Physics
📄 اطبع pdf
00971504825082
المواد الصلبة والسائلة والغازية
🔬 المادة والطاقة الحرارية
الطاقة الحرارية : هي شكل من أشكال الطاقة المرتبطة بحركة جزيئات المادة. كلما زادت الطاقة الحرارية، ازدادت حركة الجزيئات.
الماء \[H₂O\] مادة فريدة توجد في الطبيعة بحالاتها الثلاث: صلب (جليد)، سائل، غاز (بخار).
سنكتشف كيف تؤثر إضافة أو سحب الطاقة الحرارية على حالة الماء وحركة جزيئاته.
🔬 نظرية الحركة الجزيئية
Kinetic Molecular Theory & حالات المادة الثلاث
🧪 ما هي نظرية الحركة الجزيئية؟
تنص نظرية الحركة الجزيئية على أن جميع المواد تتكون من جسيمات (جزيئات أو ذرات) في حركة دائمة ومستمرة.
تعتمد الطاقة الحركية لهذه الجسيمات على درجة الحرارة: كلما زادت درجة الحرارة، زادت سرعة الجسيمات.
كما تفسر النظرية اختلاف خواص المواد في الحالات الصلبة والسائلة والغازية بناءً على ترتيب الجسيمات، قوى التجاذب بينها، ومدى حركتها.
في الأسفل يمكنك مشاهدة محاكاة حية لحركة الجسيمات في كل حالة 🔽
🌫️ الحالة الغازية
🔹 جسيمات متباعدة جداً — حركة عشوائية سريعة.
🔹 حركة انتقالية عالية — تصطدم ببعضها وبجدران الإناء.
🔹 طاقة حركية عالية وقوى تجاذب ضعيفة جداً.
💨 يملأ الوعاء بالكامل
💧 الحالة السائلة
🔹 جسيمات متقاربة لكنها قادرة على الانزلاق والتدحرج.
🔹 حركة انزلاقية — تتحرك بحرية نسبية داخل الوعاء.
🔹 طاقة حركية متوسطة وقوى تجاذب متوسطة.
💧 تأخذ شكل الوعاء
🧊 الحالة الصلبة
🔹 ترتيب منتظم — جسيمات متراصة في شبكة بلورية.
🔹 حركة اهتزازية — تهتز الجسيمات في أماكنها دون أن تترك مواقعها.
🔹 طاقة حركية منخفضة وقوى تجاذب كبيرة.
✅ شكل وحجم ثابتان
ما هي الطاقة الحرارية؟
الطاقة الحرارية هي مجموع طاقات الحركة العشوائية (الانتقالية والدورانية والاهتزازية)
للجزيئات والذرات التي يتكون منها الجسم، بالإضافة إلى طاقات الوضع الداخلية المرتبطة بترابطها.
النشاط العشوائي للجسيمات
❄️ حالة الجليد (الثلج):
جزيئات الماء في الثلج مهتزة باستمرار حول مواقعها في الشبكة البلورية، ولديها طاقة حركية عشوائية (طاقة حرارية).
رغم أن درجة حرارة الجليد منخفضة (دون الصفر)، إلا أن جزيئاته تملك طاقة حرارية أكبر من الصفر المطلق.
عندما نمدد الحرارة للجليد، تزداد طاقته الحرارية فتتحرك الجزيئات بعنف أكثر حتى تتحرر من الشبكة البلورية ويتحول إلى ماء سائل.
الخلاصة: الطاقة الحرارية تعتمد على درجة حرارة الجسم وكتلته وطبيعة المادة، وليست لها علاقة بحركة الجسم ككل أو موضعه في مجال الجاذبية.
التمييز الجوهري: ليست كل طاقة يملكها الجسم طاقة حرارية مثل
الطاقة الناتجة عن حركة الجسم ككل
والطاقة الناتجة عن تفاعل الجسم مع الوسط
جدول مقارنة: الطاقة الحرارية مقابل الأشكال الأخرى
🌡️ درجة الحرارة
المفهوم الفيزيائي والتجربة التفاعلية
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات (ذرات أو جزيئات) التي تتكون منها المادة.
كلما زادت الطاقة الحركية للجسيمات، زادت سرعة اهتزازها وحركتها العشوائية، وارتفعت درجة الحرارة.
⚛️ الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة:
الحرارة هي انتقال الطاقة من جسم لأخر بسبب اختلاف درجات الحرارة، أما درجة الحرارة فتصف شدة الحركة الداخلية.
🔬 تشبيه تفاعلي: تخيل مجموعة من الكرات الصغيرة (الجسيمات) ترقص في مكان مغلق. عندما نرفع درجة الحرارة (نسخن) نعطيها طاقة فتزداد سرعتها واصطداماتها. عندما نبرد، تتباطأ الحركة. هذا ما تراه في التجربة التفاعلية على اليمين!
📐 وحدات القياس: تقاس درجة الحرارة بالسيليسيوس (مئوية) °C أو بالفهرنهايت °F، أو بالكلفن K. في تجربتنا نستخدم الدرجة المئوية.
💡 التجربة التفاعلية: حرّك المؤشر لترفع أو تخفض درجة الحرارة، ولاحظ حركة الجسيمات الزرقاء (الباردة) تتحول إلى حمراء (ساخنة) وتتسارع حركتها – تمثيل مباشر للطاقة الحركية المتوسطة.
🧪 تجربة تفاعلية: حركة الجسيمات
تغير درجة الحرارة → تغير سرعة الجسيمات (الطاقة الحركية)
-20°C | تجمد
15°C | معتدل
50°C | شديد السخونة
⚡ كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت الطاقة الحركية → الجسيمات تتحرك أسرع وتصطدم بقوة.
الألوان: أزرق (بارد) ← برتقالي/أحمر (ساخن)
تحولات المادة
شرح علمي شامل مع التعريفات الدقيقة لكل تحول
المادة تتواجد في حالات فيزيائية مختلفة (صلبة، سائلة، غازية، بلازما) وتنتقل بين هذه الحالات عبر عمليات فيزيائية تُسمى تحولات المادة.
نستعرض هنا أهم ستة تحولات رئيسية مع التعريفات والأمثلة، بالإضافة إلى تعريف حالات المادة الأساسية.
حالات المادة الأساسية
الحالة الصلبة
تعريف:
جزيئاتها متراصة بقوى تجاذب كبيرة، ولها شكل وحجم ثابتان. الاهتزاز محدود حول مواقع ثابتة.
خصائص:
صلابة، عدم قابلية للانضغاط، مقاومة للتشوه.
الحالة السائلة
تعريف:
جزيئاتها متحركة بحرية نسبيًا، تأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه، لكن حجمها ثابت.
خصائص:
سيولة، قابلية للتدفق، توتر سطحي، لزوجة.
الحالة الغازية
تعريف:
جزيئاتها متباعدة جدًا، تتحرك بسرعة عشوائية، ليس لها شكل ولا حجم ثابتان، تملأ الوعاء بالكامل.
خصائص:
قابلية عالية للانضغاط، انتشار سريع، طاقة حركية كبيرة.
قبل أن نبدء بتجولات المادة يجب أن نميز بين درجة جرارة والحرارة
درجة الانصهار: درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة الصلبة إلى سائلة.
هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل من المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة عند درجة حرارة الانصهار .
درجة الغليان: درجة حرارة تحول السائل إلى غاز في جميع أجزائه.
هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل المادة من الحالة السائلة إلى الغازية عند درجة حرارة الغليان (التبخر).
تحولات المادة (الانتقال بين الحالات)
الانصهار
سائل → صلب
التعريف:
تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة عند اكتسابها طاقة حرارية (امتصاص حرارة) حتى تصل إلى درجة حرارة معينة تُسمى درجة الانصهار.
مثال: انصهار الجليد (الثلج) إلى ماء عند 0°م تحت الضغط العادي.
عملية ماصة للحرارة (Endothermic)
التجمد
صلب → سائل
التعريف:
تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة عند فقدانها طاقة حرارية (تحرير حرارة) وتصل إلى درجة حرارة نقطة التجمد، وهي نفس درجة الانصهار.
مثال: تجمد الماء ليتحول إلى ثلج عند 0°م.
عملية طاردة للحرارة (Exothermic)
التبخر
غاز → سائل
التعريف:
تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، إما بالتبخر البطيء (عند أي درجة حرارة) أو الغليان (عند درجة الغليان). يتطلب امتصاص حرارة.
مثال: تبخر الماء من سطح البحر أو غليان الماء عند 100°م.
عملية ماصة للحرارة (Endothermic)
التكاثف
سائل → غاز
التعريف:
تحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة عند فقدان الحرارة (تبريد البخار)، ويحدث عند نقطة الندى أو عند ملامسة سطح بارد.
مثال: تكاثف بخار الماء على زجاج النافذة الباردة أو تشكل قطرات الندى صباحاً.
عملية طاردة للحرارة (Exothermic)
التسامي
غاز → صلب (بدون سائل)
التعريف:
تحول المادة مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة عند اكتساب حرارة كافية.
مثال: تسامي الثلج الجاف (ثاني أكسيد الكربون الصلب) إلى غاز، أو تبخر الجليد في البرد الشديد.
عملية ماصة للحرارة (Endothermic)
الترسيب
صلب → غاز (بدون سائل)
التعريف:
تحول المادة من الحالة الغازية مباشرة إلى الحالة الصلبة دون المرور بالحالة السائلة عند فقدان الحرارة.
مثال: تشكل الصقيع (البلورات الثلجية) على الأسطح الباردة في ليالي الشتاء، أو تكون الجليد من بخار الماء مباشرة.
عملية طاردة للحرارة (Exothermic)
📌 ملخص الطاقة في التحولات: التحولات التي تتجه نحو الحالة الغازية (انصهار، تبخر، تسامي) تحتاج إلى امتصاص طاقة حرارية، بينما التحولات العكسية (تجمد، تكاثف، ترسيب) تفقد طاقة حرارية.
🧪 مختبر التحولات الست للمادة 🧫
🔹 انصهار | تجمد | تبخر | تكثيف | تسامي | ترسيب 🔹
❄️ الحالة: صلبة
🌡️ 20 °C
💡 طريقة الاستخدام: اضغط على أي زر لتنفيذ التحول المقابل. الجزيئات تتحرك وفق الحالة:
صلبة (اهتزاز منتظم) – سائلة (انزلاق) – غازية (حركة سريعة). درجة الحرارة تتغير تبعًا للتحول.
🧊 تحوُّل 1 كغ من الجليد (-20 درجة مئوية) إلى بخار ماء (140 درجة مئوية) 💨
منحنى التسخين + تجربة تفاعلية متزامنة
📌 وصف التجربة: يتم تسخين 1 كيلوغرام من الجليد ابتداءً من -20 درجة مئوية حتى يصبح بخار ماء عند 140 درجة مئوية.
يوضح المنحنى العلاقة بين الطاقة الحرارية المضافة (كيلوجول) ودرجة الحرارة. يمكنك التحكم يدويًا بالطاقة عبر المؤشر التفاعلي أو تشغيل محاكاة التسخين التلقائي.
ستلاحظ المناطق المستوية (الانصهار والتبخر) حيث تبقى الحرارة ثابتة رغم إضافة الطاقة بسبب التحولات الطورية.
🔍 الرسم البياني يظهر الطاقة المضافة (كيلوجول) أفقياً مقابل درجة الحرارة عمودياً. النقطة 🔴 الحمراء تتبع كمية الطاقة الحالية.
🎮 التجربة التفاعلية
⚡ الطاقة المُضافة
الطاقة: 0.0 kJ
🌡️ درجة الحرارة الحالية
-20.0 درجة مئوية
❄️ جليد (تسخين)
نسبة الإنجاز: 0%
💡 حرّك المؤشر يدوياً أو شغّل المحاكاة.
📖 تفسير مراحل المنحنى (التحولات الفيزيائية)
أن إضافة الطاقة الحرارية عن طريق الحرارة يزيد من درجة حرارة المادة. لكن من المدهش أن هناك حالات لا تؤدي فيها إضافة الطاقة إلى تغيير درجة حرارة مادة ما
حيث تعمل الطاقة الحرارية الإضافية على فك الروابط بين الجزيئات أو الذرات وتسبب تغيرًا في الطور .
وتحول المادة من شكل إلى أخر وتدعى هذه الطاقة الحرارة الكامنة
هناك حرارة كامنة للأنصهار وحرارة كامنة للتبخر
لدينا قطعة من الثلج درجة حرارتها
\[-20^0 C \]
هي الان في حالة صلبة
تم تسخينها من خلال موقد وتم مراقبة درجة الحرارة والحالة
الفيزيائية لها فكانت نتائج التحولات كما في الصورة
إن الطاقة اللازمة لتحويل المادة من حالة إلى أخرى تستخدم في تكسير الروابط
حالة المادة الرابعة: البلازما
البلازما هي غاز متأين يحتوي على أيونات وإلكترونات حرة، وتعتبر أكثر حالات المادة انتشاراً في الكون (النجوم، الشمس). تحدث تحولاتها عبر عمليتين:
- التأين (Ionization): تحول المادة من الغاز إلى البلازما باكتساب طاقة هائلة (حرارة عالية أو تفريغ كهربائي).
- إعادة الاتحاد (Recombination): تحول البلازما إلى غاز عند فقدان الطاقة.
مثال عملي
اللهب، البرق، مصابيح النيون، والهالة الشمسية تمثل حالات بلازما.
التعريف: البلازما هي غاز متأين حيادي كهربائياً، تنتقل المادة إليها من الحالة الغازية عبر التأين.
التمدد الحراري
كيف تتمدد المواد بالحرارة؟ رحلة علمية من الثيرمومتر إلى المنطاد
الثيرمومترات (Thermometers)
يعتمد عمل الثيرمومتر الزجاجي على مبدأ تمدد السوائل بالحرارة. يحتوي على مادة حساسة للحرارة مثل الزئبق أو الكحول الملون داخل أنبوب دقيق مدرج.
عند ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب جزيئات السائل طاقة حركية أكبر، فتتحرك بسرعة وتبتعد عن بعضها، مما يؤدي إلى زيادة حجم السائل وصعوده في الأنبوب. كلما زادت الحرارة، زاد ارتفاع العمود السائل، ويمكن قراءة درجة الحرارة من التدرجات الجانبية.
🔍 مثال واقعي: مقياس الحرارة الطبي، موازين الحرارة الجوية، وأجهزة التحكم في التدفئة.
تمدد حجمي للسوائل: ΔV = β V₀ ΔT
المناطيد والبالونات (Balloons)
تعمل مناطيد الهواء الساخن على مبدأ تمدد الغازات. يتم تسخين الهواء داخل غلاف المنطاد بواسطة شعلة، فتزداد طاقة حركة جزيئات الهواء ويتمدد حجمه بشكل كبير.
عند تمدد الهواء، تقل كثافته مقارنة بالهواء البارد المحيط، مما يولد قوة دفع (قوة أرخميدس) لأعلى، فيرتفع المنطاد. كذلك البالونات المطاطية عندما تمتلئ بالهواء الساخن أو توضع في بيئة حارة، يزداد حجمها بشكل ملحوظ.
🎈 تطبيقات: المناطيد السياحية، بالونات الطقس، وبالونات الأعياد التي تتمدد في الشمس.
قانون الغازات: V ∝ T (عند ثبوت الضغط)
❄️ الماء .. عندما يتجمد بشكلٍ غريب
معظم المواد تنكمش وتزداد كثافتها عند التحول من سائل إلى صلب، لكن الماء النقي يتصرف بعكس ذلك تمامًا: يزداد حجمه بنحو 9% ويتحول إلى جليد أقل كثافة من الماء السائل. هذه الظاهرة الفريدة تُسمى "شذوذ الماء" وهي أساسية لاستمرار الحياة على الأرض.
لماذا يتمدد الماء عند التجمد؟
السبب يعود إلى الروابط الهيدروجينية. في الحالة السائلة، تكون جزيئات الماء (H₂O) متحركة وتتشكل وتنكسر الروابط باستمرار. لكن عندما تنخفض الحرارة إلى ما دون الصفر، تترتب الجزيئات في بنية بلورية سداسية (شكل سداسي) تُبقي فراغات كبيرة بين الجزيئات. هذا الترتيب المنتظم يجعل الجليد أقل كثافة (≈0.917 جم/سم³) مقارنة بالماء السائل (≈1 جم/سم³ عند 4°م).
حقيقة مدهشة: كثافة الماء تبلغ ذروتها عند 4 درجات مئوية، وهذا يعني أن المياه في البحيرات تتجمد من السطح إلى الأسفل، مما يحمي الكائنات المائية خلال الشتاء القارس.
🥃 الزجاج & المواد الصلبة غير المتبلورة
عندما نفكر في المواد الصلبة، غالبًا ما نتخيل ترتيبًا ذريًا منتظمًا مثل الملح أو المعادن. لكن هناك فئة مختلفة تمامًا: المواد الصلبة غير المتبلورة (Amorphous Solids) مثل الزجاج، والبلاستيك الحراري، والهلاميات. هذه المواد لا تمتلك ترتيبًا بعيد المدى في بنيتها الداخلية.
التحول الزجاجي: ليس انصهاراً عادياً!
على عكس المواد البلورية التي تمتلك درجة انصهار محددة وحادة، فإن الزجاج عند تسخينه يمر بمرحلة انتقالية تُعرف باسم "درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg)". تحت هذه الحرارة، يتصرف الزجاج كمادة صلبة هشة، وعند تجاوزها يصبح ليناً تدريجياً كسائل فائق اللزوجة، دون أن يحدث تحول طوري مفاجئ. لا توجد نقطة انصهار حقيقية؛ بل يستمر في التليين كلما ارتفعت الحرارة.
البلورات السائلة (Liquid Crystals)
ما هي البلورات السائلة؟
البلورات السائلة هي حالة مميزة من حالات المادة تقع بين الصلبة والسائلة.
فهي تمتلك قدرة على الجريان مثل السوائل، لكنها تحتفظ بتنظيم جزئي لجزيئاتها كما في البلورات الصلبة.
عند الانصهار لا تفقد ترتيبها بالكامل، بل تبقى الجزيئات مصطفّة في اتجاهات محددة.
الخصائص الأساسية
- تتدفق مثل السوائل.
- تمتلك ترتيبًا جزيئيًا منتظمًا جزئيًا.
- تتأثر بشدة بـ درجة الحرارة والمجالات الكهربائية.
- يمكن التحكم باتجاه جزيئاتها بسهولة.
كيف تعمل؟
عند تطبيق مجال كهربائي، تتغير اتجاهات جزيئات البلورات السائلة،
مما يؤثر على طريقة مرور الضوء خلالها. وهذا هو الأساس في عمل شاشات العرض.
أهم الاستخدامات
- شاشات الهواتف والحواسيب (LCD)
- الساعات الرقمية
- أجهزة القياس الإلكترونية
- التقنيات الطبية والبصرية
كل شاشة LCD تتكون من ملايين الوحدات الصغيرة "بكسلات"،
والبلورات السائلة تتحكم بكمية الضوء المارة في كل بكسل لتكوين الصورة.
خصائص الموائع
المائع : هو المادة التي ليس لها شكل معين بل تأخذ شكل الإناء الحاوي لها، وتتميز بقدراتها على الانسياب
من هي المواد التي لها شكل ثابت وحجم ثابت
من هي المواد ليس لها حجم ثابت
من هي المواد التي ليس لها شكل ثابت
..............
...............
...............
قانون الطفو ومبدأ أرخميدس
ما هو الطفو؟
الطفو هو القوة التي يؤثر بها السائل إلى الأعلى على جسم مغمور فيه، وتعمل هذه القوة على تقليل الوزن الظاهري للجسم.
مبدأ أرخميدس
ينص مبدأ أرخميدس على أن:
"قوة الطفو المؤثرة على جسم مغمور في سائل تساوي وزن السائل المزاح بواسطة هذا الجسم."
قانون الطفو
هناك أجسام عندما توضع في مائع قد تغوص وهناك أجسام عند وضعها في مائع تبقى معلقة وهناك أجسام عند وضعها في مائع ترتفع نحو الأعلى
عند وزن جسم في الهواء ثم وزنه داخل الماء نلاحظ أن الوزن يقل
(FB ) هناك قوة تدفع الأجسام من أسفل إلى أعلى إذا وضعت داخل مائع وتدعى دافعة أرخميدس
(Fg` ) نسمي وزن الجسم داخل المائع بالوزن الظاهري
\[F_B = Fg -Fg^`\]
هناك طريقة أخرى لحساب دافعة أرخميدس وهي تعادل وزن السائل المزاح
\[FB= 𝜌 .V.g \]
كثافة السائل المزاح: 𝜌
حجم السائل المزاح = حجم الجزء المغمور من الجسم: V
عجلة الجاذبية الأرضية : g
قوة الطفو = كثافة السائل × حجم الجزء المغمور × تسارع الجاذبية
حالات الطفو
- يطفو الجسم: إذا كانت كثافته أقل من كثافة السائل.
- يغوص الجسم: إذا كانت كثافته أكبر من كثافة السائل.
- يبقى معلقًا: إذا تساوت الكثافتان.
التفسير العلمي
ينشأ الطفو بسبب فرق الضغط بين الجزء السفلي والعلوي للجسم داخل السائل، حيث يكون الضغط في الأسفل أكبر، مما يولد قوة صاعدة.
يعتمد الطفو على كثافة الجسم مقارنة بكثافة السائل.
تطبيقات في الحياة
- سفن الشحن تطفو رغم وزنها الكبير
- الغواصات تتحكم في الطفو بتغيير كثافتها
- المناطيد تعتمد على نفس المبدأ في الهواء
📐 الضغط (Pressure)
🧪 تجربة الغوص البطيء في الرمل
⚖️ الضغط = الوزن / المساحة
🔽 الرمل في الأسفل، الأجسام تغوص للأسفل ببطء عند الضغط على الزر 🔽
🏋️ جسم ثقيل / مساحة صغيرة
⚖️ الوزن: 140 نيوتن
📐 المساحة: 30 سم²
💨 الضغط النسبي: 0.00
📉 عمق الغوص: 0.0 px
🪶 جسم خفيف / مساحة كبيرة
⚖️ الوزن: 60 نيوتن
📐 المساحة: 90 سم²
💨 الضغط النسبي: 0.00
📉 عمق الغوص: 0.0 px
🏖️ الرمل في الأسفل — الجسم يغوص رأسياً إلى الأسفل
📊 الجسم ذو الضغط الأكبر (ثقيل/مساحة صغيرة) يغوص أعمق
🐢 الجسم ذو الضغط الأقل يغوص أقل عمقاً
✨ الحركة بطيئة لمشاهدة الفرق بوضوح
🔍 تعريف الضغط
الضغط هو كمية فيزيائية تعبّر عن مقدار القوة المؤثرة عمودياً على وحدة المساحة.
يُرمز له بالرمز P، وهو مقياس لتأثير القوة المنتشرة على سطح ما.
كلما زادت القوة المؤثرة على مساحة معينة، زاد الضغط، وكلما كبرت المساحة مع ثبات القوة، قل الضغط.
يُقاس الضغط في النظام الدولي بوحدة باسكال (Pa) حيث أن:
1 Pa = 1 N/m² (نيوتن لكل متر مربع).
قانون الضغط
P = F / A
حيث:
P = الضغط (بالباسكال Pa)
F = القوة (نيوتن N)
A = المساحة (م²)
ملاحظات مهمة
- عند زيادة القوة ➜ يزيد الضغط
- عند زيادة المساحة ➜ يقل الضغط
- وحدة الضغط في النظام الدولي هي الباسكال (Pa)
مثال محلول
تؤثر قوة مقدارها 101,000 نيوتن على مساحة
\[1.80 m²\]
احسب الضغط.
P = F / A
P = 101000 ÷ 1.80
P = 56,111 Pa
الضغط الكلي على المائع
هوعبارة عن حاصل مجموع ضغط المائع والضغط الجوي
الضغط الجوي
\[P_o= 101325 \frac {N}{m^2}\]
\[P(tot) =\frac {F}{A} + p_o\]
مبدأ باسكال
الضغط المطبق على مائع محصور في إناء ينتقل بشكل متساوٍ وكامل إلى جميع أجزاء المائع وجدران الوعاء بشكل متساوي .
قانون باسكال الأساسي: \[P = \frac {F₁}{A₁} =\frac {F₂}{A₂}\] — أساس عمل الأنظمة الهيدروليكية (المصاعد، المكابس، الفرامل).
بليز باسكال (1623-1662)
عند تسليط ضغط إضافي على سائل محصور في إناء فإن الضغط ينتقل إلى جميع أجزاء السائل بالتساوي
FONT size="4" face="Helvetica" >
مبدأ باسكال
في هذه المحاكاة سوف نسلط ضغط إضافي سلط على المكبس الأول على سائل محصور داخل إناء راقب ضغط المائع الخارج من المكبس الثاني
مبدأ باسكال
(u ) في هذه المحاكاة سوف نسلط ضغط إضافي على سائل محصور داخل إناء على شكل حرف
اكمل بيانات الجدول التالي
الضغط على المكبس الصغير \[P_1= \frac{{{F_1}}}{{{A_1}}} \]
القوة المؤثرة على المكبس الصغير \[F_1 \]
مساحة سطح المكبس الصغير \[A_1\]
\[P_1= \frac{{{F_1}}}{{{A_1}}} =......\]
\[F_1= .......\]
\[A_1= .......\]
الضغط على المكبس الكبير \[P_2= \frac{{{F_2}}}{{{A_2}}} \]
القوة المؤثرة على المكبس الصغير \[F_2 \]
مساحة سطح المكبس الكبير \[A_2\]
\[P_2= \frac{{{F_2}}}{{{A_2}}} =......\]
\[F_2= .......\]
\[A_2= .......\]
النتائج
.................................................................
📘 مسائل الضغط والقوة
🔍 اضغط على زر "عرض الحل" لاستعراض خطوات الحل والإجابة النهائية
المسألة ١
⚓ الضغط على الغواص
📌 يشعر غواص وصل إلى عمق يبلغ
\[10.0\ \mathrm{m}\] تحت الماء بضغط يبلغ مقداره
\[202\ \mathrm{kPa}\]
إذا بلغت مساحة سطح الغواص \[1.50\ \mathrm{m}^2\] فما مقدار القوة الكلية التي يضغط بها الماء على الغواص؟
🧪 خطوات الحل (قانون الضغط)
📐 القانون الأساسي: القوة = الضغط × المساحة
\( F = P \times A \)
🔢 المعطيات:
- الضغط الكلي المؤثر على الغواص \( P = 202\ \text{kPa} = 202\,000\ \text{Pa} \)
- المساحة \( A = 1.50\ \text{m}^2 \)
*الضغط هنا هو الضغط المطلق (الماء + الجوي) كما ورد في السؤال.
📝 التعويض في القانون:
\( F = 202\,000 \ \text{Pa} \times 1.50\ \text{m}^2 \)
\( F = 303\,000\ \text{N} \)
✅ القوة الكلية التي يضغط بها الماء على الغواص:
\[ \boxed{303\ \text{kN}} \] أي
\(3.03 \times 10^5 \ \text{N} \)
💡 ملاحظة: تم استخدام الضغط المعطى مباشرة، وهو يشمل الضغط الجوي وضغط عمود الماء.
المسألة ٢
🚗 ضغط الإطارات ومساحة التلامس
📌 يبلغ وزن سيارة
\[15,000\ \mathrm{N}\] ونُفخت إطاراتها لضغط يبلغ مقداره
\[190\ \mathrm{kPa}.\]
فكم ستبلغ مساحة إطارات السيارة التي تلامس الطريق؟
⚙️ تحليل القوى وعلاقة الضغط بالوزن
🧠 المبدأ الفيزيائي: ضغط الإطارات (الضغط المانومتري – الزائد عن الضغط الجوي) هو المسؤول عن تحمل وزن السيارة. العلاقة:
\( \text{الوزن} = P_{\text{gauge}} \times A_{\text{total}} \)
ومنها: \( A = \dfrac{W}{P_{\text{gauge}}} \)
📊 المعطيات:
- الوزن \( W = 15\,000\ \text{N} \)
- ضغط الإطارات \( P = 190\ \text{kPa} = 190\,000\ \text{Pa} \) (هذا الضغط يعتبر ضغطًا نسبيًا gauge pressure، لأنه يدعم وزن السيارة)
📐 حساب المساحة الكلية للتلامس:
\( A = \dfrac{15\,000\ \text{N}}{190\,000\ \text{Pa}} \)
\( A = 0.078947\ \text{m}^2 \)
بالتقريب: \( A \approx 0.0790\ \text{m}^2 \)
📏 تحويل إلى سنتيمترات مربعة (للتوضيح):
\( 0.078947 \times 10\,000 = 789.47\ \text{cm}^2 \)
✅ مساحة تلامس الإطارات مع الطريق:
\[\boxed{0.0790\ \text{m}^2} =789\ \text{cm}^2\]
🔧 تعني هذه المساحة مجموع مساحات التلامس للإطارات الأربعة معاً.
⭐ تحدي
🪐 الضغط الجوي على الزهرة
📌 يساوي ضغط الغلاف الجوي على سطح كوكب الزهرة 91 مثل الضغط عند مستوى سطح البحر على كوكب الأرض.
كم يبلغ تقريباً مقدار القوة الكلية التي يضغط بها الغلاف الجوي لكوكب الزهرة على الإنسان العادي عند مستوى سطح البحر؟
افترض أنَّ مساحة السطح للإنسان العادي تساوي
\[1.8\ \mathrm{m}^2\].
🌍 مقارنة الضغط الجوي – القوة الهائلة
📌 المعلومة الأساسية: الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر على الأرض \( P_{\text{earth}} \approx 101.3\ \text{kPa} = 101325\ \text{Pa} \).
🔥 ضغط الغلاف الجوي على الزهرة:
\( P_{\text{Venus}} = 91 \times P_{\text{earth}} \)
\( P_{\text{Venus}} = 91 \times 101.3\ \text{kPa} \)
\( P_{\text{Venus}} = 9\,218.3\ \text{kPa} = 9\,218\,300\ \text{Pa} \) (باستخدام القيمة 101.3 بدقة مقبولة)
*يمكن استخدام القيمة الدقيقة \( 101325\ \text{Pa} \) لنتيجة أكثر دقة:
\( 91 \times 101325 = 9\,220\,575\ \text{Pa} \).
🧍 القوة المؤثرة على جسم الإنسان: باستخدام قانون القوة \( F = P \times A \)
المساحة \( A = 1.8\ \text{m}^2 \)
\( F = 9\,218\,300\ \text{Pa} \times 1.8\ \text{m}^2 \)
\( F = 16\,592\,940\ \text{N} \)
\( 9\,220\,575 \times 1.8 = 16\,597\,035\ \text{N} \)
🔢 بالصيغة العلمية والتقريب المناسب:
\( F \approx 1.66 \times 10^{7}\ \text{N} = 16.6\ \text{MN}\)
✅ القوة الكلية التي يضغط بها الغلاف الجوي للزهرة على الإنسان:
\[ \boxed{1.66 \times 10^{7}\ \text{N}} = 16.6\ \text{MN} \]
أي ما يعادل وزن حوالي 1,690 طن تقريباً.
💡 مقارنة مذهلة: الضغط على الزهرة يعادل الضغط على عمق 900 متر تحت الماء على الأرض، مما يفسر صعوبة الهبوط على الكوكب.
⚙️ المصعد الهيدروليكي
🔽 اضغط على زر "عرض الحل" لاستعراض خطوات تطبيق مبدأ باسكال
المسألة ١ (هيدروليك)
🚗 المصعد الهيدروليكي – إيجاد مساحة الكباس الصغير
📌 تقف سيارة تزن \( 15,000 \, \text{N} \) على منصة مصعد هيدروليكي تبلغ مساحتها \( 10 \, \text{m}^2 \).
ما مساحة الكباس الصغير إذا استخدمت قوة يبلغ مقدارها \( 1,100 \, \text{N} \) لرفع السيارة؟
🧪 مبدأ باسكال – تساوي الضغط
📐 القانون الأساسي: الضغط المؤثر على السائل ينتقل بالتساوي في جميع الاتجاهات.
\( P_1 = P_2 \quad \Longrightarrow \quad \frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2} \)
حيث \(F_1\) هي القوة المؤثرة على الكباس الصغير، \(A_1\) مساحته، \(F_2\) وزن السيارة على الكباس الكبير، \(A_2\) مساحة الكباس الكبير.
🔢 المعطيات:
- وزن السيارة (القوة على الكباس الكبير) \( F_2 = 15\,000\ \text{N} \)
- مساحة الكباس الكبير \( A_2 = 10\ \text{m}^2 \)
- القوة المؤثرة على الكباس الصغير \( F_1 = 1\,100\ \text{N} \)
- المطلوب: \( A_1 \)
📝 التعويض في قانون باسكال:
\( \dfrac{F_1}{A_1} = \dfrac{F_2}{A_2} \)
\( \dfrac{1\,100}{A_1} = \dfrac{15\,000}{10} \)
\( \dfrac{1\,100}{A_1} = 1\,500 \)
\( A_1 = \dfrac{1\,100}{1\,500} \)
\( A_1 = 0.7333\ \text{m}^2 \)
✅ مساحة الكباس الصغير المطلوبة:
\( \boxed{0.733\ \text{m}^2} \) (أي \( 7.33 \times 10^{-1}\ \text{m}^2 \))
≈ \( 7\,333\ \text{cm}^2 \)
💡 تفسير: باستخدام كباس صغير بمساحة 0.733 م² يمكن رفع السيارة بقوة مقدارها 1100 نيوتن فقط بفضل تضاعف القوة نتيجة الفرق في المساحات.
المسألة ٢ (هيدروليك)
📦 رفع صندوق شحن ثقيل – نسبة الحجوم
📌 يؤثر صندوق شحن ثقيل بقوة مقدارها \( 1,500 \, \text{N} \) على مكبس تبلغ مساحته \( 25 \, \text{m}^2 \).
يبلغ حجم المكبس الصغير \( \frac{1}{30} \) من حجم المكبس الكبير. ما القوة الضرورية لرفع صندوق الشحن؟
📐 تحليل نسبة الحجوم إلى المساحات (باسكال)
🔍 توضيح: في المكابس الهيدروليكية، غالباً ما يكون ارتفاع المكبسين متساوياً أو أن حجم السائل المزاح يتناسب مع مساحة المقطع. إذا كان حجم المكبس الصغير \( \frac{1}{30} \) من حجم المكبس الكبير، وبافتراض أن الأسطوانات لها نفس الارتفاع (أو أن العلاقة بين الحجم والمساحة طردية)، فإن:
\( \dfrac{V_{\text{صغير}}}{V_{\text{كبير}}} = \dfrac{A_{\text{صغير}}}{A_{\text{كبير}}} = \dfrac{1}{30} \)
وبالتالي مساحة المكبس الصغير \( A_s = \frac{1}{30} \times A_{\text{كبير}} \)
📊 المعطيات المستخلصة:
- القوة المؤثرة على المكبس الكبير (وزن الصندوق) \( F_{\text{كبير}} = 1\,500\ \text{N} \)
- مساحة المكبس الكبير \( A_{\text{كبير}} = 25\ \text{m}^2 \)
- نسبة المساحات \( \dfrac{A_{\text{صغير}}}{A_{\text{كبير}}} = \dfrac{1}{30} \)
- المطلوب: القوة على المكبس الصغير \( F_{\text{صغير}} \) اللازمة لرفع الصندوق.
⚖️ تطبيق مبدأ باسكال:
\( \dfrac{F_{\text{صغير}}}{A_{\text{صغير}}} = \dfrac{F_{\text{كبير}}}{A_{\text{كبير}}} \)
\( F_{\text{صغير}} = F_{\text{كبير}} \times \dfrac{A_{\text{صغير}}}{A_{\text{كبير}}} \)
\( F_{\text{صغير}} = 1\,500 \times \dfrac{1}{30} \)
\( F_{\text{صغير}} = 50\ \text{N} \)
📌 بدون افتراض تساوي الارتفاعات: حتى لو اعتبرنا أن "حجم المكبس" يشير إلى حجم السائل المزاح أو إلى الحجم الهندسي، في المكابس الهيدروليكية النموذجية تكون العلاقة بين المساحات هي نفس نسبة الحجوم عندما تكون الإزاحات متساوية (لأن \( A_1 d_1 = A_2 d_2 \) وحجم السائل المنقول متساوٍ). في هذه الحالة نحتاج إلى مساحة صغيرة بنفس النسبة، وتؤدي إلى نفس النتيجة. وبالتالي القوة المطلوبة هي \( 50\ \text{N} \).
✅ القوة اللازمة على المكبس الصغير لرفع الصندوق:
\( \boxed{50\ \text{N}} \)
🔧 ملاحظة: بفضل الفرق الكبير في المساحات (نسبة 1:30) يتم تضخيم القوة، حيث أن قوة صغيرة مقدارها 50 نيوتن تكفي لرفع وزن 1500 نيوتن.
مبدأ برنولي
ينص مبدأ برنولي على أن الضغط في المائع يقل عندما تزداد سرعته.
أي أن العلاقة بين الضغط والسرعة عكسية.
الضغط ↓ عندما السرعة ↑
عند مرور السائل في أنبوب ضيق تزداد سرعته، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط.
وهذا ما يفسر العديد من الظواهر مثل:
- رفع الطائرات في الهواء
- عمل المرشات (الرشاشات)
- حركة الهواء فوق الأجنحة
✔ تأكد من النص: كلما زادت سرعة المائع قل ضغطه.
اللزوجة
اللزوجة هي خاصية فيزيائية تعبر عن مقاومة السائل للجريان.
تعتمد اللزوجة على نوع السائل ودرجة الحرارة:
- السوائل ذات اللزوجة العالية (مثل العسل) تتحرك ببطء
- السوائل ذات اللزوجة المنخفضة (مثل الماء) تتحرك بسرعة
تنشأ اللزوجة بسبب الاحتكاك بين طبقات السائل المختلفة أثناء الحركة.
✔ كلما زادت اللزوجة زادت مقاومة السائل للحركة.
1. صف كيفية بذل الموائع للقوة على الأجسام.
الموائع تبذل قوة ضغط على الأجسام في جميع الاتجاهات نتيجة تصادم جزيئاتها مع سطح الجسم.
2. فسر سبب طفو مركب من الفولاذ على الماء وغوص قالب من الفولاذ.
المركب يحتوي على هواء مما يقلل كثافته الكلية فيطفو، بينما القالب كثافته أعلى من الماء فيغوص.
3. فسر لماذا يؤدي الضغط على زجاجة الكاتشب البلاستيكية إلى دفع الكاتشب إلى الخارج من الأعلى.
عند الضغط يزداد الضغط داخل السائل فيندفع نحو الفتحة الأقل مقاومة (الأعلى).
4. صف، باستخدام مبدأ برنولي، طريقة رفع أسطح المباني في الأعاصير القمعية.
سرعة الهواء العالية فوق السطح تقلل الضغط، بينما الضغط أسفل السطح أكبر، فيؤدي ذلك إلى رفع السطح.
5. التفكير الناقد: إذا نفخت بالونًا وربطته ثم أطلقته، فسيسقط على الأرض. لماذا يقع بدلاً من أن يطفو؟ ماذا يحدث لو احتوى البالون على الهيليوم؟
البالون يحتوي على هواء كثافته أعلى من الهواء الخارجي فلا يطفو. أما إذا احتوى على الهيليوم (كثافته أقل) فإنه يرتفع.
6. احسب القوة: تبلغ كثافة الماء
\[1.0 g/cm³\]. ما حجم الماء بالكيلوجرام الذي يزيحه قالب مغمور حجمه
\[120 cm³\] وما قوة الطفو المؤثر
الكتلة = الكثافة × الحجم = 1 × 120
\[m =120 g =0.12 kg\]
قوة الطفو = الوزن
\[Fg= 0.12 × 9.8 = 1.176 N\]
7. حل المسألة: ما مقدار القوة اللازمة لرفع جسم وزنه
\[21000 N \]إذا كانت مساحته
\[0.060 m²\] ومساحة المنصة
\[3.0 m²\]
باستخدام مبدأ باسكال:
F1 / A1 = F2 / A2
F1 = (A1 × F2) / A2
F1 = (0.060 × 21000) / 3 = 420 نيوتن
قانون بويل (Boyle's Law)
المفهوم العلمي:
ينص القانون على أن حجم كمية محددة من الغاز يتناسب عكسيًا مع الضغط الواقع عليه عند ثبوت درجة الحرارة.
من خلال هذة المحاكاة يتم دراسة العلاقة بين حجم الغاز وضغط الغاز
شروط تطبيق القانون:
- ثبات درجة الحرارة
- كمية الغاز ثابتة
- غاز مثالي (لا توجد قوى بين الجزيئات)
- الضغط معتدل (ليس مرتفعًا جدًا)
أكتب علاقة رياضية تعبر عن ذلك
ما نوع العلاقة بين الحجم والضغط
..............
...............
العلاقة الرياضية:
P₁V₁ = P₂V₂
حيث أن:
P₁: الضغط الابتدائي (Pa أو atm)
V₁: الحجم الابتدائي (m³ أو L)
P₂: الضغط النهائي
V₂: الحجم النهائي
الغاية من الاستنتاج:
- فهم العلاقة بين الضغط والحجم في الغازات
- توقع تغيرات النظام الغازي عند تغير أحد العوامل
- تأسيس قوانين الغازات المثالية اللاحقة
- تطبيقات في الهندسة الكيميائية والطب
التطبيقات العملية:
١. المحقنة الطبية:
عند سحب المكبس يزداد الحجم
⇐ ينخفض الضغط
⇐ يدخل الدواء
٢. غوص السكوبا:
زيادة الضغط تحت الماء
⇐ انخفاض حجم هواز التنفس
⇐ حاجة لتنظيم التنفس
٣. الثلاجات:
ضغط الغاز يزيد
⇐ حجمه ينخفض
⇐ يتحول لسائل ويطلق حرارة
٤. إطارات السيارات:
زيادة الحمل
⇐ ارتفاع الضغط
⇐ انخفاض حجم الهواء الداخلي
مسائل الفيزياء
1. تشغل كمية من الهيليوم حجماً قدره
\[ 11.0 L\]
عند ضغط يبلغ
\[ 98.0 kPa.\]
ما الحجم الجديد إذا انخفض الضغط إلى
\[86.2 kPa\]
نستخدم قانون بويل:
\[ P1 × V1 = P2 × V2\]
المعطيات:
P1 = 98.0 kPa
V1 = 11.0 L
P2 = 86.2 kPa
الحل:
\[ V2 = (P1 × V1) ÷ P2\]
\[V2 = (98.0 × 11.0) ÷ 86.2\]
V2 ≈ 12.5 L
2. يتحرك بالون الرصد الجوي حجمه
\[90.0 L\] عند إطلاقه من مستوى البحر.
ما ضغط الغلاف الجوي على البالون عندما يزداد حجمه إلى
\[ 175.0 L\]
نستخدم قانون بويل:
\[ P1 × V1 = P2 × V2\]
المعطيات:
P1 = 101.3 kPa (ضغط مستوى البحر)
V1 = 90.0 L
V2 = 175.0 L
الحل:
\[ P2 = (P1 × V1) ÷ V2\]
\[ P2 = (101.3 × 90.0) ÷ 175.0\]
P2 ≈ 52.1 kPa
قانون شارل للغازات
قانون شارل (Charles's Law)
التعريف بقانون شارل
قانون شارل هو أحد قوانين الغازات التي تصف العلاقة بين حجم الغاز ودرجة حرارته المطلقة عند ثبوت الضغط. صاغه العالم الفرنسي جاك شارل عام 1787.
من خلال هذة المحاكاة يتم دراسة العلاقة بين حجم الغاز ودرجة الحرارة المطلقة
أكتب علاقة رياضية تعبر عن ذلك
ما نوع العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة المطلقة
..............
...............
V₁/T₁ = V₂/T₂
الغاية من استنتاج القانون
- فهم سلوك الغازات عند تغير درجة الحرارة
- تحديد التغير الحجمي المتوقع للغاز مع تغير الحرارة
- تأسيس أساس لقوانين الغازات الأكثر تعقيداً
- التطبيقات الهندسية والصناعية
العلاقة الرياضية
يعبر القانون رياضياً بالشكل التالي:
V ∝ T
حيث:
- V = حجم الغاز (بالمتر المكعب أو اللتر)
- T = درجة الحرارة المطلقة (كلفن)
- ∝ = علاقة طردية
مثال:
إذا كان غاز حجمه 2 لتر عند 300 كلفن، فما حجمه عند 450 كلفن؟
الحل: V₂ = (V₁ × T₂)/T₁ = (2 × 450)/300 = 3 لتر
التطبيقات العملية
- تصميم محركات الاحتراق الداخلي
- أنظمة التكييف والتبريد
- بالونات الهواء الساخن
- دراسة الظواهر الجوية
- صناعة الزجاج والمعدات المختبرية
تطبيق عملي:
في محركات السيارات، يساعد القانون في حساب التمدد الحجمي للهواء المسخن خلال عملية الاحتراق، مما يساهم في تصميم الأسطوانات بشكل دقيق.
ملاحظات هامة
- يجب استخدام درجة الحرارة المطلقة (كلفن)
- الضغط يجب أن يبقى ثابتاً
- ينطبق على الغازات المثالية فقط
- العلاقة طردية: زيادة الحرارة تؤدي لزيادة الحجم
مسائل قانون شارل
المسألة 1:
بالون حجمه
\[ 2.0 L\]
في درجة حرارة الغرفة
\[20.0°C\]وُضع
في ثلاجة عند
\[3.0°C\]
ما حجم البالون بعد أن يبرد؟
الحل:
قانون شارل\[ V1 / T1 = V2 / T2\]
نحوّل إلى كلفن:
\[T1 = 20 + 273 = 293 K\]
\[T2 = 3 + 273 = 276 K\]
\[V2 = (V1 × T2) / T1\]
\[V2 = (2.0 × 276) / 293 ≈ 1.88 L\]
الحجم النهائي ≈ 1.88 لتر
المسألة 2:
وُضع بالون حجمه
\[ 2.0 L\]
في درجة حرارة الغرفة
\[20.0°C\]
كم سيكون الحجم النهائي للبالون إذا وُضع في مجمد عند
\[-18°C\]
الحل:
\[T2 = -18 + 273 = 255 K\]
\[T1 =273+20= 293 K\]
\[V2 = (2.0 × 255) / 293 ≈ 1.74 L\]
الحجم النهائي ≈ 1.74 لتر
المسألة 3:
يتم تسخين غاز حتى يتمدد من حجم
\[1.0 L⟶ 1.5 L\]
إذا كانت درجة الحرارة الابتدائية
\[5.0°C\]
ما درجة الحرارة النهائية؟
الحل:
قانون شارل\[ V1 / T1 = V2 / T2\]
\[T1 = 5 + 273 = 278 K\]
\[T2 = (V2 × T1) / V1\]
\[T2 = (1.5 × 278) / 1.0 = 417 K\]
نحوّل إلى سيليزية:
\[417 - 273 = 144°C\]
درجة الحرارة النهائية
\[ 144°C\]
📘 مسائل الغازات (تفاعلي)
1. صف ما الذي قد يحدث لحجم غاز ما إذا انخفض الضغط عليه ثم ارتفعت درجة حرارته.
عند انخفاض الضغط يزداد الحجم (قانون بويل)، وعند ارتفاع درجة الحرارة يزداد الحجم أيضًا (قانون شارل)،
لذلك الحجم يزداد بشكل أكبر.
2. باستخدام قانون بويل، ماذا يحدث لبالون غاص إلى ضغط
\[ 202 kPa\]
حسب قانون بويل: الضغط يزيد → الحجم يقل.
لذلك البالون سينكمش ويصبح أصغر.
3. ماذا يحدث للحجم إذا تضاعف الضغط وتضاعفت درجة الحرارة المطلقة؟
الضغط ↑ يقلل الحجم، لكن الحرارة ↑ تزيد الحجم.
إذا تضاعفا معًا فإن التأثيرين يتعادلان تقريبًا → الحجم يبقى ثابت.
4. حجم بالون هيليوم
\[ 2.00 L\]
عند ضغط
\[ 101 kPa.\]
انخفض الضغط إلى
\[ 97.0 kPa\]
ما الحجم الجديد
نستخدم قانون بويل:
P1 × V1 = P2 × V2
V2 = (101 × 2.00) ÷ 97
V2 ≈ 2.08 L
✔ الحجم الجديد ≈ 2.08 لتر
5. حجم بالون
\[ 5 L \]
عند
\[25°C\]
، ارتفعت الحرارة إلى
\[ 30°C\]
ما الحجم الجديد؟
نحول إلى كلفن:
T1 = 298 K ، T2 = 303 K
قانون شارل:
V1 / T1 = V2 / T2
V2 = (5 × 303) ÷ 298 ≈ 5.08 L
✔ الحجم الجديد ≈ 5.08 لتر
تدريب على الاختبار المعياري
\[1 \star\]
في أي حالات المادة يتوقع أن نجد الماء على سطح القمر، إذا كانت درجة حرارته
\[-25^\circ C\]
أصلبة
بسائلة
جغازية
دبلازما
عند الدرجة
\[-25^\circ C\]
تكون درجة الحرارة أقل من درجة تجمد الماء
\[0°C\] لذلك يكون الماء في الحالة الصلبة (جليد).
\[2 \star\]
ماذا سيكون حجم الغاز عندما يبلغ الضغط عليه
\[325 \ \text{kPa}\]
أ\(1 \ \text{L}\)
ب\(2 \ \text{L}\)
ج\(3 \ \text{L}\)
د\(4 \ \text{L}\)
من الرسم البياني (علاقة عكسية بين الضغط والحجم) عند ضغط 325 kPa نجد الحجم المقابل ≈ 1 L (قانون بويل).
\[3 \star\]
أي من المفاهيم العلمية الآتية يمثله هذا الرسم البياني على النحو الأفضل؟
أقانون بويل
بقانون شارل
جمبدأ باسكال
دمبدأ برنولي
الرسم يوضح علاقة عكسية بين الضغط والحجم عند ثبوت درجة الحرارة → قانون بويل.
\[4 \star\]
أي مما يلي لا يُرجح احتواؤه على البلازما؟
أالنجوم
بمصابيح النيون
جضوء النيون
دكوب ماء
البلازما هي حالة المادة المتأينة (غاز متأين) وتوجد في النجوم ومصابيح النيون، أما الماء فهو سائل وليس بلازما.
\[5 \star\]
أي مما يلي يصف الطاقة اللازمة ليتحول السائل عند درجة غليانه إلى غاز؟
أالتكاثف
بالانصهار
جالتبخر
دالطاقة الحرارية
التحول من سائل إلى غاز يسمى تبخراً (أو غلياناً عند درجة الغليان)، ويتطلب امتصاص طاقة حرارية.
\[6 \star\]
أي من حالات المادة تنقل الجسيمات قريبة بعضها من بعض، وتكون حرة الحركة بحيث تنزلق بمحاذاة بعضها؟
أصلبة
بسائلة
جغازية
دبلازمية
في الحالة السائلة تكون الجسيمات متقاربة لكنها حرة الحركة وتنزلق فوق بعضها، بينما في الصلبة تهتز فقط وفي الغازية متباعدة.
\[7 \star\]
من خلال الحط البياني التالي أي العبارات التالية صحيحة؟
أالغاز A أقل زيادة في الحجم مع الحرارة
بالغاز B أقل زيادة في الحجم
جالغاز C أقل زيادة في الحجم
دجميعها متساوية
الخط الأقل ميلاً (الأكثر استواءً) يمثل الغاز C الذي يتمدد بشكل أقل عند ارتفاع درجة الحرارة.
\[8 \star\]
عند أي درجة حرارة تقريبًا سيبلغ حجم الغاز
\[B\] حوالي
\[600 \ \text{mL}\]
أ\[100 \ \text{K}\]
ب\[200 \ \text{K}\]
ج\[300 \ \text{K}\]
د\[400 \ \text{K}\]
من الرسم البياني، عند درجة حرارة
\[300 K\] يصل حجم الغاز\[ B\]
\[ 600 mL\] تقريباً.
المواد الصلبة والسائلة والغازية |
🔬 المادة والطاقة الحرارية
🔬 نظرية الحركة الجزيئية
🧪 ما هي نظرية الحركة الجزيئية؟
تنص نظرية الحركة الجزيئية على أن جميع المواد تتكون من جسيمات (جزيئات أو ذرات) في حركة دائمة ومستمرة. تعتمد الطاقة الحركية لهذه الجسيمات على درجة الحرارة: كلما زادت درجة الحرارة، زادت سرعة الجسيمات. كما تفسر النظرية اختلاف خواص المواد في الحالات الصلبة والسائلة والغازية بناءً على ترتيب الجسيمات، قوى التجاذب بينها، ومدى حركتها. في الأسفل يمكنك مشاهدة محاكاة حية لحركة الجسيمات في كل حالة 🔽
🌫️ الحالة الغازية
🔹 جسيمات متباعدة جداً — حركة عشوائية سريعة.
🔹 حركة انتقالية عالية — تصطدم ببعضها وبجدران الإناء.
🔹 طاقة حركية عالية وقوى تجاذب ضعيفة جداً.
💧 الحالة السائلة
🔹 جسيمات متقاربة لكنها قادرة على الانزلاق والتدحرج.
🔹 حركة انزلاقية — تتحرك بحرية نسبية داخل الوعاء.
🔹 طاقة حركية متوسطة وقوى تجاذب متوسطة.
🧊 الحالة الصلبة
🔹 ترتيب منتظم — جسيمات متراصة في شبكة بلورية.
🔹 حركة اهتزازية — تهتز الجسيمات في أماكنها دون أن تترك مواقعها.
🔹 طاقة حركية منخفضة وقوى تجاذب كبيرة.
ما هي الطاقة الحرارية؟
الطاقة الحرارية هي مجموع طاقات الحركة العشوائية (الانتقالية والدورانية والاهتزازية) للجزيئات والذرات التي يتكون منها الجسم، بالإضافة إلى طاقات الوضع الداخلية المرتبطة بترابطها. النشاط العشوائي للجسيمات❄️ حالة الجليد (الثلج): جزيئات الماء في الثلج مهتزة باستمرار حول مواقعها في الشبكة البلورية، ولديها طاقة حركية عشوائية (طاقة حرارية). رغم أن درجة حرارة الجليد منخفضة (دون الصفر)، إلا أن جزيئاته تملك طاقة حرارية أكبر من الصفر المطلق. عندما نمدد الحرارة للجليد، تزداد طاقته الحرارية فتتحرك الجزيئات بعنف أكثر حتى تتحرر من الشبكة البلورية ويتحول إلى ماء سائل. الخلاصة: الطاقة الحرارية تعتمد على درجة حرارة الجسم وكتلته وطبيعة المادة، وليست لها علاقة بحركة الجسم ككل أو موضعه في مجال الجاذبية.
التمييز الجوهري: ليست كل طاقة يملكها الجسم طاقة حرارية مثل الطاقة الناتجة عن حركة الجسم ككل والطاقة الناتجة عن تفاعل الجسم مع الوسط
🌡️ درجة الحرارة
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات (ذرات أو جزيئات) التي تتكون منها المادة. كلما زادت الطاقة الحركية للجسيمات، زادت سرعة اهتزازها وحركتها العشوائية، وارتفعت درجة الحرارة.
⚛️ الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة:
الحرارة هي انتقال الطاقة من جسم لأخر بسبب اختلاف درجات الحرارة، أما درجة الحرارة فتصف شدة الحركة الداخلية.
💡 التجربة التفاعلية: حرّك المؤشر لترفع أو تخفض درجة الحرارة، ولاحظ حركة الجسيمات الزرقاء (الباردة) تتحول إلى حمراء (ساخنة) وتتسارع حركتها – تمثيل مباشر للطاقة الحركية المتوسطة.
🧪 تجربة تفاعلية: حركة الجسيمات
تغير درجة الحرارة → تغير سرعة الجسيمات (الطاقة الحركية)
تحولات المادة
الحالة الصلبة
الحالة السائلة
الحالة الغازية
الانصهار
التجمد
التبخر
التكاثف
التسامي
الترسيب
🧪 مختبر التحولات الست للمادة 🧫
🧊 تحوُّل 1 كغ من الجليد (-20 درجة مئوية) إلى بخار ماء (140 درجة مئوية) 💨
🎮 التجربة التفاعلية
💡 حرّك المؤشر يدوياً أو شغّل المحاكاة.
📖 تفسير مراحل المنحنى (التحولات الفيزيائية)
أن إضافة الطاقة الحرارية عن طريق الحرارة يزيد من درجة حرارة المادة. لكن من المدهش أن هناك حالات لا تؤدي فيها إضافة الطاقة إلى تغيير درجة حرارة مادة ما
حيث تعمل الطاقة الحرارية الإضافية على فك الروابط بين الجزيئات أو الذرات وتسبب تغيرًا في الطور .
وتحول المادة من شكل إلى أخر وتدعى هذه الطاقة الحرارة الكامنة
هناك حرارة كامنة للأنصهار وحرارة كامنة للتبخر
لدينا قطعة من الثلج درجة حرارتها
\[-20^0 C \]
هي الان في حالة صلبة
تم تسخينها من خلال موقد وتم مراقبة درجة الحرارة والحالة
الفيزيائية لها فكانت نتائج التحولات كما في الصورة
إن الطاقة اللازمة لتحويل المادة من حالة إلى أخرى تستخدم في تكسير الروابط
البلازما هي غاز متأين يحتوي على أيونات وإلكترونات حرة، وتعتبر أكثر حالات المادة انتشاراً في الكون (النجوم، الشمس). تحدث تحولاتها عبر عمليتين:
- التأين (Ionization): تحول المادة من الغاز إلى البلازما باكتساب طاقة هائلة (حرارة عالية أو تفريغ كهربائي).
- إعادة الاتحاد (Recombination): تحول البلازما إلى غاز عند فقدان الطاقة.
التمدد الحراري
يعتمد عمل الثيرمومتر الزجاجي على مبدأ تمدد السوائل بالحرارة. يحتوي على مادة حساسة للحرارة مثل الزئبق أو الكحول الملون داخل أنبوب دقيق مدرج.
عند ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب جزيئات السائل طاقة حركية أكبر، فتتحرك بسرعة وتبتعد عن بعضها، مما يؤدي إلى زيادة حجم السائل وصعوده في الأنبوب. كلما زادت الحرارة، زاد ارتفاع العمود السائل، ويمكن قراءة درجة الحرارة من التدرجات الجانبية.
🔍 مثال واقعي: مقياس الحرارة الطبي، موازين الحرارة الجوية، وأجهزة التحكم في التدفئة.
تعمل مناطيد الهواء الساخن على مبدأ تمدد الغازات. يتم تسخين الهواء داخل غلاف المنطاد بواسطة شعلة، فتزداد طاقة حركة جزيئات الهواء ويتمدد حجمه بشكل كبير.
عند تمدد الهواء، تقل كثافته مقارنة بالهواء البارد المحيط، مما يولد قوة دفع (قوة أرخميدس) لأعلى، فيرتفع المنطاد. كذلك البالونات المطاطية عندما تمتلئ بالهواء الساخن أو توضع في بيئة حارة، يزداد حجمها بشكل ملحوظ.
🎈 تطبيقات: المناطيد السياحية، بالونات الطقس، وبالونات الأعياد التي تتمدد في الشمس.
معظم المواد تنكمش وتزداد كثافتها عند التحول من سائل إلى صلب، لكن الماء النقي يتصرف بعكس ذلك تمامًا: يزداد حجمه بنحو 9% ويتحول إلى جليد أقل كثافة من الماء السائل. هذه الظاهرة الفريدة تُسمى "شذوذ الماء" وهي أساسية لاستمرار الحياة على الأرض.
لماذا يتمدد الماء عند التجمد؟
السبب يعود إلى الروابط الهيدروجينية. في الحالة السائلة، تكون جزيئات الماء (H₂O) متحركة وتتشكل وتنكسر الروابط باستمرار. لكن عندما تنخفض الحرارة إلى ما دون الصفر، تترتب الجزيئات في بنية بلورية سداسية (شكل سداسي) تُبقي فراغات كبيرة بين الجزيئات. هذا الترتيب المنتظم يجعل الجليد أقل كثافة (≈0.917 جم/سم³) مقارنة بالماء السائل (≈1 جم/سم³ عند 4°م).
عندما نفكر في المواد الصلبة، غالبًا ما نتخيل ترتيبًا ذريًا منتظمًا مثل الملح أو المعادن. لكن هناك فئة مختلفة تمامًا: المواد الصلبة غير المتبلورة (Amorphous Solids) مثل الزجاج، والبلاستيك الحراري، والهلاميات. هذه المواد لا تمتلك ترتيبًا بعيد المدى في بنيتها الداخلية.
التحول الزجاجي: ليس انصهاراً عادياً!
على عكس المواد البلورية التي تمتلك درجة انصهار محددة وحادة، فإن الزجاج عند تسخينه يمر بمرحلة انتقالية تُعرف باسم "درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg)". تحت هذه الحرارة، يتصرف الزجاج كمادة صلبة هشة، وعند تجاوزها يصبح ليناً تدريجياً كسائل فائق اللزوجة، دون أن يحدث تحول طوري مفاجئ. لا توجد نقطة انصهار حقيقية؛ بل يستمر في التليين كلما ارتفعت الحرارة.
البلورات السائلة (Liquid Crystals)
ما هي البلورات السائلة؟
البلورات السائلة هي حالة مميزة من حالات المادة تقع بين الصلبة والسائلة. فهي تمتلك قدرة على الجريان مثل السوائل، لكنها تحتفظ بتنظيم جزئي لجزيئاتها كما في البلورات الصلبة.
الخصائص الأساسية
- تتدفق مثل السوائل.
- تمتلك ترتيبًا جزيئيًا منتظمًا جزئيًا.
- تتأثر بشدة بـ درجة الحرارة والمجالات الكهربائية.
- يمكن التحكم باتجاه جزيئاتها بسهولة.
كيف تعمل؟
عند تطبيق مجال كهربائي، تتغير اتجاهات جزيئات البلورات السائلة، مما يؤثر على طريقة مرور الضوء خلالها. وهذا هو الأساس في عمل شاشات العرض.
أهم الاستخدامات
- شاشات الهواتف والحواسيب (LCD)
- الساعات الرقمية
- أجهزة القياس الإلكترونية
- التقنيات الطبية والبصرية
خصائص الموائع
من هي المواد التي لها شكل ثابت وحجم ثابت |
من هي المواد ليس لها حجم ثابت |
من هي المواد التي ليس لها شكل ثابت |
.............. |
............... |
............... |
قانون الطفو ومبدأ أرخميدس
الطفو هو القوة التي يؤثر بها السائل إلى الأعلى على جسم مغمور فيه، وتعمل هذه القوة على تقليل الوزن الظاهري للجسم.
ينص مبدأ أرخميدس على أن:
"قوة الطفو المؤثرة على جسم مغمور في سائل تساوي وزن السائل المزاح بواسطة هذا الجسم."
هناك أجسام عندما توضع في مائع قد تغوص وهناك أجسام عند وضعها في مائع تبقى معلقة وهناك أجسام عند وضعها في مائع ترتفع نحو الأعلى
عند وزن جسم في الهواء ثم وزنه داخل الماء نلاحظ أن الوزن يقل
(FB ) هناك قوة تدفع الأجسام من أسفل إلى أعلى إذا وضعت داخل مائع وتدعى دافعة أرخميدس
(Fg` ) نسمي وزن الجسم داخل المائع بالوزن الظاهري
\[F_B = Fg -Fg^`\]
هناك طريقة أخرى لحساب دافعة أرخميدس وهي تعادل وزن السائل المزاح
\[FB= 𝜌 .V.g \]
كثافة السائل المزاح: 𝜌
حجم السائل المزاح = حجم الجزء المغمور من الجسم: V
عجلة الجاذبية الأرضية : g
قوة الطفو = كثافة السائل × حجم الجزء المغمور × تسارع الجاذبية
ينشأ الطفو بسبب فرق الضغط بين الجزء السفلي والعلوي للجسم داخل السائل، حيث يكون الضغط في الأسفل أكبر، مما يولد قوة صاعدة.
يعتمد الطفو على كثافة الجسم مقارنة بكثافة السائل.
حيث:
الضغط المطبق على مائع محصور في إناء ينتقل بشكل متساوٍ وكامل إلى جميع أجزاء المائع وجدران الوعاء بشكل متساوي . الضغط على المكبس الصغير \[P_1= \frac{{{F_1}}}{{{A_1}}} \]
القوة المؤثرة على المكبس الصغير \[F_1 \]
مساحة سطح المكبس الصغير \[A_1\]
\[P_1= \frac{{{F_1}}}{{{A_1}}} =......\]
\[F_1= .......\] \[A_1= .......\] الضغط على المكبس الكبير \[P_2= \frac{{{F_2}}}{{{A_2}}} \]
القوة المؤثرة على المكبس الصغير \[F_2 \]
مساحة سطح المكبس الكبير \[A_2\]
\[P_2= \frac{{{F_2}}}{{{A_2}}} =......\]
\[F_2= .......\] \[A_2= .......\] النتائج .................................................................
📌 يشعر غواص وصل إلى عمق يبلغ
\[10.0\ \mathrm{m}\] تحت الماء بضغط يبلغ مقداره
\[202\ \mathrm{kPa}\] 📌 يبلغ وزن سيارة
\[15,000\ \mathrm{N}\] ونُفخت إطاراتها لضغط يبلغ مقداره
\[190\ \mathrm{kPa}.\] 📌 يساوي ضغط الغلاف الجوي على سطح كوكب الزهرة 91 مثل الضغط عند مستوى سطح البحر على كوكب الأرض. 📌 تقف سيارة تزن \( 15,000 \, \text{N} \) على منصة مصعد هيدروليكي تبلغ مساحتها \( 10 \, \text{m}^2 \). 📌 يؤثر صندوق شحن ثقيل بقوة مقدارها \( 1,500 \, \text{N} \) على مكبس تبلغ مساحته \( 25 \, \text{m}^2 \).
ينص مبدأ برنولي على أن الضغط في المائع يقل عندما تزداد سرعته.
أي أن العلاقة بين الضغط والسرعة عكسية.
عند مرور السائل في أنبوب ضيق تزداد سرعته، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط.
وهذا ما يفسر العديد من الظواهر مثل:
اللزوجة هي خاصية فيزيائية تعبر عن مقاومة السائل للجريان.
تعتمد اللزوجة على نوع السائل ودرجة الحرارة:
تنشأ اللزوجة بسبب الاحتكاك بين طبقات السائل المختلفة أثناء الحركة.
1. صف كيفية بذل الموائع للقوة على الأجسام. 2. فسر سبب طفو مركب من الفولاذ على الماء وغوص قالب من الفولاذ. 3. فسر لماذا يؤدي الضغط على زجاجة الكاتشب البلاستيكية إلى دفع الكاتشب إلى الخارج من الأعلى. 4. صف، باستخدام مبدأ برنولي، طريقة رفع أسطح المباني في الأعاصير القمعية. 5. التفكير الناقد: إذا نفخت بالونًا وربطته ثم أطلقته، فسيسقط على الأرض. لماذا يقع بدلاً من أن يطفو؟ ماذا يحدث لو احتوى البالون على الهيليوم؟ 6. احسب القوة: تبلغ كثافة الماء
\[1.0 g/cm³\]. ما حجم الماء بالكيلوجرام الذي يزيحه قالب مغمور حجمه
\[120 cm³\] وما قوة الطفو المؤثر 7. حل المسألة: ما مقدار القوة اللازمة لرفع جسم وزنه
\[21000 N \]إذا كانت مساحته
\[0.060 m²\] ومساحة المنصة
\[3.0 m²\] ينص القانون على أن حجم كمية محددة من الغاز يتناسب عكسيًا مع الضغط الواقع عليه عند ثبوت درجة الحرارة. من خلال هذة المحاكاة يتم دراسة العلاقة بين حجم الغاز وضغط الغاز
أكتب علاقة رياضية تعبر عن ذلك ما نوع العلاقة بين الحجم والضغط .............. ............... P₁V₁ = P₂V₂ حيث أن: عند سحب المكبس يزداد الحجم
⇐ ينخفض الضغط
⇐ يدخل الدواء زيادة الضغط تحت الماء
⇐ انخفاض حجم هواز التنفس
⇐ حاجة لتنظيم التنفس ضغط الغاز يزيد
⇐ حجمه ينخفض
⇐ يتحول لسائل ويطلق حرارة زيادة الحمل
⇐ ارتفاع الضغط
⇐ انخفاض حجم الهواء الداخلي
1. تشغل كمية من الهيليوم حجماً قدره
\[ 11.0 L\]
عند ضغط يبلغ
\[ 98.0 kPa.\]
ما الحجم الجديد إذا انخفض الضغط إلى
\[86.2 kPa\]
نستخدم قانون بويل:
2. يتحرك بالون الرصد الجوي حجمه
\[90.0 L\] عند إطلاقه من مستوى البحر.
ما ضغط الغلاف الجوي على البالون عندما يزداد حجمه إلى
\[ 175.0 L\]
نستخدم قانون بويل:
قانون شارل هو أحد قوانين الغازات التي تصف العلاقة بين حجم الغاز ودرجة حرارته المطلقة عند ثبوت الضغط. صاغه العالم الفرنسي جاك شارل عام 1787.
من خلال هذة المحاكاة يتم دراسة العلاقة بين حجم الغاز ودرجة الحرارة المطلقة
أكتب علاقة رياضية تعبر عن ذلك ما نوع العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة المطلقة .............. ...............
يعبر القانون رياضياً بالشكل التالي: المسألة 1:
بالون حجمه
\[ 2.0 L\]
في درجة حرارة الغرفة
\[20.0°C\]وُضع
في ثلاجة عند
\[3.0°C\]
ما حجم البالون بعد أن يبرد؟
الحل: قانون شارل\[ V1 / T1 = V2 / T2\] نحوّل إلى كلفن: \[T1 = 20 + 273 = 293 K\] \[T2 = 3 + 273 = 276 K\] \[V2 = (V1 × T2) / T1\] \[V2 = (2.0 × 276) / 293 ≈ 1.88 L\]
الحجم النهائي ≈ 1.88 لتر المسألة 2:
وُضع بالون حجمه
\[ 2.0 L\]
في درجة حرارة الغرفة
\[20.0°C\]
كم سيكون الحجم النهائي للبالون إذا وُضع في مجمد عند
\[-18°C\]
الحل: \[T2 = -18 + 273 = 255 K\] \[T1 =273+20= 293 K\] \[V2 = (2.0 × 255) / 293 ≈ 1.74 L\] الحجم النهائي ≈ 1.74 لتر المسألة 3:
يتم تسخين غاز حتى يتمدد من حجم
\[1.0 L⟶ 1.5 L\]
إذا كانت درجة الحرارة الابتدائية
\[5.0°C\]
ما درجة الحرارة النهائية؟
الحل: قانون شارل\[ V1 / T1 = V2 / T2\] \[T1 = 5 + 273 = 278 K\] \[T2 = (V2 × T1) / V1\] \[T2 = (1.5 × 278) / 1.0 = 417 K\] نحوّل إلى سيليزية: \[417 - 273 = 144°C\] درجة الحرارة النهائية
\[ 144°C\] 1. صف ما الذي قد يحدث لحجم غاز ما إذا انخفض الضغط عليه ثم ارتفعت درجة حرارته. 2. باستخدام قانون بويل، ماذا يحدث لبالون غاص إلى ضغط
\[ 202 kPa\]
3. ماذا يحدث للحجم إذا تضاعف الضغط وتضاعفت درجة الحرارة المطلقة؟ 4. حجم بالون هيليوم
\[ 2.00 L\]
عند ضغط
\[ 101 kPa.\]
انخفض الضغط إلى
\[ 97.0 kPa\]
ما الحجم الجديد 5. حجم بالون
\[ 5 L \]
عند
\[25°C\]
، ارتفعت الحرارة إلى
\[ 30°C\]
ما الحجم الجديد؟ في أي حالات المادة يتوقع أن نجد الماء على سطح القمر، إذا كانت درجة حرارته
\[-25^\circ C\] ماذا سيكون حجم الغاز عندما يبلغ الضغط عليه
\[325 \ \text{kPa}\] أي من المفاهيم العلمية الآتية يمثله هذا الرسم البياني على النحو الأفضل؟ أي مما يلي لا يُرجح احتواؤه على البلازما؟ أي مما يلي يصف الطاقة اللازمة ليتحول السائل عند درجة غليانه إلى غاز؟ أي من حالات المادة تنقل الجسيمات قريبة بعضها من بعض، وتكون حرة الحركة بحيث تنزلق بمحاذاة بعضها؟ من خلال الحط البياني التالي أي العبارات التالية صحيحة؟ عند أي درجة حرارة تقريبًا سيبلغ حجم الغاز
\[B\] حوالي
\[600 \ \text{mL}\]
📐 الضغط (Pressure)
🧪 تجربة الغوص البطيء في الرمل
⚖️ الضغط = الوزن / المساحة
🏋️ جسم ثقيل / مساحة صغيرة
🪶 جسم خفيف / مساحة كبيرة
كلما زادت القوة المؤثرة على مساحة معينة، زاد الضغط، وكلما كبرت المساحة مع ثبات القوة، قل الضغط.
يُقاس الضغط في النظام الدولي بوحدة باسكال (Pa) حيث أن:
1 Pa = 1 N/m² (نيوتن لكل متر مربع).
قانون الضغط
P = الضغط (بالباسكال Pa)
F = القوة (نيوتن N)
A = المساحة (م²)
ملاحظات مهمة
مثال محلول
احسب الضغط.
P = 101000 ÷ 1.80
P = 56,111 Pa
الضغط الكلي على المائع
هوعبارة عن حاصل مجموع ضغط المائع والضغط الجوي
الضغط الجوي
\[P_o= 101325 \frac {N}{m^2}\]
\[P(tot) =\frac {F}{A} + p_o\]
مبدأ باسكال
قانون باسكال الأساسي: \[P = \frac {F₁}{A₁} =\frac {F₂}{A₂}\] — أساس عمل الأنظمة الهيدروليكية (المصاعد، المكابس، الفرامل).
عند تسليط ضغط إضافي على سائل محصور في إناء فإن الضغط ينتقل إلى جميع أجزاء السائل بالتساوي
FONT size="4" face="Helvetica" >
مبدأ باسكال
في هذه المحاكاة سوف نسلط ضغط إضافي سلط على المكبس الأول على سائل محصور داخل إناء راقب ضغط المائع الخارج من المكبس الثاني
مبدأ باسكال
(u ) في هذه المحاكاة سوف نسلط ضغط إضافي على سائل محصور داخل إناء على شكل حرف
اكمل بيانات الجدول التالي
📘 مسائل الضغط والقوة
إذا بلغت مساحة سطح الغواص \[1.50\ \mathrm{m}^2\] فما مقدار القوة الكلية التي يضغط بها الماء على الغواص؟
- الضغط الكلي المؤثر على الغواص \( P = 202\ \text{kPa} = 202\,000\ \text{Pa} \)
- المساحة \( A = 1.50\ \text{m}^2 \)
*الضغط هنا هو الضغط المطلق (الماء + الجوي) كما ورد في السؤال.
\( F = 202\,000 \ \text{Pa} \times 1.50\ \text{m}^2 \)
\( F = 303\,000\ \text{N} \)
\[ \boxed{303\ \text{kN}} \] أي
\(3.03 \times 10^5 \ \text{N} \)
فكم ستبلغ مساحة إطارات السيارة التي تلامس الطريق؟
- الوزن \( W = 15\,000\ \text{N} \)
- ضغط الإطارات \( P = 190\ \text{kPa} = 190\,000\ \text{Pa} \) (هذا الضغط يعتبر ضغطًا نسبيًا gauge pressure، لأنه يدعم وزن السيارة)
\( A = \dfrac{15\,000\ \text{N}}{190\,000\ \text{Pa}} \)
\( A = 0.078947\ \text{m}^2 \)
بالتقريب: \( A \approx 0.0790\ \text{m}^2 \)
\( 0.078947 \times 10\,000 = 789.47\ \text{cm}^2 \)
\[\boxed{0.0790\ \text{m}^2} =789\ \text{cm}^2\]
كم يبلغ تقريباً مقدار القوة الكلية التي يضغط بها الغلاف الجوي لكوكب الزهرة على الإنسان العادي عند مستوى سطح البحر؟
افترض أنَّ مساحة السطح للإنسان العادي تساوي
\[1.8\ \mathrm{m}^2\].
\( P_{\text{Venus}} = 91 \times P_{\text{earth}} \)
\( P_{\text{Venus}} = 91 \times 101.3\ \text{kPa} \)
\( P_{\text{Venus}} = 9\,218.3\ \text{kPa} = 9\,218\,300\ \text{Pa} \) (باستخدام القيمة 101.3 بدقة مقبولة)
*يمكن استخدام القيمة الدقيقة \( 101325\ \text{Pa} \) لنتيجة أكثر دقة:
\( 91 \times 101325 = 9\,220\,575\ \text{Pa} \).
المساحة \( A = 1.8\ \text{m}^2 \)
\( F = 9\,218\,300\ \text{Pa} \times 1.8\ \text{m}^2 \)
\( F = 16\,592\,940\ \text{N} \)
\( 9\,220\,575 \times 1.8 = 16\,597\,035\ \text{N} \)
\( F \approx 1.66 \times 10^{7}\ \text{N} = 16.6\ \text{MN}\)
\[ \boxed{1.66 \times 10^{7}\ \text{N}} = 16.6\ \text{MN} \]
أي ما يعادل وزن حوالي 1,690 طن تقريباً.
⚙️ المصعد الهيدروليكي
ما مساحة الكباس الصغير إذا استخدمت قوة يبلغ مقدارها \( 1,100 \, \text{N} \) لرفع السيارة؟
- وزن السيارة (القوة على الكباس الكبير) \( F_2 = 15\,000\ \text{N} \)
- مساحة الكباس الكبير \( A_2 = 10\ \text{m}^2 \)
- القوة المؤثرة على الكباس الصغير \( F_1 = 1\,100\ \text{N} \)
- المطلوب: \( A_1 \)
\( \dfrac{F_1}{A_1} = \dfrac{F_2}{A_2} \)
\( \dfrac{1\,100}{A_1} = \dfrac{15\,000}{10} \)
\( \dfrac{1\,100}{A_1} = 1\,500 \)
\( A_1 = \dfrac{1\,100}{1\,500} \)
\( A_1 = 0.7333\ \text{m}^2 \)
\( \boxed{0.733\ \text{m}^2} \) (أي \( 7.33 \times 10^{-1}\ \text{m}^2 \))
≈ \( 7\,333\ \text{cm}^2 \)
يبلغ حجم المكبس الصغير \( \frac{1}{30} \) من حجم المكبس الكبير. ما القوة الضرورية لرفع صندوق الشحن؟
- القوة المؤثرة على المكبس الكبير (وزن الصندوق) \( F_{\text{كبير}} = 1\,500\ \text{N} \)
- مساحة المكبس الكبير \( A_{\text{كبير}} = 25\ \text{m}^2 \)
- نسبة المساحات \( \dfrac{A_{\text{صغير}}}{A_{\text{كبير}}} = \dfrac{1}{30} \)
- المطلوب: القوة على المكبس الصغير \( F_{\text{صغير}} \) اللازمة لرفع الصندوق.
\( \dfrac{F_{\text{صغير}}}{A_{\text{صغير}}} = \dfrac{F_{\text{كبير}}}{A_{\text{كبير}}} \)
\( F_{\text{صغير}} = F_{\text{كبير}} \times \dfrac{A_{\text{صغير}}}{A_{\text{كبير}}} \)
\( F_{\text{صغير}} = 1\,500 \times \dfrac{1}{30} \)
\( F_{\text{صغير}} = 50\ \text{N} \)
\( \boxed{50\ \text{N}} \)
مبدأ برنولي
اللزوجة
F1 / A1 = F2 / A2
F1 = (A1 × F2) / A2
F1 = (0.060 × 21000) / 3 = 420 نيوتن
قانون بويل (Boyle's Law)
المفهوم العلمي:
شروط تطبيق القانون:
العلاقة الرياضية:
P₁: الضغط الابتدائي (Pa أو atm)
V₁: الحجم الابتدائي (m³ أو L)
P₂: الضغط النهائي
V₂: الحجم النهائيالغاية من الاستنتاج:
التطبيقات العملية:
١. المحقنة الطبية:
٢. غوص السكوبا:
٣. الثلاجات:
٤. إطارات السيارات:
مسائل الفيزياء
\[ P1 × V1 = P2 × V2\]
المعطيات:
P1 = 98.0 kPa
V1 = 11.0 L
P2 = 86.2 kPa
الحل:
\[ V2 = (P1 × V1) ÷ P2\]
\[V2 = (98.0 × 11.0) ÷ 86.2\]
V2 ≈ 12.5 L
\[ P1 × V1 = P2 × V2\]
المعطيات:
P1 = 101.3 kPa (ضغط مستوى البحر)
V1 = 90.0 L
V2 = 175.0 L
الحل:
\[ P2 = (P1 × V1) ÷ V2\]
\[ P2 = (101.3 × 90.0) ÷ 175.0\]
P2 ≈ 52.1 kPa
قانون شارل (Charles's Law)
التعريف بقانون شارل
الغاية من استنتاج القانون
العلاقة الرياضية
V ∝ T
حيث:
إذا كان غاز حجمه 2 لتر عند 300 كلفن، فما حجمه عند 450 كلفن؟
الحل: V₂ = (V₁ × T₂)/T₁ = (2 × 450)/300 = 3 لتر
التطبيقات العملية
في محركات السيارات، يساعد القانون في حساب التمدد الحجمي للهواء المسخن خلال عملية الاحتراق، مما يساهم في تصميم الأسطوانات بشكل دقيق.
ملاحظات هامة
مسائل قانون شارل
📘 مسائل الغازات (تفاعلي)
P1 × V1 = P2 × V2
V2 = (101 × 2.00) ÷ 97
V2 ≈ 2.08 L
✔ الحجم الجديد ≈ 2.08 لتر
T1 = 298 K ، T2 = 303 K
قانون شارل:
V1 / T1 = V2 / T2
V2 = (5 × 303) ÷ 298 ≈ 5.08 L
✔ الحجم الجديد ≈ 5.08 لتر
تدريب على الاختبار المعياري
No comments:
Post a Comment