الفيزياء الحرارية في IGCSE: الجسيمات والغازات وانتقال الحرارة

الصلب والسائل والغاز في النموذج الجسيمي

يضع إدكسل ترتيب الجسيمات وحركتها في البند 5.10P للورقة الثانية، وهو في كامبريدج بند أساسي 2.1.2.

الأفكار الأساسية في كل منهج

يغطي المستوى الأساسي في كامبريدج خصائص الحالات الثلاث ورسومها الجسيمية، والعلاقة بين حركة الجسيمات ودرجة الحرارة، والصفر المطلق، وضغط الغاز من التصادمات، والحركة البراونية كدليل على النموذج الجسيمي، وأثر الحرارة والحجم على الضغط وصفيًا، والتحويل بين الكلفن والمئوية. ويضيف الموسع pV = ثابت. والتمدد الحراري والانصهار والغليان دون تغير الحرارة ونقطتا انصهار الماء وغليانه والتبريد بالتبخر من الأساسي، أما السعة الحرارية النوعية والفرق بين الغليان والتبخر فمن الموسع.

انتقال الحرارة في كامبريدج: يغطي الأساسي تجارب الموصلات والعوازل، والحمل بتغير الكثافة، والإشعاع الحراري كأشعة تحت حمراء لا تحتاج وسطًا وأثر لون السطح وملمسه. ويشرح الموسع التوصيل باهتزاز الشبكة والإلكترونات الحرة، والتوازن بين الطاقة المستقبلة والمنبعثة بما في ذلك حرارة الأرض.

يضع إدكسل التوصيل والحمل والإشعاع في قسم الطاقة (4.6 إلى 4.10) للورقتين، وتغير الحالة وترتيب الجسيمات والسعة الحرارية النوعية في البنود 5.8P إلى 5.14P للورقة الثانية فقط. ومحتوى الغازات (5.15 إلى 5.22) في الورقتين: الحركة العشوائية والضغط، والصفر المطلق، ومقياس كلفن، والعلاقتان p1 / T1 = p2 / T2 وp1V1 = p2V2.

مثال محلول ١: السعة الحرارية النوعية

كم طاقة تلزم لتسخين ٢٫٠ كجم من الماء من ٢٠ إلى ٧٠ درجة مئوية إذا كانت السعة الحرارية النوعية للماء ٤٢٠٠ جول/(كجم °م)؟ التغير = ٥٠ درجة، والطاقة = ٢٫٠ × ٤٢٠٠ × ٥٠ = ٤٢٠٠٠٠ جول.

زمن غلاية قدرتها ٢٫٠ كيلوواط دون هدر = ٤٢٠٠٠٠ ÷ ٢٠٠٠ = ٢١٠ ثوانٍ، أي ٣٫٥ دقائق. وفي الواقع يطول الزمن لأن جزءًا من الطاقة يسخن الغلاية والهواء.

مثال محلول ٢: قوانين الغازات

قانون بويل: ١٢٠ سم³ من غاز عند ١٠٠ كيلوباسكال تُضغط ببطء عند حرارة ثابتة إلى ٤٠ سم³. p2 = ١٠٠ × ١٢٠ ÷ ٤٠ = ٣٠٠ كيلوباسكال، فثلث الحجم يعطي ثلاثة أضعاف الضغط لأن الجسيمات تصطدم بالجدران أكثر.

الضغط والحرارة (إدكسل 5.21): علبة مغلقة فيها غاز عند ١٥٠ كيلوباسكال و٢٧ درجة مئوية تُسخن إلى ١٢٧ درجة. نحول إلى الكلفن: ٣٠٠ و٤٠٠ كلفن، فيكون p2 = ١٥٠ × ٤٠٠ ÷ ٣٠٠ = ٢٠٠ كيلوباسكال. استخدام الدرجات المئوية مباشرة يعطي إجابة خاطئة.

أخطاء شائعة

• استخدام الدرجة المئوية بدل الكلفن في علاقة الضغط والحرارة.
• القول إن الجسيمات نفسها تتمدد بالتسخين، والصحيح أنها تتحرك أسرع وتتباعد.
• القول إن الحرارة ترتفع أثناء الانصهار أو الغليان، فهي تبقى ثابتة لأن الطاقة تكسر الروابط بين الجسيمات.
• القول إن البرودة "تتدفق" إلى الغرفة، والصحيح أن الطاقة الحرارية تنتقل من الأسخن إلى الأبرد.
• القول إن الحمل يحدث في المواد الصلبة.
• القول إن الأسطح اللامعة باعثة جيدة، والصحيح أن الأسطح السوداء الباهتة أفضل باعث وماص.
• تفسير ضغط الغاز باصطدام الجسيمات ببعضها بدل اصطدامها بجدران الوعاء.

أسلوب الإجابة ولغة سلم التصحيح

شرح ضغط الغاز ينال الدرجات بسلسلة من ثلاث أفكار: ارتفاع الحرارة يزيد سرعة الجسيمات وطاقتها الحركية، فتصطدم بالجدران أكثر وبقوة أكبر، فيزداد الضغط وهو القوة على وحدة المساحة. وعند الضغط بحرارة ثابتة: السرعة نفسها، والحجم أصغر، فتزداد التصادمات بالجدران.

في الحمل: يسخن المائع قرب المدفأة فيتمدد وتقل كثافته فيصعد، ويهبط المائع الأبرد الأكثف ليحل محله فيتكون تيار حمل. وفي التبريد بالتبخر: تهرب الجسيمات الأعلى طاقة من السطح فينخفض متوسط الطاقة الحركية للجسيمات الباقية فتنخفض الحرارة. وفي تجربة السعة الحرارية اذكر عزل الكتلة وقياس الطاقة بعداد جول أو من القدرة × الزمن.

كيف تساعد الدروس الفردية في هذا الموضوع

معظم أسئلة الفيزياء الحرارية شروح، والطالب يعرف الفكرة غالبًا لكنه يسقط حلقة من السلسلة. يطلب المدرس من الطالب شرح ارتفاع ضغط الغاز مثلًا، ويصحح الإجابة وفق نقاط التصحيح، ويكرر حتى تكتمل الخطوات، ويتدرب معه على حسابات السعة الحرارية وقوانين الغازات مع التحويل إلى الكلفن.

قائمة التحقق الذاتي

1. أرسم الجسيمات في الصلب والسائل والغاز وأصف حركتها.
2. أشرح ضغط الغاز وسبب تغيره مع الحرارة والحجم.
3. أحول بين المئوية والكلفن وأذكر الصفر المطلق.
4. أستخدم E = m × c × التغير في الحرارة وأصف طريقة قياس c.
5. أشرح لماذا تبقى الحرارة ثابتة أثناء الانصهار والغليان.
6. أصف التوصيل والحمل والإشعاع مع مثال لكل منها.
7. أشرح أي الأسطح باعثة وماصة جيدة للأشعة تحت الحمراء.
8. أستخدم p1V1 = p2V2 (و p1 / T1 = p2 / T2 لطلاب إدكسل).