نسخة الفيديو النصية
أجريت تجربة باستخدام القياسات الحرارية للمقارنة بين درجات الحرارة المنطلقة من مجموعة من أنواع الوقود المختلفة. أي العوامل الآتية لا يشترط أن يظل ثابتًا عند إعادة إجراء التجربة لكل نوع وقود مختلف؟ أ: درجة الحرارة الابتدائية للماء. ب: حجم الماء. ج: نفس الموقد والفتيلة. د: الترمومتر. هـ: نفس كتلة الوقود المحترق.
القياس الحراري هو الدراسة المعنية بانتقال الحرارة أثناء التغيرات الفيزيائية والكيميائية. علمنا أن الغرض من تجربة القياس الحراري في هذا السؤال هو مقارنة الحرارة المنطلقة من أنواع مختلفة من الوقود. وعليه، سنلاحظ تغيرًا كيميائيًّا في هذه التجربة. سيحترق الوقود؛ وهو ما يتسبب في تفاعل احتراق، وهو تفاعل طارد للحرارة ويؤدي إلى انطلاق حرارة. أثناء التجربة، سنحتاج إلى استخدام مسعر حراري، وهو جهاز يستخدم لقياس الحرارة المنتقلة.
يمكن استخدام الإعداد الآتي لإجراء تجربة مثل هذه. يوضع موقد يحتوي على الوقود الخاضع للاختبار أسفل مسعر حراري به ماء. يحتوي المسعر الحراري على غطاء عازل مزود بترمومتر، بحيث يكون المستودع تحت سطح الماء. وتكون الفتيلة مشتعلة. عند احتراق الوقود، تنتقل الحرارة إلى الماء عبر الجدار المعدني للمسعر الحراري. ويؤدي هذا إلى ارتفاع درجة حرارة الماء، والتي يمكننا قياسها باستخدام الترمومتر.
يمكننا استخدام الارتفاع في درجة الحرارة الناتج عن احتراق كل نوع من أنواع الوقود لحساب كمية الحرارة المنطلقة من الوقود والمنتقلة إلى الماء. لإكمال هذه العملية الحسابية، علينا أيضًا معرفة كتلة الماء في المسعر الحراري والحرارة النوعية للماء التي تساوي قيمتها 4.18 جول لكل جرام درجة سلزية. يمكننا أن ندرك أن هذه المعادلة هي المعادلة المستخدمة عادة في تجارب القياس الحراري.
في التجربة الواردة في هذا السؤال، تمثل 𝑞 الحرارة المنطلقة من الوقود والمنتقلة إلى الماء. يمكننا حساب قيمة 𝑞 بضرب كتلة الماء الموجودة داخل المسعر الحراري في الحرارة النوعية للماء والتغير في درجة الحرارة. عند مقارنة أنواع الوقود، كلما زادت درجة الحرارة المسجلة، زادت الطاقة المنطلقة من الوقود. لكن لا يمكننا إجراء هذه المقارنة إلا إذا كانت كتل جميع أنواع الوقود المحترقة متساوية. بالإضافة إلى ذلك، نفترض عدم تسرب أي من الحرارة المنتقلة إلى المسعر الحراري وخروجها إلى الوسط المحيط، وأن الأدوات الأخرى الموجودة، مثل الترمومتر، لا تمتص أيًّا من الحرارة المنطلقة.
في العديد من التجارب، من المهم جدًّا إجراء التجربة في ظروف اختبار عادل. هذا يعني أنه عند احتراق كل نوع من أنواع الوقود، يجب التحكم في الظروف والإعدادات المستخدمة، وأن تكون متشابهة قدر الإمكان. بما أننا نعلم الآن أن الغرض من التجربة قياس الزيادة في درجة حرارة الماء ومقارنتها من خلال أنواع مختلفة من الوقود، فيجب الإبقاء على كتلة الماء في المسعر الحراري ثابتة عند احتراق كل نوع من الوقود. الماء له كثافة ثابتة. لذا، إذا عرفنا حجم الماء، يمكننا حساب كتلته. وبمعرفة ذلك، يمكننا استبعاد الخيار ب.
يجب أيضًا أن تظل كتلة كل نوع من الوقود ثابتة. تتيح لنا معرفة ذلك استبعاد الخيار هـ. الحرارة النوعية للماء قيمة ثابتة؛ إذن هي ليست قيمة متغيرة ويجب أن تظل ثابتة. من المهم أيضًا التفكير في شروط بدء التجربة. في بداية كل تجربة، يجب أن يكون للمسعر الحراري والماء الموجود بداخله نفس درجة الحرارة. ويجب أيضًا أن يكون للوقود الذي يحترق درجة الحرارة الابتدائية نفسها. تتيح لنا معرفة ذلك استبعاد الخيار أ.
بالطبع، نحتاج أيضًا إلى استخدام الأدوات نفسها عند احتراق كل نوع من أنواع الوقود. علينا استخدام نفس الموقد والفتيلة لحرق كل نوع من أنواع الوقود. كما يجب علينا أيضًا استخدام المسعر الحراري ونوع العزل أنفسهما، إن أمكن. ومن ثم، يمكننا استبعاد الخيار ج. وبذلك يتبقى لدينا الخيار د. يمكننا بالتأكيد استخدام الترمومتر نفسه في كل تجربة، لكنه ليس شرطًا. الترمومتر جهاز قياس قياسي؛ وهو ما يعني أنه يمكننا استخدام أجهزة ترمومتر مختلفة، وسنحصل على قراءة درجة الحرارة نفسها.
في الختام، العامل الذي لا يشترط أن يظل ثابتًا عند إعادة إجراء التجربة لكل نوع وقود مختلف هو الترمومتر، أو الخيار د.
