نشاط عملي يوّضح كيفية قياس عملية “التوصيل الحراري”

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

عملية التوصيل الحراري كيفية قياس عملية التوصيل الحراري الفيزياء

الأهداف

1- مقارنة التوصيل الحراري من خلال مجموعة من المواد.

2- فهم الفرق بين المواد الموصّلة والعازلة.

 

الأدوات التي تحتاجها

1- زبدة أو سمن نباتي

2- حبات خرز

3- سكين زبدة

 

4- ملعقة خشبية

5- مصاصة شراب

6- قطعة من سلك نحاسي لا يقل طوله عن 15 بوصة (37 سم)

 

7- ملعقة معدنية

8- وعاء زجاجي (قصعة) أو دورق

9- ماء حار

 

10- ساعة إيقاف

11– دفتر ملاحظات وقلم رصاص

 

خطوات العمل

1- ضع قطعة صغيرة من الزبدة على أحد طرفي مادة من المواد التي ترغب في قياس مدى توصيلها للحرارة (إحدى الملاعق أو مصاصة الشراب أو السلك النحاسي).

2– ضع خرزة على قطعة الزبدة بحيث تلتصق بها.

3- رتب المواد على التسلسل مبتدئاً بالباردة ثم الساخنة، معتمداً على إحساسك بالبرودة أو الحرارة.

4- صب الماء الحار في الدورق حتى منتصفه.

5– استخدم ساعة الإيقاف للتحقق من الوقت المستغرق لسقوط الخرزة، ثم دوّن الأرقام في دفتر الملاحظات.

 

عند انتهائك من التجربة ستكون لديك لائحة بالفترات الزمنية التي تبيّن بدقة الزمن الذي استغرقته الحرارة للانتشار (التوصيل) عبر المواد التي استخدمتها لصهر الزبدة.

قد تجد مقارنة نتائجك أسهل لو أنك سجلتها في جدول بياني أو جدول أعمدة .

ومن المهم أيضاً تكرار التجربة مرة ثانية أو ثالثة للتأكد من أن النتائج التي حصلت عليها في المرة الأولى كانت دقيقة.

 

ويمكن طبعاً اختبار مواد مختلفة، ولكن قبل القيام بذلك، ينبغي التنبؤ حول ما يمكن أن يحصل، استناداً إلى النتائج التي حصلت عليها خلال التجارب الأولى.

بإمكانك أن تجرّب أي مادة لا تتعرض للتلف عند وضعها في الماء، كما أن بإمكانك أيضاً أن تعيد التجربة الأساسية باستخدام الماء عند درجات حرارة مختلفة. قم بقياس درجة حرارة الماء بواسطة ميزان الحرارة قبل أن تصب الماء في الإناء الزجاجي.

 

استخدم الرسم البياني أو المخطط العمودي لكل درجة حرارة وتسجيل الزمن قبل سقوط أي من الخرزات.

ينبغي أن تكتشف في كل تجربة أجريتها أن الخرزات تسقط من المواد التي استخدمتها بترتيب متسلسل، أي المواد الأكثر إيصالاً أولاً ثم الأقل إيصالاً.

 

تحليل التجربة

تقوم في هذه التجربة بمقارنة قدرة مواد مختلفة على توصيل الحرارة. ولابدّ أنك لاحظت صعوبة إعادة التجربة بصورة دقيقة.

إذا أجريت التجربة مرات عديدة بقيت درجة حرارة الماء المختلفة في كل مرة، سواء أكان الماء مأخوذاً من صنبور الماء الساخن مباشرة أم من إبريق الماء المغلي حديثاً.

هناك أشياء أخرى ربما تكون مختلفة أيضاً، مثل مكان الخرزة وكمية الزبدة المستخدمة، وما إلى ذلك. لذا، فإن أزمنة القياس ربما تكون مختلفة قليلاً في كل تجربة تجريها، لكن ترتيب سقوط الخرزات لابدّ أن يكون متماثلاً.

 

ومهما كانت درجة حرارة الماء ينبغي أن تجد أن المعادن هي أفضل الأجسام الموصلة للحرارة، وأن الخشب أضعفها توصيلاً، وكلما كانت المادة أفضل توصيلاً للحرارة كانت سرعة انصهار الزبدة أكبر.

إن أول معدن يفقد الخرزة هو الأفضل توصيلاً للحرارة. وفي تجربتك كان لابدّ للخرز من أن يسقط من الأجسام المعدنية خلال فترة زمنية أقصر بكثير من الفترة الزمنية اللازمة لسقوطها من الملاعق الخشبية أو مصاصة الشراب البلاستيكية. ومن المفترض ألاّ تسقط الخرزات أبداً من الملعقة الخشبية.

 

فالمشكلة بالنسبة للمواد العازلة للحرارة هي أنه نظراً إلى أنها لا تنقل الحرارة وتنشرها بصورة متساوية، فإنها قد تصبح حارة جداً في مكان واحد.

بل ربما تشتعل النار فيها، وهذا يفسّر سبب معالجة العديد من المواد العازلة للحرارة، مثل السترات الواقية والبطانيات، بالمواد الكيميائية كي تصبح مقاومة للنار.

 

كرر التجربة!

كرر التجارب عدة مرات دائماً، وفي كل مرة حاول أن تنشئ الظروف المناسبة بصورة دقيقة.

حاول قدر الإمكان أن تكون كمية الزبدة المستعملة في هذه التجربة متساوية على كل الخرزات، وضع الخرزات في المكان نفسه على كل ملعقة، ثم ضع الملاعق في المكان ذاته داخل الوعاء.

 

سخّن الماء إلى درجة الحرارة نفسها في كل مرة. إن نتائجك لن تكون نفسها في أي من هذه المحاولات، لكنها ستكون متقاربة.

حاول بعد ذلك أن تجري بعض التعديل، ولاحظ فيما إذا كنت تحصل على نتائج مختلفة. هذه هي الطريقة التي يتّبعها العلماء عندما يخضعون النظريات إلى التجربة العملية.

 

كيف أستطيع أن أمنع البخار من صهر الزبدة بسرعة؟

إن إحدى المشكلات التي قد تصادفها في هذه التجربة هي أن البخار المتصاعد من الماء الساخن سيصهر الزبدة في وقت قصير، ما يعطيك نتائج غير دقيقة.

وكي نمنع حصول ذلك يمكنك أن تصنع شقوقاً في قطعة من الكرتون وتضعها على الوعاء، ثم أدخل الملعقة والشرائط المعدنية داخل الشقوق إلى وعاء الماء الساخن. سيمنع الغطاء الكرتوني البخار المتصاعد من النفاذ إلى الخارج.

 

نصائح للسلامة

تذكر أن تطلب مساعدة أحد الكبار عند القيام بتسخين الماء في الإبريق أو غلاية الشاي أو استعمال الماء الحار. ينبغي ترك الماء في الإبريق لمدة دقيقة واحدة بعد أن يغلي، تجنباً لتناثر الماء المغلي.

 

الاحتفاظ بالحرارة

يمكن أن تكون المواد العازلة ذات قيمة كبيرة للاحتفاظ بحرارة جسم الحيوان، أو إبعادها عن جسمه. ويقوم فراء الحيوانات وشعرها بدور مهم جداً كمواد عازلة للحرارة.

يُحتجز الهواء بين الشعر، وبما أن الهواء موصل ضعيف ورديء للحرارة لإن الحرارة تظل محتجزة أيضاً.

 

ويؤدي الريش الدور نفسه بالنسبة للطيور، إضافة إلى مساعدتها على الطيران بفضل سطوح أجنحتها الخفيفة التي تقوم برفعها نحو الأعلى.

وتتحكم الحيوانات الثديية بدرجة حرارة أجسامها في الأجواء الحارة والباردة من خلال أنظمة بيولوجية معقدة.

إن غالبية الحيوانات الثديية ذات أجسام مكسوّة بالشعر، حيث يعمل الشعر على إبطاء تدفق الحرارة من وإلى أجسامها، ما يجعل مسألة التحكم بدرجة حرارتها أكثر بساطة، أما الزواحف فلا تملك أي شعر يغطي أجسامها، ما يجعلها تنتقل بصورة دائمة بين أشعة الشمس والظل كي تبقى درجة حرارة أجسامها ضمن المجال الصحيح.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]