سلسلة تَعلَّم 5 تبريد -نظري- réfrigération théorique

 

تبريد - نظري -

réfrigération théorique

1) مقدمة:

التبريد يُعنى بالدرجة الأولى بالمادة (matière)، والطاقة (énergie)؛ المادة تتواجد على ثلاث عناصر: الصلبة (solide) وسائلة (liquide) وغازية (gazeuse)؛ ومن ناحية أخرى يُعبر عن الطاقة بأنها القدرة على إنجاز عمل ما؛ وجميع عناصر المواد تتكون من جزيئات صغيرة تتأثر بالضغط ودرجة الحرارة، والتي يُمكن عن طريقيهما تحويل المادة من عنصر إلى آخر حسب ترابط جزيئات المادة، وكمية الطاقة المبدولة على المادة نفسها. (راجع ما فاتك من السلاسل)

درجة الغليان والضغط

يمكن تقسيم أحوال المادة إلى ثلاث أحوال:

• حالة الصلابة 
• حالة السيولة
• حالة الغازية

ويمكن القول أن المواد الصلبة غير قابلة للانضغاط incompressible؛ بينما السوائل صعبة الانضغاط relativement incompressible؛ أما الغازات فهي قابلة للانضغاط Compressible؛ حيث تَتْبَعُ كثير منها  القانون العام للغازات.

v=mRT

2) العموميات Généralités:

2-أ) الحرارة chaleur

2-أ-ب) مفهوم الحرارة:

عند تماس جسمين أحدهما ساخن والآخر بارد، نلاحظ أن الأخير يسخن بينما الأول يبرد؛ فالأول إذن يعطي كمية مِنْ طاقته للثاني؛ نسمي الحرارة الكيفية التي تَنتقل بها الطاقة تلقائيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد؛ هناك فرق بين الحرارة ودرجة الحرارة، الحرارة هي طاقة الجسم المُكتسبة من تحرَّك جزيئاته؛ مثلا، هناك كمّيَّة من الحرارة في جبل جليديّ، أكثر بكثير مِمّا في كوب من الماءٍ حارّ، بالرغم من درجة حرارته العالية؛ لأن جبل الجليد، رُغم أنه أبرد، فهو أكبر بكثير؛ أما درجة الحرارة هي مقياس لسرعة تحرُّك جزيئات الجسم.

ولبيان هذا الفرق بتصورٍ أكثر وضوحا: تخيّل إبرة مُتوهجة الاحمرار، وغلاية مليئة بالماء المُغلى؛ فالإبرة أشدُّ سخونة بكثير من الماء السّاخن، أي أن درجة حرارتها أعلى بكثير من درجة حرارة الماء المغلى؛ إلا أن كمية الحرارة الموجودة في الإبرة قليلة جدّا بالنسبة إلى كمّيّة الحرارة في ماء الغلاية الحارّ؛ ويُمكنك إثبات ذلك بإسقاط الإبرة المتوهجة الاحمرار في غلاية مليئة بالماء البارد، تكاد لا ترفع درجة حرارة الماء بشكل ملحوظ؛ والجدير بالذكر أن كمية الحرارة في جسم ما، لا تعتمد على درجة حرارته فقط بل أيضا على كمية المادة التي يحويها.

2-ب) درجة الحرارة températeur:    

 هي التي تصف درجة سخونة أو برودة مادة ما؛ على سبيل المثال، عندما نُسخّنُ كمّيتين مختلفتين من الماء نفس المدة؛ نلاحظ، رغم هذا أنّ كمية الماء القليلة أسخن من الأخرى، وللتعبير عمَّا يُميّزهما نقول: درجة حرارةالكمّيّة الأولى (القليلة) أكبر من درجة الكمية الثّانيّة.

2-ج) تعيين درجة الحرارة:

 

ندخل اليدين مباشرة في الماء الدَّافيء بعد إخراجهما من الماء السَّاخن والبارد؛ اليدُ اليمنى تجعلنا نشعر أنَّ الماء الدََافيء  ساخن (الشكل1)، في حين أنَّ اليدَ اليسرى تجعلنا نشعر أنه بارد؛ فحاسّة اللَّمس إذن غير آمينة، قد تُمكّنُنا من ترتيب الأوعية الثلاثة حسب ارتفاع درجة حرارتها، لكنّها غير كافية لتعيين درجة حرارة كلّ منها لهذا اخترعوا محارير لقياس مختلف درجات الحرارة بدقة متناهية.

2-د) قياس درجة الحرارة:

تُقاس درجة الحرارة في النظام العالمي للوحدات وفق سُلَّمين : 

عادة ما يكون بالكلفن kelvin (k)، أو تارة أخرى بالسيلسيوس celsius (c)؛ كما توجد سلالم أخرى ما زالت تستخدم في بعض البلدان إلى يومنا هذا، ولعل أشهرها سُلّم فهرنهايت fahrenheit (F) (يُستعمل في دول أنجلوسكسونية anglo-saxons) وسلم رانكن Rankine.

2-د-1) مقياس سيلسيوس:

• تسخين الجليد:

نُخرج قطعة جليد منْ مُجلِّدةٍ عند درجة حرارة أقل من  ℃0، ثم نسخنها فنلاحظ أن درجة حرارة الجليد ترتفع دون أن ينصهر، أي أنّ الحرارة المُزوَّدَةَ من طرف اللهب رفعت درجة حرارة الجليد فقط.

• انصهار الجليد:

عند الوصول إلى ℃0 تبقى درجة الحرارة ثابتة، ونجد في الاناء الماء والجليد معا؛ تُؤدي الحرارة المكتسبة إلى انصهار الجليد فقط دون تغيُّر درجة حرارة الماء.

• تسخين الماء:

بعد انصهار الجليد كلُّه يبقى الماء فقط، وبمتابعة التسخين ترتفع درجة الحرارة من جديد؛ تُؤدي الحرارة المقدمة في هذه الحالة إلى ارتفاع درجة حرارة الماء.

• الحالة الغازية:

نُتابع التَّسخين، فنلاحظ أنّه عندما يغلي الماء تبقى درجة حرارته ثابتة عند قيمة قريبة من ℃100 رغم استمرار التَّسخين؛ أي أنّ الحرارة المُزَوَّدَة من طرف لهب الموقد تُحافظ على الغليان، وتُمكن من تحويل الماء إلى بخار الماء دون تغَيُّر درجة الحرارة.

توجد الآن نُقطتان نهائيتان - نقطة تجمد الماء ونقطة غليانه - تُمثِّلان قيمتين لدرجة الحرارة المُميَّزة؛ نستطيع تحديد مخطط للتعبير عن درجة الحرارة بالاعتماد على هاتين النقطتين:

إنه مقياس سيلسيوس للحرارة، الذي سُمي باسم العالم الذي ابتكر الفكرة أول مرة؛ يُدعى في بعض الأحيان بمقياس الحرارة المئوي، لأن درجة الحرارة الواحدة على هذا المقياس، تُساوي 1/100 (تعني سنتيغراد centigrade تدريجات بقيمة 1/100)،        

2-د-2) مقياس كلفن :

يُمكن بالطبع تجميد الماء والاستمرار بتبريده أو غليه وتحويله إلى بخار، ثم الاستمرار بتسخينه؛ يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى درجات أخفض بكثير  من ℃0، ويمكن أن تتجاوز بكثير درجة ℃100، فهل يا ترى توجد نهايات لمدى الانخفاض في درجة الحرارة أو مدى الارتفاع ؟!.

منَ الطريف وجود نهاية لانخفاض درجات الحرارة على مقياس سيلسيوس، ولكن لا توجد نهاية عُليا عليه !، ويجب بذل جهود غير عادية لتبريد قطعة الجليد، وخفض حرارتها لنرى مدى برودتها، ولكن لانستطيع تبريدها لدرجة أخفض تقريبا 273 سيلسيوس تحت الصفر، تُدعى هذه الدرجة بدرجة الصفر المطلق zéro absolu؛ وهي أدنى درجة حرارة يمكن الحصول عليها، وهي النقطة التي تنعدم فيها كل الحرارة عن الجسم.

    2-د-3) مقياس رانكين :     

 إن مقياس كلفن ليس الوحيد الموجود لتحديد درجة الحرارة المطلقة، وعلى الرغم من ذلك فإنه المقياس الأكثر استخداما؛ يُسند مقياس آخر يُدعى مقياس رانكين (R°) قيمة الصفر إلى درجة الحرارة الأكثر برودة ممكنة، إن الفرق بينهما هو أن درجة رانكين تساوي تماما 9/5 أو 1.8 درجة كيلفين؛ وبشكل معاكس، فإن درجة كلفين تساوي 5/9 درجة رانكين.

2-د-4) مقياس فهرنهايت:

يُستخدم مقياس فهرنهايت (℉) للحرارة، من قِبل العموم في معظم العالم الناطق بالإنجليزية، وخاصة الولايات المتحدة؛ إن درجة فهرنهايت بحجم درجة رانكين نفسها؛ ولكن، المقياس في وضع مختلف؛ إن درجة انصهار جليد الماء الصافي في مستوى سطح البحر هي: ℉32+، ونقطة غليان الماء السائل الصافي هي: ℉212+، وبالتالي توافق الدرجة  ℉32+ الدرجة ℃0 وتوافق الدرجة ℉ 212+ الدرجة ℃ 100+؛ تساوي درجة الصفر المطلق ℉459.67- تقريبا.

  هناك أنواع مختلفة من موازين الحرارة، والشائعة، منها تُعبَّأُ بالكحول أو الزّئبق؛ ويُفضل الترمومتر الكحولّيُّ على الزئبقي في المناطق الشّديدة البرودة لأن درجة التجمد أخفض؛ وهكذا يُمكن استعمال ميزان الحرارة الكحولي في الظُّروف التي يتجمد فيها الزِّئبق؛ أمّا في المختبرات فتستعمل موازين الحرارة الزئبقيَّة لأن درجة غليان الكحول منخفظة لا تسمح باستعماله لقياس درجات الحرارة العالية؛ فلو وضع ميزان حرارةٍ كحوليٍّ في ماء يغلي، فإن الكحول يغلي في الميزان، وقد يُفجره !.

وللحصول على مقياس عِياريّ لتدريج الترمومتر، ينبغي ايجاد نُقطتيْ إسنادٍ ثابتتين؛ ويُشترط في هاتين النُّقطتين المرجعيّتين أن يكون من السهل الحصول علهما دائما؛ فالنُّقطة المرجيعية العليا هي درجة حرارة بخار الماء المغلى، والنُّقطة المرجعيَّة الدُّنيا هي درجة حرارة انصهار الثلج.

ففي المقياس المئوي لدرجات الحرارة يُقسّم الفرق بين هاتين النُّقطتين إلى 100 قسم أو درجة، فدرجة الصفر المئويّ هي درجة انصهار التّلج في هذا المقياس، ودرجة 100 مئوية هي درجة حرارة بخار الماء المغلي تحت ضغط جوي عادي، ويُطلق على هذا المقياس اسم مقياس سيلسيوس نسبة إلى العالم السويدي الذي ابتكره.

أما في مقياس فهرنهايت، فنقطة انصهار الثلج 32 درجة فهرنهاتية، والنُّقطة الثابتة العليا (درجة غليان الماء على ضغط جوّي عياري) هي 212 ف، ولقد اتّخذ فهرنهايت مُخترع هذا المقياس، درجة حرارة مزيج من ملح وثلج كنقطة الصفر لميزانه الحراري؛ المئوي (الشكل 2).

2-ه) معادلات تحويل بين وحدات درجات الحرارة وفق سلالم حرارية:

• العلاقة بين سلّمي كلفن وسيلسيوس:

  T(k)=t(c)+273

مثال:

ماهي درجة الحرارة المطلقة لكل من ℃25 و ℃10 ؟

273+25=T

      298k =

273+(-10)=T

           263k=      

  

• العلاقة بين سُلّمي رانكن وفهرنهايت:

459.67+(℉)T(R)=T

مثال:

لنريد مثلا التحويل من فهرنهايت إلى رانكن 

لدينا:

T(F)=50°F

?=(R)T

تباعا للقاعدة: 

459.67+(F°)T(R)=T

459.67 + 50=      

             509.7 =(R)T

• العلاقة بين سلّمي رانكن وكلفن:

(k)T=(9/5)T

مثال:

عندنا درجة الحرارة 300 كلفن، ونريد تحويلها إلى رانكن

9/5 ✖ 300 =T

  540 =T

• العلاقة بين سلّمي فهرنهايت وسيلسيوس:

T(℉)=1.8T(℃)+32

أو

T(℉)=9/5T(℃)+32

مثال:

في أحد الأيام عندما وصلت درجة الحرارة إلى ℉50، ما مقدار درجة الحرارة على التدرج السيلسيوس.

بالتعويض في المعادلة الأخيرة نحصل على:

T(℃)=5/9(T(℉)-32)

(50-32)5/9=

              ℃10  = 

تأليف: محمد بلحاج - تقني

 المراجع:

Formulaire du froid.. Pierre Rapin..Paris 1985

-العلوم الفيزيائية 1992م

-كشف أسرار الفيزياء...تأليف: ستان جيبلسكو..ترجمة م. بسام صقر العقباني...2009.