمكن إسناد الكرة بواسطة عود أسنان)، كما هو موصوف في الرسم التوضيحي التالي:

لوصف الطاقة الحركية: ندحرج العلبة (بواسطة دفعها باليد) باتّجاه كرة البلاستيلينا بسرعات مختلفة (العامل المميّز الأوّل) وكذلك بكتل مختلفة مع استعمال علب بأحجام مختلفة ( العامل المميّز الثاني). كما في حالة طاقة الارتفاع، هنا أيضًا نقيس مدى "معس" كرة البلاستيلينا ونستنتج بالنسبة للكمّية النسبية للطاقة الحركية للعلبة.

لوصف الطاقة المرنة: يمكن وصل نابض طويل بعرض الطاولة وتحرير العلبة بواسطته باتّجاه كرة البلاستيلينا (كما نفعل في القوس والسهم: "السهم" في هذه الحالة هو العلبة، "والقوس" هو النابض). هناك منظومة مشابهة موصوفة في صفحة 33 في الكتاب "الطاقة وحفظها" (انظروا الملحق ز).

هنا أيضًا يمكن شدّ النابض بمدى مختلف، وقياس مدى معس كرة البلاستيلينا في كلّ مرّة.

في نهاية الدرس، كوظيفة بيتية أو للتقييم، يمكن استعمال أسئلة التقييم للتوسّع وللتعمّق.

اقتراح لدمج موضوع "الحرارة ودرجة الحرارة" في وحدة "الطاقة"

26.6.2011

تامي يحيئيلي

"أشعر بالحرّ"

"أبلغ المذيع بأنّه سيطرأ انخفاض على درجات الحرارة"

"أعلنوا في موقع إنترنت أمريكي بأنّ درجة الحرارة ستكون غدًا 80 درجة، هل هذا منطقي؟"

"قرأت أنّ الماء في أعلى جبل في العالم، جبل إڤرست، يغلي في 69 درجة!

...

ترد في الجمل أعلاه الكلمات "حرّ"، "حرارة"، درجة الحرارة" وغيرها. نستعمل هذه الكلمات كثيرًا في حياتنا اليومية- لكن هل نعرف حقًّا وندرك دلالتها العلمية؟

دعونا نفحص ما الذي نعرفه عن هذا الموضوع.

أجيبوا عن الأسئلة التالية في دفاتركم. بعد ذلك- قارنوا بين إجاباتكم وإجابات مَن يجلس بجانبكم.

اختبار للمعرفة السابقة

1. أمامكم صندوق مفتوح فيه بعض الأغراض: علبة كرتون صغيرة، بالون، كأس زجاجية، شمعة، مسطرة فولاذية، قطعة صوف. كان الصندوق في الغرفة طوال الليل.

يدّعي سامي أنّ جميع الأغراض الموجودة في الصندوق هي بنفس درجة الحرارة. تدّعي سامية أنّ لكلّ غرض درجة حرارة مغايرة.

مَن منهما على حقّ؟ علّلوا:

____________________________________

2. نُخرِج مكعّب ثلج من خلية التجميد في الثلاّجة.

بأيّ مادّة من الموادّ التالية ستغلّفون المكعّب لكي يظلّ جليدًا لفترة طويلة؟

أ. صحيفة ورقية

ب. صحيفة ألومنيوم ("ورق فضّة")

ج. بطّانية بوخ

د. قطعة نايلون لاصقة

علّلوا إجابتكم.

3. نسند ملعقتين شكلهما متطابق على جدار طنجرة تحوي ماءً حارًّا جدًّا،: الملعقة الأولى مصنوعة من الحديد والثانية من الخشب. عندما نلمس الملعقتين بعد بضع دقائق من إسنادهما على الطنجرة، هل نشعر أنّهما بنفس درجة الحرارة أم أنّ إحداهما أكثر حرارة؟ لماذا؟

4. هل دلالة الكلمة "حرارة" تطابق دلالة الكلمة "درجة الحرارة" أم أنّ لكلّ واحدة من الكلمتين دلالة مختلفة؟ اشرحوا إجابتكم وأعطوا مثالاً.

5. في درس العلوم والتكنولوجيا، طلبت المعلّمة من الطلاّب أن يسخّنوا ماءً في قنينة لمدّة 20 دقيقة. قالت

أميرة إنّ هذا خَطِر، لأنّ درجة حرارة الماء سترتفع كثيرًا خلال 20 دقيقة، ممّا قد يؤدّي إلى انفجار القنينة،

بينما قال أمير إنّ درجة حرارة الماء لا يمكنها أن ترتفع لأكثر من 100 درجة مئوية، ولذلك لن تنفجر

القنينة. مَن منهما على حقّ حسب رأيكم؟ علّلوا إجابتكم.

  

6. وُضعت ملعقة حديدية وملعقة خشبية في فرن درجة حرارته C65⁰ لمدّة ساعتين. ماذا ستكون درجة

حرارة الملعقة الحديدية والملعقة الخشبية؟ فسّروا إجابتكم.

7. طُلب من رانية وسامي أن يسخّنا كمّيتين متساويتين من الماء والزيت. سكب سامي ورانية 100 سم³ من الماء في قنينة وَ 100 سم³ من الزيت في قنينة مشابهة، ووضعا القنينتين على منصبين وأشعلا تحتهما موقدين متشابهين في نفس الوقت، وأدخلا مقياس درجة حرارة إلى كلّ واحدة من القنينتين. 
ادّعى سامي أنّه بعد دقيقتين- ستكون درجة حرارة الماء والزيت متطابقة،

بينما ادّعت رانية أنّ درجة حرارة الزيت ستكون أعلى من درجة حرارة الماء.

مَن منهما على حقّ حسب رأيكم؟ علّلوا إجابتكم.

8. وضعت رانية كأس شاي على الطاولة. عادت رانية إلى الغرفة بعد ساعتين.

ماذا كانت درجة حرارة كأس الشاي؟

9. أخرج رامي من الخزانة قنينة زيت وقنينة كحول، ونقّط قطرة زيت وقطرة كحول على يده. شعر رامي بأنّ الكحول "أبرد" من الزيت.

هل يصحّ القول إنّ درجة حرارة الكحول أقلّ من درجة حرارة الزيت؟

أيّة أسئلة أثارتها لديكم هذه الفعالية؟ اكتبوها في دفاتركم.

هل جميع الأغراض الموجودة في الغرفة هي بنفس درجة الحرارة؟

وصل طلاّب الصفّ الثامن في مدرسة "النور" إلى غرفة المختبر في أحد الأيّام ووجدوا على الطاولة أغراضًا تُركت في المختبر من الدرس السابق:

بطّانية، برغي، قنينة ماء، قنينة زيت، قنينة أستون، مكعّب خشبي، ملعقة معدنية....

ما هو رأيكم، هل كلّ هذه الأغراض هي بنفس درجة الحرارة؟ ناقشوا ذلك في مجموعات من اثنين أو أكثر، وأعطوا تعليلات لادّعاءاتكم.

كيف نعرف ما هي الإجابة الصحيحة؟

الإمكانية "أ"- تجربة:

ما هي درجة حرارة الأغراض الموجودة في نفس الغرفة لمدّة زمنية طويلة؟

المعدّات: أغراض مصنوعة من موادّ مختلفة، مثل: بطّانية، غرض معدني، ماء، زيت، أستون وغير ذلك، مقاييس درجة حرارة أو مجسّات درجة حرارة، صور أو أفلام عن أجهزة الرؤية في الليل.

·         تقيس المعلّمة (أو الطلاّب في المجموعات) درجة حرارة الأغراض المختلفة وتكتب النتائج في الجدول التالي:

اسم الغرض	درجة حرارته

الإمكانية "ب"- تجربة تفكيرية أو نقاش:

ناقشوا الأسئلة التالية فيما بينكم:

1. لو وضعنا في غرفة درجة الحرارة فيها 25 درجة- كأس شاي درجة حرارتها 90 درجة ووصلنا إلى الغرفة بعد 5 ساعات- ماذا ستكون درجة حرارة كأس الشاي؟ لماذا؟
2. لو وضعنا في غرفة درجة الحرارة فيها 25 درجة- كأس ماء باردة أُخرجت من الثلاّجة (درجة حرارتها كانت 4 درجات)، ووصلنا إلى الغرفة بعد 5 ساعات- ماذا ستكون درجة حرارة كأس الماء؟ لماذا؟ 
3. أُخرجت قنينة ماء وقنينة زيت من خزانة كانتا فيها أكثر من أسبوع. هل يمكن أن تكون درجتا حرارة الماء والزيت مختلفتين؟

الأغراض الجامدة المختلفة التي تتواجد في نفس الغرفة تكون دائمًا بنفس درجة الحرارة. لو أدخلنا إلى الغرفة غرضًا درجة حرارته أعلى- فإنّه يبرد حتّى تصبح درجة حرارته كدرجة حرارة الغرفة، ولو أدخلنا إلى الغرفة غرضًا درجة حرارته أقلّ من درجة حرارة الغرفة- فإنّه سيسخن حتّى تصبح درجة حرارته كدرجة حرارة الغرفة.

درجة حرارة الغرفة هي مصطلح يُطلق على درجة الحرارة المريحة للبيئة البشرية، وتتراوح عادةً بين C15⁰ وَ C25⁰.

هل تعلم؟

ادّعاء داني صحيح- بالفعل عندما نلمس أحيانًا غرضًا مصنوعًا من المعدن- نشعر بأنّه "بارد"، بينما عندما نلمس غرضًا مصنوعًا من الخشب، مثلاً، نشعر بأنّه "دافئ". وذلك رغم أنّ درجتَي حرارة الغرضين متساويتان. ينبع الفرق في الشعور من كون المعدن موصلاً للحرارة، بينما الخشب هو مادّة عازلة للحرارة.

عندما يلمس شخص معيّن (الذي درجة حرارة جسمه هي حوالي 36 درجة) بيده غرضًا مصنوعًا من المعدن موجودًا في الغرفة (درجة حرارة الغرض هي حوالي 25 درجة)- فإنّ الحرارة تنتقل من يد الشخص إلى الغرض المعدني، وبما أنّ المعدن موصِل للحرارة- فإنّ الحرارة تستمرّ في الانتقال من يد الشخص إلى المعدن- الذي ينقلها إلى غرض آخر. الخلايا الحسّية الموجودة في جلد الشخص تنقل إشارات إلى دماغ الشخص وحسب هذه الإشارات تنتقل الحرارة من يد الشخص إلى الغرض- يتمّ فكّ رموز هذه الإشارات في الدماغ على أنّها "لمس غرض بارد نسبيًا".

من جهة أخرى، عندما يلمس شخص معيّن (الذي درجة حرارة جسمه هي حوالي 36 درجة) بيده غرضًا مصنوعًا من الخشب موجودًا في الغرفة (درجة حرارة الغرض هي حوالي 25 درجة)- فإنّه تنتقل كمّية قليلة من الحرارة من يد الشخص إلى الغرض الخشبي، وبما أنّ الخشب هو مادّة عازلة للحرارة- فإنّ حرارة الخشب تصل سريعًا إلى درجة حرارة الشخص ويتوقّف انتقال الحرارة. الخلايا الحسّية الموجودة في جلد الشخص تنقل إشارات إلى دماغ الشخص وحسب هذه الإشارات لا تنتقل الحرارة من يد الشخص إلى الغرض- يتمّ فكّ رموز هذه الإشارات في الدماغ على أنّها "لمس غرض دافئ نسبيًا".

نلاحظ إذًا أنّ يد الشخص لا يمكنها أن تشكّل مقياسًا جيّدًا لتحديد درجة حرارة الأغراض، ويجب استعمال أجهزة قياس- مقاييس درجة الحرارة .

رغم ذلك- يمكن التحديد إذا كانت درجة حرارة جسم شخص معيّن أعلى من الطبيعي من خلال لمس جبهته باليد أو الفم (كما يفعل ذلك الوالدان الخبيران بحيث يمكنهما تحديد إذا كانت درجة حرارة جسم ابنهم أعلى من الطبيعي).

استنتاجات:

·         جميع الموادّ الموجودة في غرفة معيّنة تكون بنفس درجة الحرارة بعد فترة معيّنة، الموادّ الدافئة تبرد، والموادّ الباردة تسخن.

·         هذا الاستنتاج صحيح فقط بالنسبة للأغراض الجامدة والنباتات التي ليست مرتبطة بجسم تسخين أو تبريد. للإنسان ولبعض الحيوانات درجة حرارة ثابتة ولا تتعلّق بدرجة حرارة البيئة التي يتواجد أو تتواجد فيها. (قطعة توسّع عن درجة حرارة الجسم الثابتة لدى الإنسان والثدييات الأخرى.)

توسّع: أجهزة الرؤية في الليل

·          أجهزة الرؤية في الليل المبنيّة على المبدأ بأنّ درجة حرارة الإنسان أو السيّارة التي يعمل فيها محرّك- أعلى من درجة حرارة البيئة. هذه الأجهزة ناجعة بشكل خاصّ في الاستعمالات العسكرية، لأنّ في مثل هذه الصورة يبدو الجسم البشري فاتحًا جدًّا بسبب الحرارة الكثيرة التي يُطلقها. (كذلك المركبات والأجهزة والآلات وكلّ جسم حيّ آخر، تبدو جيّدًا.)

ما هي الطرق التي يمكن بواسطتها رفع درجة حرارة الأغراض/ الأجسام؟

نقاش:

أمامكم كأس فيها ماء.

كيف يمكن رفع درجة حرارة الماء في هذه الكأس: فكّروا في طرق مختلفة، واكتبوها في دفاتركم. ناقشوا ذلك مع مَن يجلس بجواركم.

الطرق التي يمكن بواسطتها رفع درجة حرارة الأغراض/ الأجسام:

1. إلصاق الغرض/ الجسم بجسم درجة حرارته أعلى.
        

تنتقل الحرارة مباشرةً من الغرض الذي درجة حرارته أعلى إلى الغرض الذي درجة حرارته أقلّ.

2. تسليط أشعّة على الغرض/ الجسم يمكنها أن تؤدّي إلى رفع درجة حرارته (على سبيل المثال: الميكرويڤ).
3. بواسطة الاحتكاك- فرك اليدين ببعضهما، تجربة جول المشهورة.

سؤال للتفكير:

ما هي الطرق التي يمكن بواسطتها خفض درجة حرارة الأغراض/ الأجسام؟

كيف يمكن الحفاظ على درجة حرارة الاغراض/ الأجسام لمدّة طويلة؟

رأينا في البند السابق كيف يمكن رفع درجة حرارة الأغراض/ الأجسام. لكن أحيانًا- نرغب بالذات في الحفاظ على الأغراض/ الأجسام في درجة حرارة معيّنة. كيف يمكن القيام بذلك؟

مهمّة:

أمامكم كأس شاي حارّة ومكعّب ثلج من خلية التجميد في الثلاّجة، وكذلك موادّ تغليف مختلفة (ورق ألومنيوم، قطعة صوف، قطعة ورق، قطعة كلكر، نايلون لاصق).

-        أيّ من موادّ التغليف تختارون لتغليف كأس الشاي بحيث تبقى حارّة لمدّة زمنية طويلة قدر الإمكان؟

-        أيّ من موادّ التغليف تختارون لتغليف مكعّب الثلج بحيث يبقى باردًا لمدّة زمنية طويلة قدر الإمكان ولا يتحوّل إلى ماء؟

ناقشوا هذا السؤال مع طلاّب آخرين. هل توصّلتم جميعكم لنفس الإجابات؟

رأينا في البند السابق أنّ الطريقة الأساسية التي يمكن بواسطتها تسخين جسم معيّن- هي جعله يلامس جسمًا درجة حرارته أعلى، ولتبريد الجسم- من خلال جعله يلامس جسمًا درجة حرارته أقلّ.

عندما نرغب في الحفاظ على درجة حرارة جسم/ غرض بحيث تكون ثابتة- يجب الحرص على ألاّ يلامس الجسم/ الغرض جسمًا آخر درجة حرارته مختلفة. نسمّي هذه العملية "عزلاً"، أي يجب عزل الغرض عن البيئة.

لهذا الغرض يجب تغليفه بموادّ ذات صفات عازلة للحرارة.

نرغب أحيانًا في حياتنا اليومية في عزل أغراض معيّنة عن البرد والحرّ، وعلينا لهذا الغرض استعمال موادّ ذات صفات عازلة.

 

7

ألواح عازلة ألواح كلكر للعزل الحراري الخارجي. ممتازة وخفيفة، ومريحة للاستعمال، ثابتة، لا تتآكل، صامدة أمام الماء.

5

6

2

4

							في الصورة "ب" يطلون بطبقة سميكة من مادة رغوية حائط باطون حول البيت، وبعد ذلك يغطّون المادّة الرغوية بغطاء من الحجر الأملس. ب. تغطيّة حائط خارجي لبناية بمادّة رغوية قبل وضع صفائح الحجر من الخارج (حجر نظيف أو رخام).
				مجموعة طناجر جيّدة: جسم الطناجر من النيورستا، وأيدي الطناجر من البلاستيك، والأغطية من الزجاج.
		تيرموس فارغ من الهواء، مصنوع من طبقات فولاذية مقاومة للصدأ (نيورستا) مع طبقة فارغة من الهواء بينها. غير قابل للكسر، مريح للاستعمال، سهل التنظيف، لا يحفظ الروائح والأطعمة.

מהם הגורמים המשפיעים על מידת עליית הטמפרטורה של גופים/חפצים?

ما هي العوامل التي تؤثّر على مدى ارتفاع درجة حرارة الأجسام/ الأغراض؟

رأينا في البنود السابقة أنّه يمكن رفع درجة حرارة الأجسام/ الأغراض بطرق مختلفة. والآن نريد أن نفحص- ما هي العوامل التي تؤثّر على مدى ارتفاع درجة حرارة الأجسام/ الأغراض؟ كيف نفحص ذلك؟ 

1. نتطرّق على سبيل المثال إلى كأسَي الماء اللتين في الرسم. يوجد في الكأس اليمنى 100 غرام ماء وفي الكأس اليسرى 200 غرام ماء.

لو وضعنا كأسَي الماء على نفس اللهبة لمدّة زمنية متساوية- هل يسخن الماء الذي فيهما بمدى متساوٍ؟

يبدو لي أنّه من الواضح أنّ الكأس التي فيها 100 غرام ماء ستسخن حتّى درجة حرارة أعلى من الكأس التي فيها 200 غرام ماء.

سؤال: لماذا حرصنا على أن تسخن الكأسان على نفس اللهبة؟

هذه هي الحال بالنسبة لمكعّبَي الحديد اللذين في الرسم. كتلة المكعّب الأيمن هي 1 كغم، بينما كتلة المكعّب الأيسر هي 2/1 كغم. لو وضعنا المكعّبين على شمعتين متطابقتين- هل سيسخنان حتّى نفس درجة الحرارة؟ يبدو لي أنّه من المفهوم ضمنًا أنّ الإجابة هي لا. من المؤكّد أنّ المكعّب الذي كتلته 2/1 كغم سيسخن حتّى درجة حرارة أعلى من المكعّب الذي كتلته 1 كغم.

سؤال: لماذا حرصنا على أن تسخن الكأسان على شمعتين متطابقتين؟

في أعقاب هذه التجارب- يمكن صياغة القاعدة التالية:

أحد العوامل التي تؤثّر على مدى ارتفاع درجة حرارة الأجسام/ الأغراض هو كتلة الجسم. كلّما كانت كتلة الجسم أكبر وصل الجسم إلى درجة حرارة أقلّ.

2. نتطرّق الآن إلى كأسَي الماء اللتين في الرسم. تحوي كلتاهما نفس الكمّية من الماء- 100 غرام. نسخّن الكأس اليمنى بواسطة شمعة واحدة، ونسخّن الكأس اليسرى بواسطة شمعتين متطابقتين. هل يصل الماء في الكأسين إلى نفس درجة الحرارة؟

يبدو لي أنّه من المفهوم ضمنًا أنّ الكأس التي تسخن بواسطة شمعتين ستصل إلى درجة حرارة أعلى من الكأس التي تسخن بواسطة شمعة واحدة فقط.

نتطرّق الآن إلى مكعّبَي الحديد اللذين في الرسم. كتلة كلّ واحد من المكعّبين هي 1 كغم. نسخّن كلّ واحد منهما بواسطة شمعة واحدة. إلاّ أنّنا نسخّن المكعّب الأيمن لمدّة نصف ساعة، بينما نسخّن المكعّب الأيسر لمدّة رُبع ساعة. هل يصل المكعّبان إلى نفس درجة الحرارة؟ 

يبدو لي أنّه من المفهوم ضمنًا أنّ الإجابة هي لا. من المؤكّد أنّ المكعّب الأيمن سيسخن حتّى درجة حرارة أعلى من المكعّب الأيسر، لأنّ مدّة التسخين كانت مختلفة رغم أنّه تمّ تسخينهما على نفس العدد من الشمعات.

يمكن دمج عدد الشمعات والمدّة الزمنية لتسخين المكعّبين في عامل واحد- كمّية الطاقة التي انتقلت إلى الأجسام. كلّما كان مصدر الطاقة أقوى- انتقلت كمّية أكبر من الطاقة، وكلّما كانت مدّة التسخين أطول- انتقلت كمّية أكبر من الطاقة.

في أعقاب هذه الأسئلة- يبدو أنّه يمكن صياغة قاعدة ثانية:

العامل الثاني الذي يؤثّر على مدى ارتفاع درجة حرارة الأجسام/ الأغراض هو كمّية الحرارة (الطاقة) التي تنتقل إليها. كلّما كانت كمّية الحرارة (الطاقة) التي تنتقل إلى الجسم/ الغرض أكبر كانت درجة الحرارة التي يصل إليها الجسم أعلى.

نتطرّق الآن إلى الكأسين اللتين في الرسم.

تحوي الكأس اليمنى 100 غرام ماء، وتسخن على شمعة واحدة لمدّة 10 دقائق.

وتحوي الكأس اليسرى 100 غرام زيت، وهي أيضًا تسخن على شمعة واحدة لمدّة 10 دقائق.

هل يسخن السائلان اللذان في الكأسين بمدى متساوٍ؟

يمكن إجراء التجربة ورؤية ما يحدث.

إذا أجرينا التجربة سنرى أنّ الزيت قد سخن حتّى درجة حرارة أعلى.

يعود سبب ذلك إلى أنّ للموادّ المختلفة وتيرة تسخّن مختلفة تتعلّق بمميّزات المادّة.

هذه الصفة للموادّ تسمّى "السعة الحرارية النوعية".

هذه الصفة نوعية لأنّها تميّز كلّ مادّة عن غيرها. من خلال التمعّن في الجدول التالي يمكنكم أن تلاحظوا أنّ للماء سعة حرارية نوعية عالية جدًّا بالمقارنة مع الموادّ الأخرى. توجد لهذه الحقيقة أهمّية كبرى في الطبيعة. لهذا السبب تسخن المحيطات وتبرد أبطأ من اليابسة المجاورة لها. يمكن ملاحظة ذلك في الفرق في درجات الحرارة بين النهار والليل في مناطق المحيطات بالمقارنة مع المناطق اليابسية: في حين أنّ فروق درجات الحرارة في مناطق المحيطات هي درجة مئوية واحدة بالمعدّل، تصل هذه الفروق في المناطق اليابسية إلى 15 درجة مئوية. هذه الفروق هي المسؤولة عن نظام الرياح العالمي... هذا هو السبب لاستعمال الماء في قناني التسخين لأنّه يبرد أبطأ من الموادّ الأخرى.

رأينا أنّ العوامل التي تؤثّر على درجة الحرارة التي تصل إليها الموادّ المختلفة هي: كتلة المادّة، كمّية الطاقة التي تُزوَّد للمادّة، السعة الحرارية النوعية للمادّة.

فحصنا ذلك من خلال عملية تسمّى "عزل المتغيّرات"- في كلّ مرّة غيّرنا فقط عاملاً واحدًا وأبقينا باقي العوامل ثابتة.

هل ترتفع درجة حرارة المادّة دائمًا عندما نسخّنها؟

ما هو رأيكم في السؤال أعلاه؟ ناقشوه في مجموعات من طالبين، وعلّلوا إجاباتكم.

تجربة (مأخوذة من "الحرارة ودرجة الحرارة" ص 7):

سخّنوا 50 سم3 من الماء في وعاء زجاجي (الرسم).

ضعوا مقياس درجة حرارة داخل الماء وتابعوا ارتفاع درجة الحرارة حتّى غليان الماء.

·         ما هي درجة حرارة الماء؟

·         لو استمررتم في تسخين الماء- إلى أيّة درجة حرارة سيصل؟

استمرّوا في تسخين الماء لمدّة دقيقتين إضافيتين- هل ارتفعت درجة الحرارة؟ هل فاجأتكم هذه الظاهرة؟

من المؤكّد أنّكم لاحظتم أنّ درجة حرارة الماء لم ترتفع رغم استمرار التسخين. لكنّ عملية أخرى حدثت في الماء- الماء غلى، أي انتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.

ماذا يحدث لو استمررنا في التسخين؟ إذا استمررنا في التسخين سيغلي كلّ الماء- لكنّ درجة حرارته لن ترتفع أكثر. بعد أن يغلي كلّ الماء وينتقل من الحالة السائلية إلى الحالة الغازية (بخار ماء)- يمكن لبخار الماء الاستمرار في التسخّن وبالتالي ترتفع درجة حرارته.

هذه الظاهرة ليست خاصّة للماء ولا تحدث فقط أثناء الغليان. عندما نسخّن مادّة موجودة في الحالة الصلبة- ترتفع درجة حرارتها (الطاقة التي تُزوَّد للمادّة تؤدّي إلى ارتفاع درجة حرارتها، أي إلى ارتفاع الطاقة الحركية الداخلية للمادّة). عندما تصل المادّة إلى درجة حرارة انصهارها (درجة الحرارة التي تنتقل فيها المادّة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلية) يتوقّف ارتفاع درجة الحرارة وكلّ الطاقة المبذولة في المادّة تؤدّي إلى انتقال المادّة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلية (القوى التي بين جسيمات المادّة تضعف). بعد تحوّل كلّ المادّة إلى سائل والاستمرار في تسخينها- ترتفع درجة حراراتها مرّة أخرى إلى أن تصل المادّة إلى درجة حرارة غليانها. هنا يتوقّف ثانيةً ارتفاع درجة الحرارة وكلّ الطاقة المبذولة في المادّة تؤدّي إلى انتقال المادّة من الحالة السائلية إلى الحالة الغازية.

من المعتاد تسمية الطاقة المبذولة في المادّة عندما تنتقل من حالة معيّنة للمادّة إلى حالة أخرى بالاسم "الحرارة الكامنة" (latent heat). يعبّر هذا الاسم عن حقيقة أنّه رغم استمرارنا في تسخين المادّة- فإنّ درجة حرارتها لا ترتفع.

يمكن التعبير عن هذه الصفة للموادّ بواسطة رسم بياني.

تمعّنوا في الرسم البياني:

‌أ.        أيّ مقدار مشار إليه على المحور الأفقي؟

‌ب.   أيّ مقدار مشار إليه على المحور العمودي؟

‌ج.     اشرحوا ما الذي يحدث في كلّ واحدة من المراحل؟

درجة الحرارة

المرحلة 1

الحرارة الكامنة (انصهار)

صلب

الطاقة المبذولة

 

تجربة: غلي كحول (في حوض ماء).

ما هي الاستنتاجات من التجربة؟

بالفعل، الشكل العامّ للرسم البياني متطابق بالنسبة للموادّ المختلفة، لكن هناك بعض الفروق بين الموادّ المختلفة:

1. كمّية الطاقة المبذولة في رفع درجة الحرارة في كلّ مادّة هي كمّية مختلفة (كما رأينا أعلاه- السعة الحرارية النوعية).

2. درجات الحرارة التي تحدث فيها الانتقالات بين حالات المادّة المختلفة- تختلف من مادّة إلى أخرى.

3. كمّية الطاقة المبذولة في الانتقال بين حالات المادّة- تختلف من مادّة إلى أخرى (الحرارة الكامنة).

تمعّنوا في الجدول التالي:

لاحظنا إذًا أنّ "الحرارة" وَ "درجة الحرارة" هما مصطلحان مختلفان. ليس في كلّ مرّة نسخّن فيها مادّة معيّنة- ترتفع درجة حرارتها.

من المعتاد إطلاق اسم "الحرارة" على الطاقة التي تنتقل أثناء التلامس بين الجسم "الحارّ" والجسم "البارد".

درجة الحرارة- هي المقدار الذي يُقاس بواسطة مقياس درجة الحرارة، وهي تدلّ على الطاقة الحركية لجسيمات المادّة.

• عودوا مرّة ثانية إلى الأسئلة التي طُرحت عليكم في بداية الوحدة.
• هل تغيّرت الآن إجاباتكم عن هذه الأسئلة؟

---

[1] يمكن التحدّث عن "الطاقة التي للجسم" أو "الجسم الذي لديه طاقة من نوع X". لكن لا يمكن القول "طاقة داخل الجسم". استعمال هذه الطريقة في التعبير تعزّز المصطلح الخاطئ "الطاقة كمادّة".