الطاقة والكيمياء الحرارية

1. الطاقة والكيمياء الحرارية

2. يعتبر انتاج الطاقة والبحث عن مصادر جديدة للطاقة في هذا العصر من الحاجات الملحة لأن الطاقة أصبحت عصب الحياة. • تتميز بعض التفاعلات الكيميائية بقدرتها على انتاج الطاقة وبعضها على امتصاص الحرارة والإنسان استطاع الحصول على الطاقة من التفاعلات الكيميائية الخاصة بحرق الفحم والبترول • الكيمياء الحرارية : هي العلم الذي يربط التغير في الطاقة بالتفاعلات الكيميائية.

3. طبيعة الطاقة : الطاقة شيء غير ملموس ولكن ممكن الشعور به فمثلاً القدرة على الحركة مرتبطة بالطاقة والحرارة مرتبطة بالطاقة الطاقة هي القدرة على بذل شغل أو نقل حرارة لذلك يعتبر الشغل والحرارة الوسيلتان التي نلمس بهما التغير في الطاقة.

4. أنواع الطاقة : • الطاقة الضوئية • طاقة الوضع وطاقة الحركة • الطاقة الكيميائية • الطاقة الحرارية

5. الطاقة الضوئية : • تعتبر الشمس المصدر الرئيسي للطاقة الضوئية على الأرض فهي أساس عملية البناء الضوئي في النبات والتي ينتج عنها الغذاء لكل سكان الأرض. • يحاول العلماء الحصول على الطاقة النظيفة بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية أو كهربية وتشغيل بعض المحركات عليها مثل السيارات. • في بعض دول العالم أصبحت بعض البيوت تنتج ما تحتاجه من الطاقة باستخدام الطاقة الشمسية.

6. طاقة الحركة : طاقة الحركة هي الطاقة الناتجة عن حركة الأجسام وتعتمد على كتلة الجسم ومربع سرعته K.E = 1\2 mv2 حيث K.E طاقة حركة الجسم ,m كتلة الجسم ,v سرعة الجسم طاقة الحركة تتناسب طردياً مع الكتلة والسرعة لذلك فإن شاحنة تتحرك بسرعة 60 كيلو متر في الساعة تبذل شغل )قدرة على الاصطدام( أكبر من دراجة هوائية تتحرك بنفس السرعة

7. طاقة الوضع : • هي الطاقة الكامنة أو المختزنة في الجسم بسبب وضعه أو مكانه بالنسبة للأجسام الأخرى • فمثلاً الكرة الموجودة على سطح أحد المباني تمتلك طاقة وضع بسبب قوة الجاذبية الأرضية وإذا سقطت تتحول عندها طاقة الوضع إلى طاقة حركة • والماء الموجود في أعلى شلال يملك طاقة وضع وعندما يسقط تتحول هذه الطاقة إلى طاقة حركة تستخدم في توليد الكهرباء • وأيضاً الجسم الممغنط من صور طاقة الوضع إذ إنه يميل إلى التحرك في مجال مغناطيسي وتستخدم الأجسام الممغنطة في رفع الحديد

8. الطاقة الكيميائية : هي الطاقة الناتجة من تفاعل كيميائي معين وهي إحدى أشكال طاقة الوضع فهي طاقة مختزنة في روابط المواد الكيميائية تعتمد على طبيعة المادة ونوع ذراتها وطريقة ترابطها قبل التفاعل تكون تلك الطاقة مختزنة ولكن أثناء التفاعل الكيميائي تنكسر الروابط ثم ترتبط الذرات بطريقة جديدة مما يحدث تغير في طاقة الوضع وينتج عن ذلك فقدان أو كسب للطاقة

9. الطاقة الحرارية : تعتبر الحرارة من أهم الطرق لقياس التغير في الطاقة فعندما يحترق الوقود نشعر بالدفء وهي الحرارة الناتجة عن احتراق الوقود وإذا وضع مسمار ساخن في كوب من الماء نلاحظ انتقال الحرارة من المسمار إلى الماء أي أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد ويفسر ذلك بأن جسيمات المادة الساخنة تكون سريعة الحركة بالنسبة لجسيمات المادة الأكثر برودة وعندما تصطدم الجسيمات الساخنة السريعة بتلك الباردة تقل سرعتها وتزيد سرعة الباردة البطيئة حتى يحدث اتزان حراري بين الجسمين

10. تحول الطاقة : يمكن للطاقة أن تتحول من صورة إلى أخرى فمثلاً طاقة الوضع تتحول إلى طاقة حركة والطاقة الحرارية تتحول إلى طاقة كهربية والطاقة الكهربية إلى حرارية وحركية وضوئية وسمعية كما في الأجهزة الكهربائية كالمدفأة والمروحة والأجهزة المرئية والسمعية.

11. وحدات الطاقة : • الجول : هو وحدة الطاقة حسب النظام العالمي للوحدات ويرمز له بالرمز J وهي مشتقة من تعريف الطاقة الحركية وحدة الطاقة = وحدة الكتلة ×)وحدة السرعة(2 = كجم ×)متر / ثانية(2 1 جول =1 Kgm2 / s2 وعادة يستخدم KJ كوحدة أكبر لحساب الطاقة المصاحبة للتفاعلات الكيميائية 1 KJ = 1000 J

12. 2. السعر : هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء درجة سليزية واحدة. العلاقة بين الجول والكالوري :1 cal. = 4.184 J وهناك ما يعرف بالسعر الغذائي وهو أكبر من السعر ويساوي 1000 سعر ويستخدم في حساب القيمة الغذائية للأطعمة وكذلك الحديث عن طاقة الجسم ويميز بكتابة الحرف الأول بالأحرف الانجليزية الكبيرة 1 Cal. = 1 Kcal. = 1000 cal.

13. مثال : إذا استهلك 2.26 KJ لتحويل 1.00 g من الماء السائل إلى بخار. احسب كم تساوي هذه القيمة بالكيلو سعر ?? الحل : 2.26 × 1000 = 2260 J 2260 \ 4.184 = 540.15 cal 540.15 \ 1000 = 0.540 Kcal

14. تغيرات الطاقة في التفاعلات الكيميائية في التفاعلات الماصة أو الطاردة للحرارة يجب أن يكون مجموع طاقة الحركة والوضع قبل وبعد التفاعل ثابت دائماً وذلك طبقاً لقانون حفظ الطاقة.

15. قانون حفظ الطاقة : الطاقة لا تفنى ولا يمكن أن تستحدث من عدم أثناء حدوث التفاعل الكيميائي ولكن يمكن أن تتحول من صورة إلى أخرى. السعة الحرارية : هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة المادة درجة مئوية واحدة وحدتها J \ °C

16. الحرارة النوعية : هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة ووحدتها J \ g °C لحساب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما كتلته m بمقدار ∆T نستخدم القانون : Q = m × c × ∆T حيث Q كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة ,c الحرارة النوعية ∆T الفرق في درجات الحرارة ولها نفس القيمة سواء كانت درجات مئوية أو مطلقة كمية الحرارة المحسوبة تكون موجبة اذا اكتسب الجسم حرارة وسالبة اذا فقد الجسم حرارة

17. إذا كانت الحرارة النوعية للمادة كبيرة فهذا يعني أن المادة تحتاج كمية كبيرة نسبياً من الحرارة لكل جرام كي تتغير حرارتها بمقدار معين وإذا كانت صغيرة فهي تحتاج كميات صغيرة من الحرارة كي تتغير حرارتها. • ارتفاع الحرارة النوعية للماء من نعم الله علينا حيث يحافظ على مياه البحار والأنهار من التبخر والجفاف • وأيضاً هذا ما يحدث مع سوائل جسم الإنسان حيث تقاوم التغير السريع في الحرارة والبرودة وتحافظ على درجة حرارة الجسم ثابتة.

18. مثال : ما هي كمية الحرارة اللازمة لتغير درجة حرارة 400 g من الماء من 18 °C إلى 23 °C الحل : ∆T = T2 – T1 23 – 18 = 5 °C Q = ∆T × c × m 5 × 4.184 × 400 = 8370 J

19. مثال : ما هي كمية الحرارة اللازمة لتغير درجة حرارة 400 g من النحاس من 23 °C إلى 18 °C الحل : ∆T = T2 – T1 ∆T = 18 – 23 = - 5 °C Q = ∆T × c × m Q = - 5 × 0.390 × 400 = - 780 J

20. قياس كمية الحرارة : تقاس كمية الحرارة في المختبر باستخدام جهاز يسمى المسعر وهو عبارة عن إناء معدني قوي يسمى المفجر توضع به المتفاعلات ويوضع هذا الإناء في حمام مائي معزول عزلاً حراريا به كمية معلومة من الماء ومجهز بترمومتر ومحرك تقاس درجة الحرارة الأولية للحمام المائي ثم يتم بدء التفاعل بواسطة مسخن صغير داخل وعاء التفاعل ولقياس حرارة التفاعل تقاس درجة حرارة الحوض المائي قبل وبعد التفاعل لأن الحرارة الناتجة تمتص بواسطته من وعاء التفاعل ويمكن قياسها بالترمومتر

21. يعتبر المسعر من الأجهزة الدقيقة رغم بساطته