مراجعة علم التبريد مادة فيزياء ثانوية عامة -2015


فيزياء درجات الحرارة المنخفضة
التعريف : هو العلم الذى يهتم بدراسة درجات الحراره المنخفضة والتى تقترب من صفر كلفن (الصفر المطلق)
المقياس المستخدم: (الكلفن )  
** يلاحظ أن درجات الحرارة على مقياس كلفن دائما موجبة بينما درجات الحرارة على مقياس سلزيوس تتدرج بين القيم الموجبة والقيم السالبة.
الغاز المثالى :هو الغاز الذى يتميز بكل مما يلى :-
- تتحرك جزيئات الغاز بحرية تامة حركة عشوائية .
- يمكن إهمال قوى التجازب بين الجزيئات وبالتالى طاقة وضع جزيئات الغاز المثالى= صفر
- يمكن إهمال حجم جزيئات الغاز بالنسبه لحجم الحيز الذى يشغله الغاز.

تأثير فاندرفالز :

هو التاثير المتبادل الحادث بين جزيئات الغاز مع بعضها البعض نتيجة لقوى التجاذب المتبادلة بينهما ويتجاذب فيه جزيئان معا ثم يتتابع اجتذاب جزيئات أخرى حتى يتحول من حالة إلى أخرى.

ظواهر درجات الحرارة المنخفضة.

أولا: إسالة الغازات….
هى عملية يقصد بها تحويل الغاز الى الحاله السائله (يصبح غاز مثالى ) وذلك عن طريق :
التبريد  الشديد  –   الضغط الشديد  –   الضغط والتبريد الشديد

سؤال : وضح كيف يفسر تأثير فاندرفالز عملية إساله الغازات ؟

بزيادة الضغط يحدث تفاعل فاندرفالز بين جميع الغازات فعندما يزداد ضغط الغاز يقل حجم الحيز الذى تشغله جزيئات الغاز فتقل المسافات الجزيئيه فيحدث تقارب لجزيئات الغاز من بعضها البعض .
وبالتالى يحدث تجاذب بين جزيئين نتيجة لاقترابها من بعض ثم تتابع عملية اجتذاب جزيئات أخرى إليها وهكذا فتزداد كثافة المادة لتدخل بذلك فى حالة السيولة.

سؤال :  كيفيه حدوث التبريد

من مفهوم الحرارة الكامنة للتصعيد فإن المادة التى سبق تبريدها (الغاز المسال ) لكى تتحول من حالتها السائلة وتعود إلى حالتها الطبيعيه (الحالة الغازية ) فإنها تحتاج إلى كمية من الحرارة يتم سحبها من المادة المطلوب تبريدها ويؤدى هذا إلى انخفاض درجة حرارة المادة المطلوب تبريدها.
آلية الحصول على درجة الحرارة المنخفضة
** يتم الحصول على درجات الحرارة المنخفضة عن طريق سحب الطاقة من المادة وذلك عند ملامسة المادة المطلوب تبريدها لمادة أخرى سبق تبريدها إلى درجة منخفضة مثل :
- ملامسة المادة لهواء مسال فى حالة تبخر
- ملامسه الماده للنيتروجين المسال (تم الوصول إلى درجة77 كلفن )
- ملامسة الماده للهليوم المسال (تم الوصول  إلى درجة 4.2 كلفن )
- ملامسة المادة للثلج العادى أو الثلج الجاف (ثانى أكسيد كربون مثلج )
- ملامسة الماده لسائل الأكسجين( تم الوصول إلى درجة 90 كلفن )
ثانيا السيولة الفائقة
هى خاصيه يقصد بها انعدام لزوجة السائل وانسيابه بسهوله مفرطه دون اى مقاومه او احتكاك وذلك فى درجات الحراره المنخفضة
مثال: سائل الهليوم فى درجات الحراره المنخفضه يتميز بالخواص الاتية :-
*خاصية السيوله المفرطه او فائقية السيوله اى لزوجته = صفر.
*امكانية انسيابه لاعلى على جوانب الاناء الذى يحتويه دون توقف مهملا قوى الاحتكاك والجاذبيه.
/حرارته النوعيه صغيره لذلك فهو افضل الموصلات الحراريه.

قارورة ديوار

الاستخدام : حفظ وتخزين الغازات المسالة .
النظريه العلميه : منع او تقليل انتقال الحراره بالحمل والتوصيل والاشعاع.
التركيب  : تتكون من وعاء زجاجى من البيركس او معدنى مزدوج الجدار .
المسافه بين الجدارين مفرغه تماما من الهواء لكى تقل  كميه من الحراره المفقوده بالحمل .
السطح الداخلى للجدارين مغطى بطبقه من الفضه تعمل كسطح عاكس  فتقل كمية الحراره المفقوده بالاشعاع وهى بذلك تشبه قاروره الترموس .

س :علل الهليوم يحفظ بطريقه خاصه ؟

لان الحراره النوعيه للهليوم صغيره جدا  ودرجة غليانه منخفضه جدا (4.2) كلفن لذلك يجب زيادة العزل حتى لا يكتسب سائل الهليوم اى طاقه حراريه خارجيه .
وزيادة  فى العزل يملا الفراغ بين الانائين بسائل النيتروجين .
ثالثا :ظاهرة التوصيل الكهربى الفائق(ظاهرة كاميرلنخ اونس )
هى ظاهره تفقد فيها الماده كامل مقاومتها الكهربيه وتتحول عندها الى مادة فائقة التوصيل .
المواد فائقة التوصيل :هى المواد التى تفقد كامل مقاومتها الكهربيه وتصل الى حالة التوصيليه الفائقه عند درجة حراره معينه تقترب من الصفر كلفن وتسمى درجة الانتقال
ومن امثلتها (البلاتين ، الزنك ، الالومنيوم ، الرصاص ، الذئبق ، وبعض المركبات العضويه)

درجة الانتقال :

هى درجة حرارة التبريد التى تفقد فيها الماده كامل مقاومتها الكهربيه وتتحول عندها الى ماده فائقة التوصيل .
العلاقه البيانية بين المقاومه الكهربية ودرجة الحرارة الكلفينية :
تقل المقاومه الكهربيه تدريجيا بانخفاض درجة الحراره الكلفينيه وعند درجة حراره معينه تفقد الماده كامل مقاومتها لسريان التيار وتصبح مادة فائقة التوصيل

خصائص المواد فائقة التوصيل :

* ينساب التيار فيها لعدة سنوات حتى لو ازيل فرق الجهد المستخدم .
* لا يسخن الفلز فائق التوصيل عند مرور تيار كهربى فيه لعدم وجود مقاومه .
* التيار يستمر دون الحاجه الى طاقه تعوضنا عن الطاقه المفقودة
* المادة فائقة التوصيل لها قدره عاليه على التقاط اضعف الاشارات اللاسلكيه .
* المواد فائقة التوصيل من نوع المواد ( الدايا مغناطيسية ) التى تنعدم داخلها شدة المجال المغناطيسى لذلك اذا وضع مغناطيس فوق قرص من مادة فائقة التوصيل فان هذه الماده تتمغنط بحيث يكون اتجاه المجال داخلها عكس اتجاه المجال المؤثر . وبالتالى فان شدة المجال المغناطيسى داخل الماده فائقة التوصيل = صفر .

ظاهرة مايسنر

عندما نضع مغناطيس فوق قرص من ماده فائقه التوصيل فان هذا المغناطيس يبتعد عن القرص ويصبح معلقا فى الهواء .
القطار الطائر
سبب التسمية :  سمى بذلك لان سرعته كبيرة تصل الى   225  km ¤ h   تم تصميمه فى اليابان .
فكرة عمله      :                    ظاهرة مايسنر
شرح عمل القطار الطائر :
* يحمل القطار ملفات من ماده فائقة التوصيل .
* عندما يتحرك القطار فوق القضبان المغناطيسيه يتولد تيار تأثيرى فى هذه الملفات ينشأ عنه مجال مغناطيسى يتنافر مع المجال الاول (مجال القضبان ) فيرتفع القطار لاعلى عدة سنتيمترات مما يزيل الاحتكاك مع القضبان فتزداد السرعه حتى تصل الى (225) كيلومتر/ساعه .

الطاقه الحراريه التى يكتسبها الغاز

اذا اكتسب الغاز طاقة حرارية Qth   فانه طبقا لقانون بقاء الطاقة تتحول الطاقة المكتسبة الى صورتين هما 1- زيادة فى الطاقة الداخلية DU وتظهر لنا فى صورة ارتفاع فى درجة الحرارة .
2- شغل تبذله جزيئات الغاز W   .
اى ان            W   +   DU    =  Qth    (القانون الاول فى الديناميكا الحرارية) 
وعلى هذا الاساس يمكن تقسيم التغير الحرارى الى نوعين هما :- 

العملية الايزوثرمية	العملية الاديباتية
يكون الغاز فى اناء جيد التوصيل للحرارة .	يكون الغاز معزول تماما عن الوسط المحيط .
تحدث عند ثبوت درجة حرارة الغاز مع الوسط .	تحدث عند ثبوت الطاقة الحرارية للغاز .
التغير الطاقة الداخلية = صفر         DU  = 0 اى ان الطاقة الداخلية ثابتة	الطاقة المكتسبه = صفر Qth  = 0
تتحول الطاقة الحرارية بالكامل الى شغل ميكانيكى  تبذله جزيئات الغاز .      Qth  = W	الشغل المبذول من الغاز او على الغاز يتم على حساب طاقته الداخلية .اى ان W   +   DU    =  صفر وهناك احتمالين هما :-
	W  = –  DU·اى ان الشغل موجب·الغاز يبذل شغلا على حساب الطاقة الداخلية·تنخفض الطاقة الداخلية وتنخفض درجة الحرارة ويبرد الغاز ·مثال :- تمدد الغاز فجأة .	DU  = –  W·اى ان الشغل سالب·يبذل على الغاز شغلا على حساب الطاقة الداخلية·تزداد الطاقة الداخلية وترتفع  درجة الحرارة ويسخن الغاز مثال :- انكماش الغاز فجأة .
تحدث ببطء .	تحدث بسرعة .
لا تتغير درجة حرارة الغاز.	تتغير درجة حرارة الغاز.ا

س1: اكتب المصطلح العلمى:
- العلم الذى يهتم بدراسة درجات الحراره  المنخفضه التى تقترب من الصفر المطلق (علم التبريد )
- تاثير يعبر عن قوى التجازب بين الجزيئات (تأثير فاندرفالز )
- تحويل الطاقه المكتسبه بالكامل الى شغل ميكانيكى يبزله الغاز (العمليه الايزوثرميه )
- سحب الطاقه الحراريه من الماده المراد تبريدها بالتلامس مع الماده الاكثر تبريدا (الية الحصول على درجات الحراره المنخفضه )
- وعاء مصمم لمنع انتقال الحراره يستخدم لتخزين الغاز المسال ( قارورة ديوار )
- فلزات تفقد مقاومتها الكهربيه عند درجة حراره تقرب من الصفر كلفن (المواد فائقة التوصيل )
- درجة الحرارة التى يفقد عندها المعدن المقاومه الداخليه للتيار الكهربى (درجة الانتقال )
- بقاء مغناطيس دائم معلقا عند وضعه فوق مادة فائقة التوصيل (ظاهرة مايسنر )
- ظاهره تفقد فيها بعض الفلزات مقاومتها الداخليه لسريان الكهرباء عند درجة حراره تقترب من الصفر المطلق (التوصيليه الفائقه )
-عمليه يكون فيها الشغل المبزول على الغاز او من الغاز على حساب طاقتة الداخليه دون تبادل حرارى مع الوسط (العمليه الاديباتيكيه )
-تلاشى لزوجة سائل كليا فى درجة الحراره المنخفضه (السيوله الفائقه )
س2: اذكر اهم تطبيقات كل من:
- ظاهرة مايسنر (القطار فائق السرعة)
- المواد فائقة التوصيل (هوائى الأقمار الصناعية)
- قارورة ديوار (حفظ وتخزين الغازات المسالة)
- السيوله الفائقه (استخدام الهيليوم المسال كمادة مبردة)
- العمليه الاديباتيه والايزوثرميه (الثلاجة)
س3: اختر الاجابه الصحيحه :
1- تختلف خواص الغاز الحقيقى عن الغاز المثالى عند زيادة (درجة الحراره/السرعه/الكثافه/كل ما سبق )
2- يستخدم لتخزين السوائل الناتجه من تبريد الغازات (جهاز جولى /البثلاجه /قارورة ديوار)
[rtl]3- تحدث اسالة للغازات بسبب اثر(قوى التصادم بين الغازات /التفاعل الكيميائى بين الغازات /قوى فندرفالز)[/rtl]
4- الدراسة الماكروسكوبية تمثل كل مما يلى ماعدا (قانون بويل /قانون شارل /قانون جولى /نظرية الحركه للغازات)
5- تعتبر الثلاجه من اهم تطبيقات العمليه (الايزوثرميه فقط /الاديباتيكيه فقط / الاثنان معا)
6-عندما يعود الغاز المسال الى طبيعته نتيجة ملامسته فان درجة حرارة الجسم  (تنخفض /ترتفع/ تظل ثابته )
7- غاز مثالى فى وعاء تام العزل ينتقل خلال صمام الى وعاء مماثل ولاكنه مفرغ اى العبارات التالية غير صحيحة (يبرد الغاز / يقل الضغط الى النصف / يزداد الضغط/ يبزل الغاز شغلا )
8- يعتبر الهليوم المسال من  افضل الموصلات الحراريه بسبب (ارتفاع حرارته النوعيه /انخفاض حرارته النوعيه / ارتفاع درجة غليانه )
9- يغلى الهليوم المسال عند درجة حرارة ( 268.8  /77 /2.4)
10-درجة الحراره التى يصبح عندها الفلز فائق التوصيل الكهربى (درجة صفر سلزيوس /تقترب من الصفر كلفن /درجة غليان  الماء )
11-من المعادن التى تتميز بظاهره التوصيل الفائق (الحديد /الرصاص/النيكل /الذهب )
12-عند وضع مغناطيس دائم فوق قرص من ماده فائقة التوصيل يحدث بينهما (تنافر/تجازب /تنافر ثم تجازب /لا يتاثر )
13- اذا انساب تيار فى حلقه من ماده فائقة التوصيل فان هذا التيار ………………..اذا ازيل فرق الجهد الخارجى المسبب له (يستمر /ينقطع ببطء /ينقطع بسرعه /لا توجد اجابه صحيحه )
14-عندما يكتسب غاز كمية من الحرارة  فإنها تتحول إلى (زيادة فى الطاقة الداخلية فقط /شغل يبذله الغاز فقط /الفقرتان السابقتان صحيحتان /لا توجد إجابة صحيحة )
س4: ما النتائج المترتبة على :
- زيادة الضغط الواقع على جزيئات الغاز ؟
يتحول إلى سائل وينشأ تأثير فاندرفالز
- وصول درجة حرارة الهليوم المسال إلى درجة حرارة تقرب من الصفر المطلق ؟
يمتاز بخاصية السيولة المفرطة وينساب على جدران الإناء لأعلى
- ثبوت الضغط والحجم فى عملية التبادل الحرارى ؟
يرتفع درجة حرارة الغاز لأن الطاقة كلها تتحول إلى زيادة في الطاقة الداخلية
- تزويد نظام غازى بكمية من الحرارة لكل من الطاقة الداخلية والشغل ؟
تزداد الطاقة الداخلية والشغل طبقاً للقانون الأول للديناميكا الحرارية
- خفض درجة حرارة معدن البلاتين إلى بضع درجات فوق الصفر المطلق
تنعدم مقاومته ويصبح موصل فائق التوصيل

 لتحميل الدرس بصيغة PDF اضغط هنا..