نشاط عملي يوّضح عمليتيّ “تمدد وتقلص المواد” بفعل تغيرات الحرارة

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

عملية تمدد المواد عملية تقلص المواد الحرارة الفيزياء

الأهداف

1. قياس تمدد وتقلص الأنبوب النحاسي.

 

الأدوات التي تحتاجها

1- أنبوب نحاسي مستقيم بطول 3 – 6 أقدام (90 – 180 سم)

2- أنبوبان بلاستيكيان طول كل منهما 2 قدم (30 سم). اختر القياس الذي يمكن إدخاله بإحكام داخل أو فوق نهاية القضيب النحاسي والقمع.

3- ملزمة شد

 

4- قطعتان صغيرتان من الخشب الناعم

5- حامل ثلاثي القوائم أو حامل حلقي

6- قمع

 

7- دلو

8- سلك بطول 4 بوصات (10 سم)، أو دبوس أوراق

9- ماء حار

 

10- ماء بارد

11- شخص كبير للمساعدة

 

خطوات العمل

1- خذ أحد الأنبوبين البلاستيكيين وأدخل أحد طرفيه في نهاية الأنبوب النحاسي. في حال تمكنت من إدخاله بإحكام فوق الأنبوب النحاسي يمكنك الاستمرار في ذلك، إذ يجب أن يدخل بإحكام، ثم أدخل الطرف الآخر من الأنبوب البلاستيكي في النهاية الثانية للأنبوب النحاسي.

2 ضع قطعتي الخشب تحت الأنبوب النحاسي وباعد بينهما بحيث يستقر الأنبوب عليهما بشكل ثابت. استعمل الملزمة لربط الأنبوب مع إحدى قطعتي الخشب بالطاولة أو السطح الذي تعمل عليه.

3 ضع الحامل الثلاثي أو الحلقي قرب القضيب النحاسي، ثم ضع القمع على الحامل وادفع الطرف الحر لأحد الأنبوبين البلاستيكيين فوق الجزء الضيّق من القمع بحيث يتداخلان بشكل محكم. ثبّت الأنبوب البلاستيكي الآخر بحيث يتدلى فوق حافة الطاولة. ضع دلواً تحت نهاية الأنبوب يتجمع فيه الماء الذي يترسب عن طريق الأنبوب.

4 اثنِ السلك على شكل حرف (L) وإذا كنت تستخدم دبوس الورق، افرده أولاً ثم قم بثنيه على شكل حرف (L) ثم ضع السلك بين الأنبوب النحاسي وقطعة الخشب الثانية غير المثبتة بالملزمة بحيث يكون الجزء الطويل من حرف (L) بارزاً بشكل مستقيم نحو الأعلى. تأكد أن يكون السلك خارجاً من فوق قطعة الخشب.

5 صب الماء الحار في القمع، ويجب أن يكون الماء حاراً جداً، أي قريباً من درجة الغليان، لذا عليك طلب المساعدة من أحد الكبار. وتذكّر أن تبعد يديك عن الأنبوب النحاسي، لأنه سيصبح ساخناً جداً.

6 لاحظ ما سيحصل للسلك وأنت تصب الماء الحار. وبعد أن تنتهي من صب الماء الحار صب الماء البارد مباشرة عبر الأنبوب النحاسي. لاحظ ما سيحصل للسلك.

 

إن إحدى الطرق التي نستطيع من خلالها تحسين دقة القياس هي وضع مقياس لقياس المسافة التي يتحرك فيها دبوس الورق عند درجات حرارة مختلفة للماء.

اصنع مقياساً بواسطة قطعة من الكرتون أو بطاقة الفهرسة. ضع إشارة في مركز البطاقة واكتب عليها العدد صفر (0)، ثم ارسم خطوطاً على البطاقة بفواصل مقدارها ربع بوصة (6 ملم) خارج العدد صفر (0).

 

ومن الطرف الأيسر للبطاقة إلى الطرف الأيمن، يجب أن تكون الأرقام على مقياس التدريجات على النحو الآتي:

قبل أن تصب الماء، قم بتوجيه السلك بحيث يشير بدقة إلى منتصف الإشارة (0). استخدم ميزان حرارة كي تسجّل درجة حرارة الماء قبل أن تصبه. وبعد صب الماء الحار، سجّل الاتجاه الذي تحرك نحوه السلك ومقدار الحركة.

 

وبإمكانك بعدئذٍ إعادة التجربة باستخدام ماء بدرجات حرارة مختلفة ودوّن النتائج التي توصلت إليها على الرسم البياني (انظر إلى الأسفل).

وربما ترغب أيضاً أن تكرر التجربة باستخدام أنابيب مصنوعة من مواد مختلفة، كالأنابيب الحديدية والفولاذية بما في ذلك أيضاً الأنابيب البلاستيكية (PVC). ستلاحظ أن كل مادة من هذه المواد تتمدد وتتقلص بنسب مختلفة.

 

تحليل النشاط

إن أنبوب النحاس في هذا النشاط، كأي شيء آخر، مؤلف من ذرّات في حركة مستمرة. وكلما كانت درجة الحرارة أعلى زادت سرعة حركة الذرّات.

إن النحاس موصل جيد للحرارة. عندما تصب الماء الحار داخل الأنبوب النحاسي فإن الطاقة الحرارية ستنتقل إلى ذرّات الأنبوب النحاسي بسرعة كبيرة.

وعندما تتلقى الذرّات المزيد من الطاقة الحرارية من الماء تصطدم مع بعضها بعضاً بمعدل أعلى وبصورة أكثر شدة. ونتيجة لهذا تضعف الروابط فيما بينها وتبدأ الذرّات بالانفصال عن بعضها.

 

وعندما تبتعد ذرّات الأنبوب النحاسي عن بعضها يصبح الأنبوب أكبر حجماً، أي إنه يتمدد. وعندما يتمدد الأنبوب يقوم بدفع السلك، الذي يبدأ بالدوران مع حركة الأنبوب.

وعندما تصب الماء البارد عبر الأنبوب ستلاحظ هذا التاثير معكوساً. تعطي ذرّات النحاس بعض طاقتها للماء (تذكر أن الطاقة الحرارية تتدفق من الجانب الحار إلى الجانب البارد، ولكن في مثالنا هذا تنساب الحرارة من ذرّات الأنبوب النحاسي الحارة إلى ذرّات الماء الباردة).

وتبدأ ذرّات النحاس بالتباطؤ والتحرك نحو بعضها على نحوٍ أكثر التصاقاً، ما يؤدي إلى تقلص النحاس أو انكماشه. ويؤدي انكماش الأنبوب النحاسي إلى دفع السلك مرة ثانية، ولكن بالاتجاه المعاكس.

 

يتمدد الأنبوب النحاسي بمعدل يصل إلى 0.000017 من طوله لكل 1.8 درجة فهرنهايت (1 درجة مئوية) من الارتفاع في درجة الحرارة.

لذلك إذا حصل تغيير في درجة الحرارة بمعدل 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية)، (وهو ما يحصل عند التحول من التجمد إلى الغليان)، فإن أنبوباً نحاسياً طوله 3.3 قدم (1 متر) سيتمدد بمعدل 0.06 بوصة (1.7 ملم).

 

وعندما يتمدد الأنبوب النحاسي فإن السلك سيتحرك بالمسافة نفسها، وإذا قمت بقياس درجة حرارة الماء الحار والبارد، وطول الأنبوب النحاسي بالضبط، سيصبح بإمكانك تحديد مقدار التمدد بشكل دقيق.

وعلى الرغم من صغر المسافة التي قطعها السلك إلا أنها تبدو كبيرة من خلال الجزء الطويل للسلك. فبينما يتحرك الجزء القصير من السلك بمقدار ضئيل فإن رأس السلك الطويل سيسجل حركة أكبر.

 

ما العمل لو انزلق السلك بدلاً من أن يدور عند تسخين الأنبوب؟

حاول أن تضع قطعة صغيرة من الكرتون بين الخشب والسلك، كما أن بإمكانك أيضاً أن تساعد في إبقاء السلك في مكانه عن طريق لف الخشبة والأنبوب النحاسي بحلقة مطاطية كي يظلا متماسكين بصورة محكمة تماماً.

 

نصائح للسلامة

اطلب من أحد الكبار أن يساعدك في غلي الماء وصبه في الأنابيب. اطلب دائماً الإذن من أحد الكبار قبل استعمال الماء الحار.

 

منظم الحرارة (الترموستات)

تعتمد منظمات الحرارة المنزلية على مبدأ تمدد المواد وتقلصها بنسب مختلفة، وهو عبارة عن أنبوب صغير يحتوي على زئبق يستند إلى ملف يضم معدنين مختلفين.

عندما ترتفع درجة الحرارة يتمدد المعدن السفلي على نحو أسرع من المعدن العلوي، ما يؤدي إلى تضيّق الملف وميل الأنبوب فينزلق الزئبق قاطعاً الدارة التي تربط السلكين، وبالتالي قطع الكهرباء عن جهاز التسخين أو التدفئة.

وعندما تنخفض درجة الحرارة يتمدد المعدن العلوي وينفرد الملف دافعاً الأنبوب نحو الأعلى، ما يؤدي إلى انزلاق الزئبق نحو دارة الوصل، وبالتالي إعادة تشغيل جهاز التسخين أو التدفئة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]