الاتزان الحراري – إسقاط جسم ساخن في الماء

ماذا تعرض

عندما يوضع جسم ساخن في ماء أبرد داخل مسعر حراري معزول، تنتقل الطاقة على شكل حرارة من الجسم الأسخن إلى الأبرد حتى تتساوى درجتا حرارتهما. وإذا لم يحدث فقد، فإن الحرارة المنطلقة تساوي الحرارة الممتصة، ويخضع كل جسم للعلاقة Q = mcΔT، فتكون درجة الحرارة النهائية متوسطًا مرجحًا أقرب إلى الجسم ذي السعة الحرارية mc الأكبر. وعندما يكون الجسم جليدًا عند 0 °C تذهب الطاقة أولًا إلى صهره، Q = mλ حيث λ الحرارة الكامنة النوعية للانصهار، دون أن ترتفع درجة حرارته.

طريقة الاستخدام

مع الإعدادات الافتراضية (جسم من الألومنيوم عند 100 °C وماء عند 20 °C) توقّع درجة حرارة الاتزان من معادلة التوازن الحراري، ثم راقب منحنى T(t). غيّر «مادة الجسم 1» إلى النحاس أو الحديد مع الكتل ودرجات الحرارة نفسها لترى أثر السعة الحرارية النوعية. ثم اختر الجليد عند 0 °C وابحث عن الجزء الأفقي في منحناه في أثناء الانصهار. ويبيّن تغيير «كتلة الماء» كيف تحدّ كتلة الماء الأكبر من تغير درجة الحرارة.

المعاملات القابلة للتغيير

• كتلة الجسم 1 0.1–5 kg
• مادة الجسم 1 الألومنيوم (c = 880 J/kg·K), النحاس (c = 380 J/kg·K), الحديد (c = 460 J/kg·K), الماء (c = 4200 J/kg·K), جليد عند 0 °C (λ = 334 kJ/kg)
• درجة الحرارة الابتدائية للجسم 1 0–100 °C
• كتلة الماء 0.1–5 kg
• درجة الحرارة الابتدائية للماء 0–100 °C

أسئلة للاستكشاف

1. لماذا تكون درجة حرارة الاتزان أقرب كثيرًا إلى درجة حرارة الماء الابتدائية عندما يكون الجسم 1 فلزًا؟
2. عند تساوي الكتلة ودرجة الحرارة الابتدائية، أيهما يسخّن الماء أكثر: النحاس أم الألومنيوم، ولماذا؟
3. ماذا يبيّن الجزء الأفقي عند 0 °C في منحنى الجليد عن مصير الطاقة الممتصة؟