Physics · الكتاب 1 · Grades 1–9

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9

34الحرارة والعزل

لماذا يبدو المِزلج المعدني جليديًّا بينما لا يبدو كذلك المقعد الخشبي إلى جانبه؟ ذلك اللغز يتبعنا منذ السنة الأولى من هذا الكتاب. واليوم يسقط — ومعه أسرار الترمس والنافذة المزدوجة والعصفور المنفوش في الشتاء. والمفتاح أن نكفّ عن السؤال كيف تبدو الأشياء ونبدأ بتتبّع أين تجري الحرارة.

34.1 الحرارة في حركة

تعريف 34.1 (الحرارة)

الحرارة طاقة في حركتها من جسم أسخن إلى جسم أبرد. فالحساء يمرّر حرارة إلى الملعقة، والمدفأة إلى الغرفة، ويدك إلى كرة ثلج. والحرارة ليست مادة مختبئة داخل الأشياء الساخنة — إنما هي جريان، ولها اتجاه دائمًا.

قضية 34.2 (الحرارة تجري نازلة)

تجري الحرارة من تلقاء نفسها من الجسم الأسخن إلى الأبرد دائمًا — ولا تجري في الاتجاه الآخر أبدًا. ويستمرّ الجريان ما دامت درجتا الحرارة مختلفتين، ويخبو حين تلتقيان: فإذا تُرك جاران ساخن وبارد معًا مدة كافية انتهيا إلى درجة حرارة واحدة مشتركة.

مثال 34.3 (قراءة الاتجاه)

ملعقة الشاي في الشاي تسخن: فقد جرت الحرارة من الشاي \to إلى الملعقة. والليموناضة مع الثلج تبرد — وانتبه! لم يدخلها شيء اسمه “البرودة”: بل جرت الحرارة خارجة من الليموناضة إلى الثلج، فصهرته. فالبرودة ليست جريانًا؛ إنما هي الاسم الذي نعطيه لجانب الخاسر. وكتب الفيزياء كلها تقول “يفقد المشروب حرارة”، ولا تقول “يكسب المشروب برودة” أبدًا.

قاعدة واحدة لكل مطبخ ولكل شتاء: الحرارة تجري نازلة، من الأسخن إلى الأبرد، حتى يزول المنحدر.
قاعدة واحدة لكل مطبخ ولكل شتاء: الحرارة تجري نازلة، من الأسخن إلى الأبرد، حتى يزول المنحدر.

34.2 مسارب سريعة ومسارب بطيئة

تعريف 34.4 (نواقل الحرارة وعوازلها)

تختلف الموادّ اختلافًا شديدًا في سرعة تمرير الحرارة فيها. فناقل الحرارة مسرب سريع — والمعادن قبل كل شيء. وعازل الحرارة مسرب بطيء: الخشب، والصوف، والبلاستيك، والريش — والبطل: الهواء الساكن، محبوسًا حتى لا يدور. (والكلمتان مستعارتان عن قصد من نواقل الكهرباء وعوازلها؛ والخاصّيتان تجتمعان كثيرًا لا دائمًا.)

صباح صقيعي في ساحة اللعب: قضى المِزلج المعدني والمقعد الخشبي الليلة نفسها عند درجة الحرارة نفسها — ومع ذلك لن يقرص جلدك إلا أحدهما.
صباح صقيعي في ساحة اللعب: قضى المِزلج المعدني والمقعد الخشبي الليلة نفسها عند درجة الحرارة نفسها — ومع ذلك لن يقرص جلدك إلا أحدهما.

مثال 34.5 (لغز المِزلج، وقد حُلّ)

قضى المِزلج المعدني والمقعد الخشبي الليل عند درجة الحرارة الباردة نفسها — وقد أقسم ميزان الحرارة على ذلك من زمن بعيد. المِسهما: يدك أدفأ من كليهما، فتجري الحرارة منك إلى كل واحد منهما. لكن المعدن مسرب سريع — يخطف حرارتك خطفًا، وذلك الخطف هو ما يبدو “جليديًّا”. أما الخشب فلا يأخذ حرارتك إلا قطرةً قطرة: فبالكاد يبدو باردًا. ولم يكن جلدك يقيس درجة الحرارة قطّ — إنما يقيس سرعة فقدانه هو للحرارة. أُغلقت القضية، بعد أربع سنوات.

طريقة 34.6 (سباق التبريد)

شاهِد العزل يفوز، بالأعداد:

  1. املأ كوبين متماثلين بماء صنبور ساخن بالتساوي (واطلب من شخص كبير ماءً ساخنًا يُحتمل باليد، لا ماءً غاليًا
  2. ولفّ أحد الكوبين بوشاح صوفي لفًّا سميكًا؛ واترك الآخر عاريًا؛
  3. واغرز ميزان حرارة في كل كوب واكتب درجتَي الحرارة في جدول كل خمس دقائق، ستّ مرات؛
  4. وارسم السجلّين خطّين على بيان واحد، درجة الحرارة في مقابل الزمن.

فيغوص خطّ الكوب العاري؛ وينحدر خطّ الكوب الملفوف انحدارًا لطيفًا. البداية نفسها والغرفة نفسها — والصوف جعل مخرج الحرارة مسربًا بطيئًا.

سباق التبريد مرسومًا: كوبان من ماء عند 50\, C في غرفة عند 20\, C. والصوف لا يستطيع أن يوقف هرب الحرارة — لكنه يُبطئه إبطاءً جميلًا.
سباق التبريد مرسومًا: كوبان من ماء عند 50C50\,{}^{\circ}\mathrm{C} في غرفة عند 20C20\,{}^{\circ}\mathrm{C}. والصوف لا يستطيع أن يوقف هرب الحرارة — لكنه يُبطئه إبطاءً جميلًا.

ملاحظة 34.7 (العزل يُبطئ لا غير)

انظر إلى أين يتّجه المنحنيان: إلى 20C20\,{}^{\circ}\mathrm{C} في الغرفة. فلا وشاح ولا ترمس ولا جدار كوخ جليدي يوقف جريان الحرارة النازل — إنما العزل يجعل المسرب البطيء أبطأ لا غير. ولهذا أيضًا أخّر المعطفُ على رجل الثلج (أتذكره؟) انصهاره ولم يستطع إنقاذه: فحرارة الصيف ظلّت تتسرّب إليه قطرةً قطرة.

34.3 فنّ حبس الهواء

مثال 34.8 (هندسة الشتاء)

كل شيء دافئ تملكه تقريبًا آلة لحبس الهواء. فالصوف يُدفئك لا بألياف نفسها بل بجيوب الهواء التي لا تُحصى بينها؛ ولحف الريش، والفليس، والعصفور المنفوش كرةً على سلك متجمّد، كلها تلعب الورقة نفسها. والبيوت تنضمّ إلى اللعبة: فالنوافذ المزدوجة تسجن طبقة هواء بين لوحين، والجدران المعزولة محشوّة بحشوة منفوشة تكنز الهواء. فالهواء الساكن بطل المسارب البطيئة — والحيلة أن يُبقى ساكنًا.

مثال 34.9 (الترمس)

قارورة الترمس تحفة العزل: قنّينة داخل قنّينة، والهواء بينهما مسحوب حتى يكاد لا يبقى منه شيء — وحيث لا تكاد توجد مادة لا يكاد جريان الحرارة يجد مسربًا البتة (وهي حيلة تستحقّ التذكّر: فالخلاء نفسه هو الذي أسكت الجرس في الوعاء). ثم أضِف جدرانًا لامعة تردّ توهّج الدفء إلى الداخل، فتلقى الشوكولاتة الساخنة العصرَ وهي ساخنة — أو الليموناضة وهي باردة: فالترمس لا يعرف شيئًا عن الساخن والبارد، إنما يُغلق المسارب لا غير، في الاتجاهين.

ملاحظة 34.10 (التدفئة، مقولةً على أصولها)

والآن تُغلق مسألة المعطف القديمة إلى الأبد. فالمعطف هواء محبوس حول صانع حرارة — هو أنت. فجسمك يبثّ الحرارة إلى الخارج طوال النهار؛ والمعطف يحوّل ذلك البثّ إلى قطرات، فتبقى دافئًا من إنتاجك أنت. أما على رجل الثلج — ولا صانع حرارة في داخله — فالمعطف نفسه لا يفعل إلا أن يُبطئ تسرّب الصيف إلى الداخل. والعزل لا يحابي أحدًا: فهو يُبطئ الجريان في أي اتجاه جرى.

34.4 تمارين

تمرين 34.1

ما الحرارة، وفي أيّ اتجاه تجري من تلقاء نفسها؟ ومتى يتوقّف الجريان؟

حل

حل التمرين 34.1.

الحرارة طاقة في حركتها من جسم أسخن إلى جسم أبرد؛ وهي من تلقاء نفسها لا تجري إلا نازلة، من الساخن إلى البارد، وتقف حين تلتقي درجتا الحرارة.

تمرين 34.2

“أغلق الباب، فأنت تُدخل البرد!” أعد كتابة جملة الجدّة كما يكتبها كتاب فيزياء.

حل

حل التمرين 34.2.

“أغلق الباب، فأنت تُخرج حرارتنا!” — فالبرد لا يدخل؛ إنما حرارة البيت تجري خارجة نحو الشارع الأبرد.

تمرين 34.3

صنّف إلى مسارب سريعة ومسارب بطيئة للحرارة: مقلاة نحاسية؛ وشاح صوفي؛ ملعقة فولاذية؛ هواء ساكن؛ ملعقة خشبية؛ لحاف ريش.

حل

حل التمرين 34.3.

المسارب السريعة: المقلاة النحاسية، والملعقة الفولاذية. والمسارب البطيئة: الوشاح الصوفي، والهواء الساكن، والملعقة الخشبية، ولحاف الريش.

تمرين 34.4

لماذا تكون قيعان المقالي معدنية ومقابضها بلاستيكية أو خشبية؟ أجب بالمسارب.

حل

حل التمرين 34.4.

لا بدّ أن يكون القاع مسربًا سريعًا يندفع بحرارة الموقد إلى الطعام؛ ولا بدّ أن يكون المقبض مسربًا بطيئًا يُبقي تلك الحرارة نفسها بعيدًا عن يدك. أداة واحدة وموهبتان، كل واحدة في موضعها.

تمرين 34.5

أخيرًا، بكلماتك أنت: لماذا يبدو المعدن أبرد من الخشب عند درجة الحرارة نفسها؟ وما الذي يقيسه الجلد حقًّا؟

حل

حل التمرين 34.5.

كلاهما عند درجة الحرارة نفسها، لكن المعدن مسرب سريع: فيخطف الحرارة من يدك الأدفأ خطفًا، والخطف هو الإحساس “الجليدي”. فالجلد يقيس سرعة فقدانه هو للحرارة، لا درجة الحرارة.

تمرين 34.6

في سباق التبريد، لماذا يجب أن يكون الكوبان متماثلين وأن يبدآ ساخنين بالتساوي؟ وأيّ فرق واحد تختبره التجربة؟

حل

حل التمرين 34.6.

السباق العادل لا يغيّر إلا شيئًا واحدًا — هو اللفّ. فالكوبان المتماثلان والحرارة الابتدائية المتساوية والغرفة نفسها تضمن أن يكون الوشاح وحده تفسيرَ أي فرق بين المنحنيين.

تمرين 34.7

اقرأ بيان التبريد: عند أيّ درجة حرارة تقريبًا يقف كل كوب بعد 1515 دقيقة؟ وإلى أيّ درجة حرارة يتّجه المنحنيان، ولماذا؟

حل

حل التمرين 34.7.

بعد 1515 دقيقة: الكوب الملفوف عند نحو 41C41\,{}^{\circ}\mathrm{C}، والعاري عند نحو 30C30\,{}^{\circ}\mathrm{C}. ويتّجه المنحنيان إلى 20C20\,{}^{\circ}\mathrm{C} في الغرفة: فالجريان يستمرّ حتى تلتقي درجتا الحرارة، والعزل لا يُبطئ إلا الرحلة.

تمرين 34.8

لماذا ينفش العصفور نفسه كرةً على سلك متجمّد؟ وسمِّ ثلاثة اختراعات بشرية تلعب الورقة نفسها.

حل

حل التمرين 34.8.

الريش المنفوش يحبس بطّانية سميكة من الهواء الساكن — بطل المسارب البطيئة — حول جسم الطائر الدافئ. والورقة نفسها: ثياب الصوف، ولحف الريش، والنوافذ المزدوجة (أو الفليس، والجدران المعزولة).

تمرين 34.9 ★★

الترمس نفسه يُبقي الشوكولاتة ساخنة في كانون الثاني والليموناضة باردة في تموز. اشرح كيف يقوم جهاز واحد بالعملين — ماذا يفعل الترمس حقًّا، وبأيّ شيء؟

حل

حل التمرين 34.9.

الترمس لا يصنع حرارة ولا بردًا: إنما يُغلق مسارب الحرارة — خلاء بين جداريه، ولمعان يردّ التوهّج. ففي كانون الثاني يُبطئ هرب حرارة الشوكولاتة إلى الخارج؛ وفي تموز يُبطئ زحف حرارة الصيف إلى الداخل. جهاز واحد وفي الاتجاهين، لأنه لا يدير إلا الجريان.

تمرين 34.10 ★★

تلفّ بائعة مثلّجات أوعيتها ببطّانيات صوفية سميكة في يوم حارّ، فيضحك زبون: “الصوف لإبقاء الأشياء دافئة!” دافع عن البائعة بما في الملاحظة 34.10 — في أيّ اتجاه تحاول الحرارة أن تجري، وماذا يفعل بها الصوف؟

حل

حل التمرين 34.10.

في يوم حارّ تحاول الحرارة أن تجري من الهواء الدافئ إلى الأوعية الباردة. فيحوّل الصوف ذلك الجريان الداخل إلى قطرات — وهو الإبطاء نفسه الذي يؤدّيه حول جسم دافئ. والعزل لا يحابي أحدًا؛ والبائعة، لا الزبون، هي التي فهمته.

تمرين 34.11 ★★

بيتان في الشتاء نفسه: أحدهما بنوافذ مفردة والآخر بنوافذ مزدوجة. اشرح بالمسارب والهواء المحبوس لماذا يحرق البيت ذو النوافذ المزدوجة وقودًا أقلّ — ولماذا يظلّ محتاجًا، وفق الملاحظة 34.7، إلى بعض التدفئة.

حل

حل التمرين 34.11.

النافذة المزدوجة تسجن طبقة من الهواء الساكن — وهي مسرب بطيء — بين لوحيها، فتتسرّب حرارة البيت قطرةً قطرة حيث تدعها النافذة المفردة تنساب. وحرارة هاربة أقلّ تعني وقودًا أقلّ لتعويضها. لكن العزل لا يُبطئ الجريان النازل إلا إبطاءً، ولا يوقفه أبدًا: فبعض الحرارة يتسرّب دائمًا نحو الشتاء، وعلى المدفأة أن تواصل تعويضه.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (393) في المسرد