مختبر المرحلة العام الدراسي الثرموداينمك الثانية الفصل الثاني 2016-2015 اعداد د.نورة شمعون اوراها )مشرف مختبر( م:لمياء علي لطيف م: نضال علي حسين م: فرح جوادكاظم م.م: عدنان خالد حسن ر.ف.أقدم:سميرة محمود موسى ر.ف.أقدم:إنعام رشيد سعيد
المقدمة: سوف نبدأ في هذا الفصل بدراسة علم الديناميكا الحرارية thermodynamics والذي يهتم بدراسة التغير في درجة حرارة النظام والتغير في حالته )الصلبة او السائلة او الغازية ) نتيجة لتحول الطاقة من وألى النظام. وكما سوف نرى فأن علم الديناميكا الحرارية مفيد في شرح وتوضيح خواص المادة وعالقة هذه الخواص مع الذرات والجزيئات المكونة للمادة. دراسة علم الديناميكا الحرارية يفسر لنا الكثير من االسئلة واالستفسارات العملية. فمثال هل فكرت كيف تتمكن الثالجة من تبريد محتوياتها وما هي طبيعة التحوالت التي تحدث في محطات الطاقة وفي محركات السيارات أو ماذا يحدث للطاقة الحركية لألجسام المتحركة عندما تتوقف قوانين الديناميكا الحرارية توفر لنا تفسيرات لكل هذه الظواهر وغيرها. ثم بعد ذلك سوف ندرس لماذا تعتبر المادة عنصر مهم لدراسة الظواهر الحرارية. على سبيل المثال. الغازات تتمدد كثيرا عندما تسخن في حين أن تمدد السوائل والمواد الصلبة يكون بدرجة قليلة. وسندرس كذلك ايضا الوصف الجوهري macroscopic للغاز المثالي وسنركز على العالقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة وسوف نركز على الوصف الجوهري microscopic للغاز المثالي باالعتماد على ان الغاز مكون من جسيمات دقيقة كنموذج لدراسة الغازات. الهدف من الدراسة العملية يتقرر وضع الدراسة العملية خالل الدراسة الجامعية وذلك لتوضيح بعض النقاط التى تمت دراستها فى األجزاء النظرية. 229
تجربة رقم )1( إيجاد الطاقة بداللة التيار والفولتية ومقارنتها مع طاقة تسخين الماء الهدف من التجربة: حساب كمية الطاقة الكهربائية المبذولة من قبل مقاومة أومية لرفع درجة حرارة الماء. األجهزة المستخدمة: أميتر فولتميتر- مسعر- ساعة توقيت- مجهز قدرة -محرار. نظرية التجربة: تعرف القدرة الكهربائية ) P (بأنها المعدل الزمني لتدفق الطاقة الكهربائية في دائرة كهربائية والقدرة وحدة قياسها الواط. P= (1) V. I حيث v: فرق الجهد I: التيار المار خالل الدائرة الموضحة في الشكل -1- اما الطاقة الكهربائية المصروفة) E( el في حمل معين تحسب من العالقة التالية : E el : P. t E el : V.I.t وبتعويض العالقة ( 1 )نحصل على : وهذه القيمة التي تحسب من قياس كل من التيار وفرق الجهد والزمن وهذه القيمة يجب ان تساوي نفس الطاقة المطلوبة لتسخين كمية من الماء المقطر حيث ان : 230
E th = C w. m.( θ 2 )...(2) θ 1 حيث ان : : E th الطاقة الحرارية 4.18 Kj/kg.K = السعة الحرارية للماء : C w m: كتلة الماء. ) 1 θ): 2 θ- الفرق بين درجات حرارة الماء النهائية واالبتدائية. في نهاية التجربة يجب ان نحصل على قيم متساوية للطاقتين الكهربائية والحرارية أي أن : E el = E th طريقة العمل: 1- نملئ المسعر بالماء بمقدار. ml 200. 2 -قبل تشغيل المصدر نقرأ درجة حرارة الماء االبتدائية. θ 1 3 -نحدد قيم الفولتية والتيار. 4 -نشغل ساعة التوقيت ونحسب زمن ( t )عند ارتفاع درجة الحرارة الى θ 2 بمقدار عشر درجات من. θ 1 5- نحسب الطاقة الكهربائية من العالقة التالية : E el = V I t V: الفولتية I: التيار زمن ارتفاع الحرارة إلى θ 2 t: 6- نحسب الطاقة الحرارية لتسخين الماء E th من العالقة التالية : E th = Cm ( θ 2 θ 1 ) C = 4.18kj/kg.K كتلة الماءm=200ml 7- نقارن بين الطاقتين 231
تجربة رقم )2( إيجاد معامل اللزوجة للماء بطريقة التدفق خالل أنبوب شعري لهدف من التجربة: إيجاد معامل اللزوجة للماء بطريقة التدفق خالل أنبوب. األجهزة المستعملة: دورق زجاجي جهاز الضغط الثابت محرار مدرج. النظرية: ساعة توقيت مسطرة مترية يتألف جهاز الضغط الثابت من اسطوانة يدخلها الماء ويرتفع فيها إلى مستوى معين ال يتعداه حيث يخرج الماء الفائض من فتحة خاصة إلى خارج الجهاز كما موضح في الشكل أدناه يتصل بالجهاز أنبوبة شعرية أفقية (AB) يمر خاللها الماء من أسفل االسطوانة عن طريق أنبوبة مطاطية بحيث يبقى ارتفاع الماء عنها ثابتا وليكن h)m )ويمكن جمع الماء المنساب من خالل األنبوبة الشعرية إليجاد حجمه الذي يعتمد على العوامل التالية : 1- انحدار الضغط : وهو تغير الضغط لوحدة الطول من األنبوب ووحدته: P= P A -P B /L kgm.sec -2.m -2 232
2- نصف قطر األنبوب (r) ووحدته بال (m). 3- معامل لزوجة السائل ) ɳ )ووحدتها: kgm.m 1.sec -1- =(nt/m 2 )/(m/sec)/m لذا تكون معادلة حجم السائل المتدفق Q= c.p a.ɳ b.r α (1) حيث كال من d) c, b, a, مقادير ثابتة (وبما إن إبعاد كل من : -1 t Q = L 3 حجم السائل لوحدة الزمن الضغط /وحدة الطول t P= ml -2 نصف قطر األنبوب r=l -1 t ɳ=m L -1 معامل اللزوجة وبالتعويض في معادلة (1) ينتج L 3 t -1 =c(ml -2 t -2 ) a )m L -1 t -1 ) b (L) d وبتساوي األسس في طرفي المعادلة أعاله للقيم,t,L m ينتج a+ b=0 بالنسبة للكتلة (m) -2-b+d=3 بالنسبة للطول (L) -2a-b=-1 (t) بالنسبة للزمن وبحل المعادالت الثالثة أعاله ينتج a=-1,b=-1, d=4 كما وجد بالتجربة ان قيمة الثابت ( c )تساوي P A -P B =h ρ g وبالتعويض في معادلة (1) 233 Q= ɳ=πρghr 4 /8L Q (2) حيث) ρ ( كثافة الماء بوحدة kgm/m 3 وتساوي 1000. و (g) التعجيل االرضي بوحدة m/sec 2 وتساوي. 10 وتدعى المعادلة (2) بمعادلة ( poissuille )ويمكن كتابتها بالصيغة التالية
h/ Q =8L ɳ/πρgr 4 (3) طريقة العمل: 1- اجعل االنبوبة الشعرية (AB) بوضع افقي وذلك باستعمال القبان المائي ثم نظم جريان الماء في االنبوب الشعري بحيث ينساب على شكل قطرات متقطعة ولمنع جريان الماء على السطح الخارجي لالنبوب يلف حول الطرف (B) خيطا دقيقا. 2- اجمع كمية مناسبة من الماء المنساب من االنبوبة الشعرية بدورق واستعمل ساعة توقيت لقياس زمن تجمع ذلك الماء.ثم قس حجمه وليكن V)m ) ثم 3 احسب حجم الماء المتدفق من االنبوب في الثانية الواحدة وذلك حسب العالقة التالية: Q=V/t (m 3 /sec) حيث (t) هو الزمن الذي تم تجميع الماء. 3- قس االرتفاع الشاقولي (h)m بين مركز االنبوبة الشعرية ومستوى سطح الماء في الجهاز. 4- كرر الفقرات السابقة لقيم مختلفة لالرتفاع (h) واحسب حجم الماء المتدفق من االنبوبة الشعرية بالثانية الواحدة لكل قيم ل (h). 5- سجل درجة حرارة الماء اثناء اجراء التجربة ولتكن (T) C. 6- سجل نتائج القراءات كما مدون بالجدول ادناه : h (m) V (m 3 ) t(sec) Q=(V/t) (m 3 /sec) 7- قس طول االنبوبة الشعرية L(m) وكذلك نصف قطر االنبوبة الشعرية r(m) 8- ارسم عالقة بيانية بين (h) على محور (y) و (Q) على محور (x) ستجد ان هذه العالقة ممثلة بخط مستقيم يمر بنقطة االصل وان ميله: 234
Slope=cm/om= h/q = 8ɳL/πρgr 4 ɳ= (cm/om). (πρgr 4 /8L).nt.m 2 /sec ومنها جد : حيث (ɳ) وحداتها 235
تجربة رقم )3( تحويل الطاقة الكهربائية الى طاقة حرارية باستخدام الفولطميتر واالميتر )مكافئ جول ) الهدف من التجربة: إيجاد مكافئ جول. االجهزة المستعملة: مجهز قدرة ( D.C )-)اميتر مدى قياسه )2-3Am فولطميتر ( مدى قياسه 10 V( متحسس حراري من نوع NiCr-Ni ساعة توقيت مسعر كهربائي - موبايل كاسي لقراءة درجات الحرارة. نظرية التجربة : إذا مر تيار كهربائي شدته ) I ( أمبير لفتة زمنية ) t ( ثانية خالل مقاومة فرق الجهد بين طرفيها ) V ( فولط فأن الطاقة الكهربائية المبذولة ) W ( في المقاومة مقدره بالجول وتساوي: (1) ويمكن االستفادة من هذه الطاقة لرفع درجة حرارة المسعر وما يحتويه من سائل من درجة حرارة ابتدائية ) 1 θ) إلى درجة حرارة نهائية ) 2 θ) ففي حالة عدم ضياع قسم من الطاقة فأن مقدار الطاقة الكهربائية المارة في السلك تساوي مقدار الطاقة الحرارية الممتصة من قبل المسعر ومحتوياته فأذا كانت وحدات الطاقة الكهربائية مقدره بالجول والطاقة الحرارية بالسعرة فأن العالقة بين الشغل الكهربائي ) W ( والحرارة (H) تعطى بالعالقة التالية : W = J H (2) حيث أن ) J ( يمثل مكافئ جول. وبما ان الطاقة الحرارية التي يكتسبها مسعر كتلته ) o ( m وحرارته النوعية ) o C) ويحتوي على كتله من الماء ) m ( وحرارته النوعية ) C ( فأن : VI. t=j[moc o +mc ][θ 2 θ 1 ].. (3) وبسبب ضياع قسم من الطاقة عن طريق اإلشعاع فأن المعادلة (3) تتطلب تصحيحا اعتمادا على قانون نيوتن للتبريد الذي ينص على : 236
( ان المعدل الزمني للتبريد يتناسب مع فرق بدرجتي الحرارة ( أي المعدل االخير * 2/t فعليه لو ترك المسعر ومحتوياته يبرد من ) 2 θ( بزمن 2/t فأن درجة حرارة المجموعة الحقيقية يجب أن تصبح ) 3 θ( وعندها ستكون ) 3 θ( -2 θ مقدار الفقدان في درجة الحرارة وبالتالي تصبح ) 2 θ( الحقيقية حسب المعادلة التالية: θ 2 = θ 2 + (θ 2- θ 3 ) VI. t=j[m o C o +(m 1 mo) C] [ θ 2 + (θ 2 θ 3 ) θ 1 ] حيث ان ) o (m 1 -m تساوي ) m ( وتمثل كتلة الماء. طريقة العمل : 1 -نظف المسعر ثم سجل كتلته وهو فارغ وليكن ). m o ) gm 2 -ضع كمية مناسبة من الماء بحيث ينغمر ملف التسخين وسجل كتلته مع المسعر وليكن.( m 1 ) gm 3 -أحسب كتلة الماء (m) gm حيث.m=(m 1 -m o )gm 4 -سجل درجة حرارة المسعر مع الماء وتمثل درجة الحرارة االبتدائية θ) 1 C (. 5 -مرر تيار بالملف بعد غلق الدائرة الكهربائية وأبدأ بتسخين الماء والمسعر. مالحظة )يجب ان يبقى التيار ثابت طيلة إجراء التجربة ) ولتكن amp. =I 2 و.v=5 volt 6 -سجل درجة حرارة ( المسعر + الماء ) كل دقيقة حتى يطرأ تغيير ملحوظ في حرارة الماء )أي تصبح درجة الحرارة أعلى من درجة الحرارة االبتدائية θ 1 بمقدار 10 درجات (. وعندئذ سجل درجة حرارة ) 2 θ( عند اخراج ملف التسخين من المسعر وسجل الزمن (t) الذي استغرق بالتسخين من درجة حرارة ) 1 θ الى (. θ 2 7 -أستمر في تسجيل درجات الحرارة أثناء عملية التبريد كل دقيقتان تقريبا حتى.θ ( عن درجة حرارة 2 o 2 تنخفض المجموعة حوالي (C 8 -ترتب النتائج كما في الجدول التالي: 237
t min θ o C كتلة المسعر وهو فارغ m o = gm كتلة المسعر مع الماء m 1 = gm كتلة الماء ) o m = ( m 1 - m الحرارة النوعية لاللمنيوم C o = 0.22 cal/ gm. o C الحرارة النوعية للماء C = 1 cal/ gm. o C 9 -ترسم عالقة بيانية بين درجات الحرارة )C θ( o على محور الصادات وبين الزمن t sec على محور السينات منها جد قيم θ. 3 θ 2 θ 1 10 -أحسب قيمة (J) مكافئ جول وذلك وفق المعادلة 4 الواردة في الجزء النظري 238
تجربة رقم )4( تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية الهدف من التجربة : تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. األجهزة المستخدمة: عداد مسعر ألمنيوم مسعر نحاس محرار ثقل.5kgm نظرية التجربة : يعرف الشغل الميكانيكي: هو كمية الطاقة المتحولة للتحريك بقوة ما ولمسافة ما ووحدتها الجول.في هذه التجربة إن قوة االحتكاك ممكن ان تتولد من الخيط المحيط باالسطوانة اذا دورت االسطوانة ونتيجة ذلك سوف تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية بسبب االحتكاك. وان الشغل الميكانيكي يعطى بالعالقة التالية : W=m g n d الشغل الميكانيكي =W كتلة الثقل m=5kgm التعجيل األرضي g=9.8m/sec 2 عدد الدورات n=n 2 -n 1 قطر المسعر d=0.047m النسبة الثابتةπ=3.14 طريقة العمل : نلف الخيط حول المسعر من 4-6 لفات ونعلق في نهايته ثقل مقداره.5kg نضع المحرار في المكان المخصص له في المسعر ثم نسجل درجة الحرارة θ 1 C وعدد الدورات. n 1.1.2 239
ندور المسعر إلى n 2 من الدورات حتى ترتفع درجة الحرارة الى θ 2 C وتكون أعلى من درجة الحرارة θ 1 C بمقدار 5 درجات. نطبق المعادلة التالية إليجاد الشغل الميكانيكي W=m g n d π نكرر التجربة باستخدام المسعر النحاسي..3.4.5 240
تجربة رقم )5( تعيين الحرارة النوعية لجسم صلب الهدف من التجربة: ايجاد الحرارة النوعية للجسم الصلب. االجهزة المستعملة: مسعر مع غالفه الخارجي- ميزان محرار هيتر المواد الصلبة المراد تعيين حرارتها النوعية- غالية-غرفة التبخير-بيكر. نظرية التجربة: تعرف الحرارة النوعية بأنها كمية الحرارة الالزمة لتغير درجة حرارة وحدة الكتلة من الجسم بمقدار درجة حرارية واحدة ووحدة قياسها J/Kgm. o C او.Cal/gm. o C أن كمية الحرارةΔQ التي يكتسبها أو يفقدها جسم كتلته (m) وحرارته النوعية (C) لتغيير درجة حرارته بالمقدار )θθ( تعطى بالعالقة التالية: ΔQ = c m Δθ ان كمية الحرارة ΔQ 1 للجسم الساخن تساوي ΔQ 1 = c 1 m 1 ( θ 1 -θ m ) = 1 C الحرارة النوعية للجسم الساخن = 1 m كتلة الجسم الساخن = 1 θ درجة الحرارة التي يصلها الجسم الساخن = m θ الدرجة الحرارية النهائية التي يصلها الماء بعد نقل الجسم الساخن إليه ان كمية الحرارة الممتصة من قبل الماء ΔQ 2 تساوي كمية الحرارة المفقودة من قبل الجسم الساخن. 241
ΔQ 2 = c 2 m 2 ( θ m -θ 2 ) الحرارة النوعية للماء = 2 C كتلة الماء = 2 m درجة الحرارة للماء = طريقة العمل : 1- نجد كتلة المسعر وهو فارغ m. o 2- نجد كتلة المسعر مع الماء m. -3 نجد كتلة الماء m 2 = m m o 4- نقيس درجة حرارة الماء θ. 2 5- نقيس كتلة الجسم الصلب المراد معرفة حرارته النوعية m. 1 6- نضع الجسم الصلب في غرفة التبخير ثم نمرر بخار الماء عليه ونقيس درجة حرارة بخار الماء ويجب إن تكون θ 1 = 100 o C 7- ننقل الجسم الصلب إلى المسعر المملوء بالماء ونقيس درجة حرارة الماء النهائية وتكون.θ m 8- نطبق القانون التالي إليجاد الحرارة النوعية للجسم الصلب C. 1 ووحداتهC J/Kgm. o C cal/gm. o 242
9 -ترتب النتائج كما في الجدول أدناه. درجة الحرارة النهائية درجة الحرارة االبتدائية نوع المادة 243
تجربة رقم )6( إيجاد كفاءة المجمع الشمسي. الهدف من التجربة : استخدام المجمع الشمسي لتسخين الماء بواسطة الطاقة اإلشعاعية الساقطة عليه وحساب كفاءة المجمع الشمسي. األجهزة المستعملة : مجمع شمسي مجهز فولتبة مصباح 1000- w متحسس حراري عدد 2 جهاز رقمي لقياس الحرارة ساعة توقيت بيكر بالستك 1000ml )خزان( مضخة ماء pump) (water. نظرية التجربة : في هذه التجربة يعوض عن األشعة الشمسية بمصباح شدته (1000w) ويكون المجمع معزول من الخلف والجوانب ومغطى بسطح زجاجي ذو سمك قليل من األمام. الطاقة اإلشعاعية النافذة من الزجاج والممتصة من قبل السطح الماص ( قسم من الطاقة اإلشعاعية يعكس وقسم منها يمتص من قبل الزجاج (. كفاءة المجمع الشمسي ( ŋ ) يمكن ان تعرف بأنه النسبة بين الطاقة الحرارية الممتصة من قبل الماء (ф ( Δ إلى الطاقة اإلشعاعية ΔE) ). ŋ = Δ ф/ ΔE (1) حيث ان الطاقة اإلشعاعية ΔE) ( تساوي ΔE= ф Δ t...(2) حيث ان) ( ф تمثل القدرة اإلشعاعية وقيمتها (w 1000). إذن كفاءة المجمع الشمسي تصبح ŋ =1/ Ф (Δ ф/ Δ t) ( 3) ويمكن حساب الطاقة الحرارية الممتصة) ф) للماء وقيمة الكتلة )m( والسعة الحرارية النوعية للماء( C ) عن طريق المعادلة التالية Δ ф/ Δ t =C.m. Δ T/ Δ t.(4) 244
حيث ان )t Δ( /T Δ تمثل قيمة الميل.ومن خالل تعويض قيمة C والتي تساوي 4.2kJ/kgm k. وقيمة m تساوي (1kg) نستطيع ان نحسب قيمة الكفاءة ŋ من المعادلة (3). ان شدة الطاقة اإلشعاعية الساقطة تعتمد على زاوية سقوط األشعة.قسم من الطاقة اإلشعاعية المتحولة إلى حرارة سوف يفقد عن طريق اإلشعاع (radiation) وعن طريق التوصيل (conduction) وقسم منها يفقد عن طريق تيارات الحمل (convection). وبسبب هذا الضياع في الطاقة فأن الكفاءة تقل. ان القوة الحركية للجاذبية الدورانية لدوران الماء تدور بدورة منتظمة مما يجعل له كثافات مختلفة للماء الدافئ في المجمع الشمسي والماء البارد في الخزان.الماء الدافئ ترتفع درجة حرارته ويبدل بماء بارد يجري بداخل الخزان. إن فقدان الطاقة يكون كبير وبالتالي تعطي طاقة حرارية عالية إلى المحيط ولهذا القوة الدورانية تتولد في هذه التجربة بمساعدة المضخة. الطاقة الحرارية الممتصة للنظام بأكمله)المجمع +األنابيب+الخزان( توزع بالتساوي على الماء وبهذا درجة حرارة المجمع الشمسي تكون ليست عالية مثل الجاذبية الدورانية وفي هذه التجربة استخدمنا مضخة ماء تعمل بفولتيات مختلفة اي من الممكن ان تعمل بسرع مختلفة وهنا تم قياس درجة حرارة الخزان كدالة للزمن. مالحظات مهمة للتجربة: 1- يجب ان تكون الدرجة االبتدائية للخزان تقريبا نفسها لكل فولتية نستخدمها.يعني يجب ان تبرد المنظومة بأكملها باستخدام ماء بارد للخزان. 2- يجب ان التصل درجة حرارة الماء اكثر من 60 C. طريقة العمل: 1- في بداية التجربة يتم قراءة المحراريين)لدخول الماء وخروجه ) يجب ان تكون القراءتان تقريبا متساويتان. 2- يثبت المجمع الشمسي ليكون مستواه عمودي على مسار األشعة الساقطة. 3- يوضع المصباح على بعد (50cm) من المجمع. 4- توضع كمية من الماء ( 1 لتر( في الخزان اي بما تساوي. 1kg -5 نأخذ قيم مختلفة من الفولتيات ولتكن )volt 7.(2.5-6 - 6- نقيس في البداية درجة حرارة المحيط لكل فولتية ثم نسجل درجات الحرارة لكل فولتية نعملها يعني (T1,T2,T3) C على التوالي مع الزمن min) t) ونبدأ من 245
(10min) الجامعة المستنصرية / كلية العلوم / قسم الفيزياء الدقيقة االولى (1min) الى الدقيقة العاشرة (10min) ثم نعمل جدول للحسابات. وعلى ال نأخذ أكثر t min 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V=2.5v T1 C V=6v T2 C V=7v T3 C 7- نرسم عالقة بيانية بين درجات الحرارة ( T C (على المحور (y) والزمن t). )Δ T/ Δ t ونستخرج قيمة الميل) (x) على المحور min) -8 نستخرج قيمة Δ ф/ Δ t من معادلة (4) ونعوضها في معادلة (3). 9- نحسب قيمة الكفاءة (ŋ) من المعادلة (3) لكل فولتية. 246
الهدف من التجربة: تجربة رقم )7( دراسة خصائص المضخة الحرارية التعرف على المضخة الحرارية. األجهزة المستعملة: منظومة المضخة الحرارية جهاز رقمي لحساب درجة الحرارة- عدد 2 من نوع )NiCr-Ni) ساعة توقيت. متحسس حراري الجزء النظري: يمكن نقل الحرارة من مستودع مائي الى اخر من خالل عملية التبخر والتكثيف حيث في الجهاز الكهربائي عندما يقل الضغط المسلط على السائل في الطرف - A- سائل الفريون يبدأ جزء من السائل بالتبخر. ان كمية التبخر تتطلب حرارة كافية للتبخر هذه الحرارة يمكن الحصول عليها من المستودع المائي - A- مما يؤدي الى حفظ درجة حرارة المستودع المائي اما في الطرف - B- فأن المكبس الكهربائي او الضاغط تعمل على زيادة الضغط على السائل المحصور فيبدأ بالتكثف فاقدا حرارة التكثيف يعطيها الى المستودع المائي - B- فبذلك تبدأ حرارة المستودع باالرتفاع وبهذه العملية تنقل الحرارة من المستودع المائي - A- الى المستودع المائي B- يمكن حساب جريان الطاقة الحرارية( ( Q بين المستودعين من العالقة التالية : Q=m C(ΔT/Δ t) حيث ان :- : C يمثل الحرارة النوعية للسائل. m: كتلة الماء. (t (ΔT/Δ :التغير في درجة الحرارة مع الزمن. ومن تطبيقات المضخة الحرارية الثالجة. طريقة العمل : 1- أمأل المستودعين بالماء بحيث يكون كتلة الماء بكل مستودع (4( L ودرجة حرارته )T(. C 247
2- نقيس درجة حرارة المختبر ثم نشغل الجهاز ونسجل درجات الحرارة الموجودة في المستودعين لكل )30( ثانية وتكرر العملية لعدة مرات.. (C T( على المحور الصادي 3 -نرسم عالقة بيانية بين درجات الحرارة كافة والزمن sec( t (على المحور السيني. W Q= / وماهي وحد تها 4 -احسب معامل االنجاز) ( من العالقة : W =150 watt والذي = 150J/sec حيث : :W الشغل للمضخة الكهربائية يساوي ivt عند الزمن.t=10sec Q = mc. slope الطاقة الحرارية Q :جريان 4=m =L 4kgm الماء بكل مستودع وتساوي m :كتلة C= 4185 J/Kgm. C النوعية للماءوتساوي C :الحرارة 248
تجربة رقم )8( أيجاد معامل التمدد ألحجمي للسوائل. NiCr-Ni الهدف من التجربة: إيجاد معامل التمدد ألحجمي للسوائل. األجهزة المستعملة: بيكر زجاجي قنينة كثافة ميزان هيتر- متحسس حراري من نوع -جهاز رقمي لقياس درجات الحرارة. نظرية التجربة: يعرف معامل التمدد ألحجمي للسوائل ]انه التمدد الحاصل في وحدة الحجوم عند رفع درجة حرارتها 1 C. ويعتمد على ثالثة عوامل أساسية وهي: 1 -حجم السائل: كلما كبر حجم السائل كلما زاد مقدار تمدده عند التسخين. 2 -تغير درجة الحرارة: أي كلما أزداد مقدار االرتفاع في درجة الحرارة لسائل كلما زاد مقدار التمدد. 3 -نوع السائل: يختلف مقدار التمدد باختالف نوع السائل فمنها ما يتمدد بنسبة كبيرة ومنها ما يتمدد أقل. 249
طريقة العمل: 1 -جد كتلة قنينة الكثافة مع السداد وهي فارغه ب m. 1 = kgm 2- إمالء القنينة بالماء المقطر حتى فوهتها بحيث يخرج الماء من فوهة السداد ثم تأكد من عدم وجود فقاعات هوائية داخل القنينة والسداد ثم جد كتلة القنينة وهي مملؤة بالماء ب m. 2 = kgm 3- ضع القنينة في حوض مائي في درجة حرارة t 1 ثم سخن الماء الى درجة حرارة 60 o C ثم سجل قيمة h. يفضل ان نبدأ من 40 o C وبزيادة درجتين الى درجة. 60 o C 4 -بالتبريد جد العالقة التالية =التغير في حجم الماء. 1.55 mm r= نصف قطر األنبوبة الشعرية..mm الماء باألنبوبة الشعرية يقاس بل h =ارتفاع t o C h mm 40 42 : : 60 250
6 -أرسم العالقة البيانية بين) (θv مع درجات الحرارة (t) جد قيمة من العالقة التالية. ثم جد الميل. V 0 V =حجم 0 الماء بدرجة حرارة المختبر.. الماء وتساوي 1gm/cm 3 ρ =كثافة جد معامل التمدد الحجمي) γ( من العالقة التالية. تمثل معامل التمدد الحجمي لمادة قنينة الكثافة. 251
تجربة رقم )9( إيجاد منحني ضغط بخار الماء الهدف من التجربة: تحديد منحني ضغط بخار الماء عند درجة حرارة.250 C األجهزة المستخدمة: وعاء التبخير أنبوب توصيل - نظارات خاصة نظرية التجربة : بيكر سعة 25 ml قاعدة كبيرة بشكل حرف - V ماسك مقياس ضغط ( thermometer (- محرار قفازات حرارية - البخار مادة في حالة غازية يمكن تحويلها الى سائل بالضغط وال يمكن أن يتم ذلك في درجة حرارة اعلى من الدرجة الحرجة للمادة ويمكن ان يتبخر اي سائل او صلب الى حد معين عند اي درجة حرارة ويكون ضغط بخار اإلشباع للمادة بمثابة الضغط الذي يمارسه البخار في حالة التوازن مع السائل. عند ارتفاع درجة حرارة غاز بحجم وكتلة معينة فان الضغط يتناسب طرديا مع درجة الحرارة. ان جهاز التبخير مصمم مختبريا لتوليد ضغط بمقدار 50 bar لذلك فان اعلى قيمة مسموح بها لضغط بخار الماء هي 50 bar ودرجة حرارة 250 C.شكل (1) يوضح ان جزيئات بخار الماء يمكنها التسرب خالل إي ثقب وبإمكانها أيضا التسرب عند عملية التبريد.يجب ان يبرد وعاء التبخير تدريجيا دون استخدام الماء البارد من األفضل استخدام القفازات الحرارية والنظارات أو وضع حاجز لوقاية العين. 252
طريقة العمل: 1 -نتأكد من إحكام صامولة وعاء التبخير وصامولة مقياس الضغط. 2 -نملئ وعاء التبخير وأنبوب التوصيل بماء مقطر بمقدار. 3 15 cm 3 -نسخن جهاز التبخير ويجب مالحظة عدم حصول اي تسرب لقطرات بخار الماء عند ارتفاع درجة الحرارة فوق 100 C وفي حالة حصول تسرب لقطرات بخار الماء يجب التأكد من إحكام صامولة وعاء التبخير وصامولة مقياس الضغط. 4 -نستمر بالتسخين إلى درجة الحرارة 250 C ونسجل ضغط بخار الماء عند هذه الدرجة. 5 -نوقف التسخين ونسجل الضغط عند انخفاض درجة الحرارة بمقدار 10 C. 6 -نرتب القراءات بجدول كما مبين أدناه. 253
250 درجة الحرارة 240 100 θ C ضغط بخار الماء P)bar) 7 -نرسم منحني الضغط P(bar) 8 -ناقش العالقة البيانية. كدالة لدرجة الحرارةθ C. 254
تجربة رقم )10( تحديد التوصيلية الحرارية لمواد البناء االنشائية بأستعمال طريقة اللوح المفرد الهدف من التجربة: 1 -تغير درجات الحرارة كدالة للزمن لعينات من مواد البناء. 2 -ايجاد التوصيلية الحرارية من خالل درجات الحرارة المختلفة لمواد البناء. االجهزة المستعملة: غرفة مسعرية نماذج مواد البناء االنشائية المختلفة محول كهربائي )2-12 (فولت و 120 واط متحسس حراري عدد 2 مجس حراري Nicr-Ni اسالك توصيل كهربائية )19A,50cm( (32A,100cm) قطع ثلج )جليد( شريحة رقيقة بالستيكية حاسوب. نظرية التجربة: تعتبر التوصيلية الحرارية نوع من انواع انتقال الحرارة بين المواد ويعتمد هذا النوع على الحرارة التي تنتقل من درجة حرارة اعلى الى درجة حرارة اقل وذلك بسبب التالمس المباشر بين جزيئات الوسط الذي يتم خالله االنتقال ويمكن للتوصيلية ان تحدث في جميع انواع المواد )صلبة سائلة- غازية (لكنها في المواد الغازية والسائلة يكون االنتقال الحراري خليط بين التوصيلية الحرارية والتوصيل عن طريق الحمل الحراري اما في المواد الصلبة تكون دائما بواسطة التوصيلية الحرارية وذلك الن حركة جزيئات المادة تكون مقيدة. والتوصيل الحراري يعتبر خاصية المادة التي تشير الى قابلية المادة لنقل الحرارة. ان الحرارة التي تسري في جسم صلب بانتقال االلكترونات الحرة انتقاال فيزيائيا وباهتزازات الذرات والجزيئات تتوقف عن السريان عندما تتساوى درجات الحرارة في جميع نقاط الجسم الصلب وتتساوى كذلك مع درجة حرارة الوسط المحيط ويحدث سريان اجمالي للحرارة في الجسم )عند الوصول الى حالة التوازن الحراري( وبوجه عام التوصيل الحراري يتناسب طرديا مع التوصيل الكهربائي مثل المعادن لها قيم عالية على حد سواء ومن االستثناءات الملحوظة االلماس الذي له موصيلية حرارية عالية ولكن توصيل كهربائي ضعيف. وان طريقة اللوح المفرد للتوصيلية الحراريةλ لعينات البناء االنشائية ذات سمك d ومساحة السطح 255
/θ t والفيض الحراري θ بواسطة قياس االختالف في درجات الحرارة A مباشرة من: وبذلك نحصل على التوصيلية: ومن المهم عند اجراء القياسات ان يكون الفيض الحراري متجانس خالل النموذج من مواد البناء وان ال يكون هناك ضياع في الحرارة بأي طريقة اخرى. عند التوازن الحراري تكون الحرارة ثابتة بمرور الزمن لكل نقطة.الطاقة الكهربائية P تكون مساوية للفيض الحراري او P.t = W =Q وهذا يعني ان الطاقة الكهربائية W مساوية للطاقة الحرارية Q خالل نماذج مواد البناء. عندها التوصيلية الحرارية : التي تسري طريقة العمل : لقياس القدرة : 1- نربط اجزاء التجربة من محول الفولتية واالميتر والفولتميتر مع الغرفة المسعرية ونسجل قيم الفولتية والتيار ودرجة الحرارة للغرفة المسعرية بواسطة المتحسس الحراري. 2- ثم نبدأ بوضع اللوح المراد قياسه ونقيس الحرارة على السطح العلوي والسفلي للوح بعد لصقه بالمعجون الحراري بواسطة المجس الحراري. 3- نضع الجسم المسنن كمشع حراري ثم نضع قطع من الثلج على السطح العلوي للمشع ونثبت الحرارة الى ان تستقر الى ) O 0C) او ) O 4 -)وتعتبر 2C,. θ1 4- نسخن الغرفة المسعرية الى ان تصل الى ) O 60C) ثم نطفئ المحول وتشغل الساعة لحساب الزمن عندما تبدأ حرارة اللوح السفلي باالنخفاض مع ثبوت حرارة اللوح العلوي) C( O ونحسب θ مع حساب الزمن في كل مرة. 256
5- يرسم البياني بن قيم درجات الحرارة C o والزمن. t ويمكن مالحظة ذلك بالحاسوب المربوط فنالحظ تغير الح اررة والزمن.وفي حالة ان درجة ح اررة اللوح العلوي تتغير نحاول اطفاء التجربة واعادة العملية مع تقليل فولتية المحول وتعاد العملية لكل مادة بناء نريد قياسها. 257
الهدف من التجربة: تجربة رقم )11( عمل الماكنة الحرارية. 1 -عمل ماكنة الهواء الساخن كماكنة حرارية عن طريق تسخين االسطوانة كهربائيا أي اعتمادها على قيمة الفولتية المجهزة. 2 -اعتماد سرعة دوران دوالب الموازنة) flywheel ) على كمية الحرارة التي يشعها الملف الهواء الساخن. األجهزة المستخدمة: الماكنة الحرارية باجزائها اسطوانة زجاجية شفافة بداخلها ملف للتوهج ومكبس وعمود نقل الحركة ودوالب الموازنة محولة لتجهيز الفولتية الالزمة بمختلف القيم- غطاس لضخ الماء البارد خزان بالستك. نظرية التجربة : عام 1819 صمم العالم االسكوتلندي Stirling.R محرك يقوم بتحويل الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية وتم استخدام هذا المحرك في السيارة والقطار قبل اكتشاف المحركات ذات االحتراق الداخلي. يتكون هذا المحرك من اسطوانتين تحتوي كل اسطوانة على مكبس ( )piston متصل بعمود نقل الحركة )Crankshaft) حركة المكبس تكون عمودية بزاوية. 0 90 -يوضح المكبس في االعلى اما الشكل- b الشكل -1- مخطط لمراحل عمل الماكنة الحراية الشكل -a -عند حركة المكبس نحو االسفل يزاح الهواء نحو االعلى أي نحو الجزء الساخن من االسطوانة في الجزء- c- ينتقل الشغل الميكانيكي الى دوالب الموازنة ( )flywheel عندما يكون المكبس بأدنى مستوى له. حركة المكبس الى االعلى يزيح الهواء الى األسفل الى الجزء البارد من االسطوانة فيكون الهواء بارد ومضغوط هذا ما يوضحه الشكل -d -. 258
شكل( 1 ) بصورة بسيطة فالهواء يسخن ثم يبرد لحجم ثابت بينما يتمدد ويضغط لدرجة حرارة ثابتة. الدورة الحرارية) cycle )thermodynamic للماكنة الحرارية او تدعى دورة سترلنغ يوضحها الشكل -2- شكل( 2 ) 259
طريقةالعمل: امرار الماء وضخه عبر غطاس يوضع داخل خزان بالستيكي يملئ ثلثه بالماء. نثبت الفولتية على المحولة على volt. 12 عند التشغيل يتوهج الملف نحرك دوالب الموازنة )crankshaft( تقليل الفولتية نالحظ التغير في شدة توهج الملف وبالتالي الغير في حركة المكبس -1-2 -3-4 -5 ان التغير في الطاقة الحرارية الداخلة والكهربائية والميكانيكية الخارجة يمكن مالحظتها من خالل تغيير قيمة الفولتية بالتالي درجة توهج الملف. 260