رد: كيف نشرح الديناميكا الحرارية بكل يسر و سهولة و يحبها طلابنا و طاباتنا
بسم الله الرحمن الرحيم
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
الحصة الثامنة:
الآلة الحرارية :
نبدأ الدرس بمراجعة للدرس السابق من خلال بعض الأسئلة :
س1/ طبقي القانون الأول للديناميكا الحرارية على الإجراء تحت حجم ثابت؟.
س2/ استنتجي العلاقة بين الطاقة الداخلية وكمية الحرارة عند ثبوت الضغط؟.
س3/ أكتبي قانون حساب كمية الحرارة في العملية الإيزوثيرمية؟
س4/ أذكري بعض الأمثلة على الإجراءات الكظمية؟ .
بعد مناقشة أسئلة شبيهة بالأسئلة السابقة أو ما تختاره المعلمة من اسئلة مراجعة يمكنك البدء بالدرس بالتمهيد له بالشكل التالي مثلاً
فسري المشاهدة الفيزيائية التالية تفسيرا علميا :
عند وضع الماء في أواني الطبخ وتسخينه إلى درجة الغليان وتحوله إلى بخار نجد أن غطاء الإناء يتأرجح صعودا وهبوطا؟
أين نطبق قوانين الديناميكا الحرارية ؟
أعط مثال من حياتنا العملية ؟
طبعاً ننتظر ان تجيب الطالبة بأحد الأمثلة السيارة – الثلاجة – المكيف
من هنا نبدأ درسنا اليوم بالآلة الحرارية
ما المقصود بالآلة الحرارية ؟
بعد مناقشة الطالبات نتوصل للإجابة منهن :
الآلة الحرارية :
هي جهاز يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي
يحدث هذا نتيجة انتقال الحرارة إلى الجهاز من مصدر حراري " مستودع حراري" ذي درجة حرارة عالية وطرد الحرارة إلى مستودع حراري ذي درجة حرارة منخفضة .
- وضحي المقصود ب المستودع الحراري؟.
المستودع ( الخزان ) الحراري :
هو جسم كبير يمكن أن تنتقل الحرارة منه أو إليه ولا يؤدي ذلك إلى تغير درجة حرارته.
- اذكري مثال على الآله الحرارية؟.
أمثلة على الآلة الحرارية :
1- الآلة البخارية.
2- آلة الاحتراق الداخلي.
لنتعرف على تركيبها أولاً :
يتم عرض نموذج لآلة حرارية من معمل المدرسة وصور إيضاحية أو عرض تقديمي بور بوينت
ثم نرسم أجزاء الآلة مع الطالبات
وضحي بالرسم تركيب الآلة البخارية؟
ثم نبدأ بشرح وتوضيح خطوات عملها :
- اشرحي خطوات عمل الاله البخارية؟.
خطوات عمل الآلة البخارية :
[flash=http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de24.swf]WIDTH=400 HEIGHT=350[/flash]
1- يتم تسخين الماء في الغلايات بواسطة مصدر حراري ذي درجة حرارة عالية جدا يعمل على حرق الوقود فيتحول الماء إلى بخار ذي درجة حرارة عالية وضغط مرتفع .أي :
أخذ طاقة حرارية ( كح2 ) من مستودع حراري ذي درجة حرارة عالية ( د2 ) ( المستودع الساخن) : (سمي بذلك لأنه يفترض أن تكون درجة حرارته عالية و ثابتة(
2- يمرر البخار عبر صمام الدخول على مكبس فيتحرك المكبس لأن الغاز بذل عليه شغل فتقل الطاقة الداخلية للغاز وتنخفض درجة حرارته.أي :
تُحول الآلة جزءاً من هذه الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( الآلة تبذل شغلا )
3- يدفع المكبس أثناء عودته البخار عبر صمام الخروج إلى المكثف وهناك يتحول إلى سائل ويفقد البخار جزء من طاقته الداخلية ( الحرارة الكامنة للتكثف ) وتطرد هذه الحرارة إلى خزان حراري ذي درجة حرارة منخفضة " الهواء الجوي مثلا ". أي
تطرد الآلة الحرارية الطاقة الحرارية ( كح1 ) ذي درجة حرارة منخفضة ( د1 ) إلى المستودع البارد .
4- تقوم المضخة بإعادة الماء إلى الغلايات حيث تعاد الدورة من جديد.
ملاحظـــــــــــــــــــــة:
يسمى الماء والبخار مادة التشغيل لأنها هي التي تبذل الشغل.
استنتجي القانون الرياضى لحساب الشغل الذى تبذله الاله الحراريه؟.
حساب الشغل الذي تبذله الآلة الحرارية:
وعند تطبيق القانون الأول في الديناميكا الحرارية
∆ ط د = كح – شغ
∆ ط د = كح2 – كح1 – شغ
ولأن المراحل السابقة هي دورة كاملة ، وبالتالي فإن :
∆ ط د = صفر
إذا : كح2 – كح1 – شغ = صفر
بما أن : شغ = كح2 – كح1
هذه إضافات مقتبسة من الدرر البهية للأستاذ ناصر جزاه الله خيراً
مثال توضيحي على الآلة الحرارية (الآلة البخارية )
خطوات عمل هذه الآلة ..
1 يمتص الماء الموجود في الغلاية الحرارة من المستودع الساخن فيتحول إلى بخار ذي درجة حرارة عالية وضغط مرتفع ( المستودع الساخن هنا عبارة عن وقود يتم حرقه لغلي الماء في الغلاية (
2 يُفتح صمام الدخول ويغلق صمام الخروج ، فيدخل البخار ليقوم بدفع المكبس إلى الخارج باذلا شغل ، وبذلك تنخفض درجة الحرارة البخار .
3 عندما يصل المكبس إلى حده الأقصى ليبدأ في الرجوع ، يُغلق صمام الدخول ويفتح صمام الخروج فيخرج البخار في درجة حرارة منخفضة ، ثم يصل إلى المكثف ، الذي يكثف هذا البخار ليتحول إلى ماء ، ونتيجة لذلك يفقد جزءا من طاقته الداخلية ، فتطرد الحرارة الناتجة عن ذلك ( الحرارة الكامنة للتكثيف ) إلى الهواء الخارجي الذي يعتبر بمثابة المستودع البارد .
تقوم المضخة بضخ الماء إلى الغلاية حيث تعاد الدورة من جديد .
مثال توضيحي آخر خارجي على الآلة الحرارية (السيارة )
–1 تأخذ طاقة حرارية من البنزين
–2 تحول الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( حركة السيارة )
–3 باقي الحرارة يخرج على شكل عادم من السيارة .
ما المقصود بالمردود أو الكفاءة ؟؟
يقصد بالمردود الفائدة التي سنجنيها من الآلة أي أننا سنعطيها طاقة حرارية ونجني منها شغل وبشكل علمي نسبة ما تنتجه الآلة من شغل "إلى الطاقة الحرارية المعطاة للآلة
إذاً : - عرفي كفاءة الآلة الحرارية؟.
مردود الآلة الحرارية ( كفاءتها ) :
يعتبر المردود ( الكفاءة ) من أهم مميزات الآلة من الناحية العلمية .
وتعرف كفاءة الآلة الحرارية على أنها النسبة بين ما تبذله الآلة من شغل إلى الطاقة الحرارية الكلية التي تأخذها من المستودع الساخن خلال دورة كاملة .
إذاً : - استنتجي قانون كفاءة الآلة الحرارية؟.
كفاءة الآلة = الطاقة المنتجة / الطاقة المعطاة =
شغ / كح2
لكن شغ = كح2 – كح1
إذا : كفاءة الآلة = (كح2- كح1)/ كح2 ( 1 )
كفاءة الآلة = 1 – ( كح1 / كح2 )
وقد وجد كارنو أن :
(كح1/كح2 ) = كـ1 /كـ2
إذا : كفاءة الآلة = 1- كـ1 /كـ2 ( 2 )
حيث :
كـ1 هي درجة الحرارة المطلقة للمستودع البارد وتقاس بالكلفن .
كـ2 هي درجة الحرارة المطلقة للمستودع الساخن وتقاس بالكلفن .
ملاحظـــــــــات :
1- العلاقتان ( 1 ) و ( 2 ) تعطيان كفاءة الآلة النظرية القصوى أو كفاءة آلة كارنو وهي الآلة التي لا يحدث فيها فقد للحرارة سوى ما يطرد للمستودع البارد. لكن الآلة الحقيقية لا يحدث فيها ذلك.
2- تزداد الكفاءة كلما زاد الفرق بين درجة حرارة المستودعين البارد والساخن
( كـ2 – كـ1 ) وتساوي صفر عندما (كـ2 = كـ1 )
هل يمكن الحصول على آلة كفاءتها أقصى مايمكن ؟
اقترح كارنو بأن أي آلة سيكون لها كفاءة قصوى عندما تكون الإجراءات التي تحدث فيها عكوسة أي لايوجد احتكاك ولا فقد حرارة.
ثم تحل المعلمة مع الطالبات المثال 3-8 كتطبيق على الدرس
وبالتوفيق
__________________
لا إله إلا أنت سبحانك إني كنت من الظالمين
حسبي الله لا إله إلا هو عليه توكلت وهو رب العرش العظيم
|