ورقاتشرح درس المحركات والثلاجات ثاني متوسط الفصل الثاني
المحرك الحراري يحوّل جزءًا من الطاقة الحرارية إلى شغل ويطرد الباقي حرارة ضائعة، أما الثلاجة والمكيف فيبذلان شغلًا لنقل الحرارة من الجسم البارد إلى المحيط الأسخن بمائع مبرد.
أهداف الدرس
- يشرح كيف يحوّل المحرك الحراري الحرارة إلى شغل.
- يصف أشواط محرك الاحتراق الداخلي الأربعة.
- يحسب كفاءة المحرك ويفسر ضياع جزء من الطاقة.
- يشرح عمل الثلاجة والمكيف بنقل الحرارة من البارد إلى الساخن.
- يقترح سلوكيات لترشيد الكهرباء في التكييف.
المفهوم الأساسي
المحرك الحراري يحوّل جزءًا من الطاقة الحرارية إلى شغل ويطرد الباقي حرارة ضائعة، أما الثلاجة والمكيف فيبذلان شغلًا لنقل الحرارة من الجسم البارد إلى المحيط الأسخن بمائع مبرد.
شرح الدرس
تركب السيارة فتنطلق حين يدور المحرك، ثم تدخل بيتك فتجد الهواء باردًا بفعل المكيف. في الحالتين تدخل الطاقة الحرارية والشغل في عمل الأجهزة. فكيف يعمل المحرك، وكيف يجعل المكيف الغرفة أبرد من الجو الحار في الخارج؟
المحرك الحراري
المحرك الحراري جهاز يحول جزءًا من الطاقة الحرارية الناتجة عن حرق الوقود إلى شغل ميكانيكي يحرك المركبة أو الآلة. ولا يمكن تحويل الحرارة كلها إلى شغل، فيذهب جزء منها إلى الوسط المحيط حرارةً ضائعة، كما تشعر بسخونة غطاء المحرك وبحرارة العادم.
«المحرك الحراري يحول جزءًا من الحرارة إلى شغل ويطرد الباقي.»
محرك الاحتراق الداخلي
يحترق الوقود داخل أسطوانات المحرك، ويتحرك مكبس داخل كل أسطوانة إلى الأعلى والأسفل. ويعمل المحرك العادي في أربعة أشواط متتابعة:
- شوط السحب: يتحرك المكبس إلى الأسفل فيدخل خليط من الوقود والهواء إلى الأسطوانة.
- شوط الضغط: يتحرك المكبس إلى الأعلى فيضغط الخليط ويصغر حجمه.
- شوط القدرة (الاشتعال): تشعل شرارة الشمعة الخليط فيحترق وتتمدد الغازات الساخنة بقوة فتدفع المكبس إلى الأسفل، وهذا هو الشوط الوحيد الذي ينتج شغلًا.
- شوط العادم: يتحرك المكبس إلى الأعلى فيدفع الغازات المحترقة إلى خارج الأسطوانة عبر صمام العادم.
وتتحول حركة المكبس الخطية إلى حركة دورانية تدير العجلات بعمود المرفق.
يحدث السحب ثم الضغط ثم الاشتعال ثم العادم، وتتكرر الدورة مئات المرات في الدقيقة.
كفاءة المحرك
كفاءة المحرك هي نسبة الشغل الناتج إلى الطاقة الحرارية الداخلة، وتقاس بالنسبة المئوية:
الكفاءة = الشغل الناتج ÷ الطاقة الحرارية الداخلة × ١٠٠٪
مثال: محرك يستقبل ٢٠٠٠ جول من حرارة الوقود وينتج ٥٠٠ جول من الشغل. الحل: الكفاءة = ٥٠٠ ÷ ٢٠٠٠ × ١٠٠ = ٠٫٢٥ × ١٠٠ = ٢٥٪ — وتكون الحرارة الضائعة = ٢٠٠٠ − ٥٠٠ = ١٥٠٠ جول.
فكفاءة محركات السيارات بين ٢٠٪ و٣٥٪ تقريبًا، وكلما قلت الحرارة الضائعة ارتفعت الكفاءة، ولذلك تُصان المحركات وتُستخدم تقنيات حديثة وسيارات هجينة وكهربائية لتحسين الكفاءة.
الثلاجة والمكيف
الحرارة تنتقل تلقائيًا من الساخن إلى البارد، أما الثلاجة والمكيف فينقلان الحرارة من داخل الثلاجة أو الغرفة وهما أبرد إلى الخارج الأسخن، وهذا لا يحدث دون بذل شغل، يقوم به الضاغط الكهربائي.
يدور في أنابيب الجهاز مائع مبرد في دورة مغلقة:
- الضاغط: يضغط المائع المبرد الغازي فترتفع درجة حرارته وضغطه.
- المكثف في الخارج: يطلق المائع حرارته إلى الهواء الخارجي فيتكثف ويصبح سائلًا.
- صمام التمدد: يخفض ضغط السائل فجأة فتنخفض درجة حرارته.
- المبخر في الداخل: يتبخر المائع بامتصاص الحرارة من داخل الثلاجة أو الغرفة، فيبرد الداخل.
«التبخر يمتص الحرارة، والتكثف يطلقها.»
فالحرارة التي تخرجها الثلاجة من الداخل هي نفسها التي تشعر بها خلفها أو أسفلها دافئة.
ترشيد الكهرباء في التكييف
يستهلك التكييف حصة كبيرة من كهرباء البيوت في المملكة، ويمكن تقليلها بما يأتي:
- ضبط المكيف على ٢٤ درجة تقريبًا.
- إغلاق الأبواب والنوافذ وعزل الجدران والسقف.
- تنظيف مرشحات المكيف دوريًا وصيانته.
- إطفاء المكيف عند الخروج من الغرفة.
- ستائر تحجب الشمس وزجاج مزدوج.
كلما زاد الفرق بين درجة حرارة الغرفة والخارج زاد الشغل الذي يبذله المكيف.
نشاط تعليمي
النشاط الأول
رتب أشواط محرك الاحتراق: العادم، السحب، القدرة، الضغط.
السحب ثم الضغط ثم القدرة ثم العادم.
أن يرتب الطالب الأشواط.
التطبيق الثاني
محرك يستقبل ٤٠٠٠ جول وينتج ١٠٠٠ جول شغلًا. احسب كفاءته والحرارة الضائعة.
الكفاءة = ١٠٠٠ ÷ ٤٠٠٠ × ١٠٠ = ٢٥٪ والحرارة الضائعة = ٤٠٠٠ − ١٠٠٠ = ٣٠٠٠ جول.
أن يحسب الطالب الكفاءة.
الموقف الثالث
أمسك الجزء الخلفي من ثلاجة تعمل فوجدته دافئًا، فسّر.
يطلق المكثف الحرارة المنقولة من الداخل إلى الخارج.
أن يفسر الطالب دور المكثف.
ملاحظات مهمة
- 1المحرك الحراري يحول الحرارة جزئيًا إلى شغل.
- 2أشواط الاحتراق: سحب وضغط وقدرة وعادم.
- 3الكفاءة = الشغل ÷ الطاقة الداخلة × ١٠٠٪
- 4الثلاجة تنقل الحرارة من البارد إلى الساخن ببذل شغل.
أخطاء شائعة
- ✗ خطأالظن أن كفاءة المحرك قد تبلغ ١٠٠٪ —✓ الصواب: يضيع دائمًا جزء من الطاقة حرارةً.
- ✗ خطأالاعتقاد أن الثلاجة تنتج البرودة.✓ الصواب: تنقل الحرارة من الداخل إلى الخارج.
ملخص الدرس
- المحرك الحراري يحول جزءًا من الحرارة إلى شغل.
- أربعة أشواط: سحب وضغط وقدرة وعادم.
- الكفاءة نسبة الشغل إلى الطاقة الداخلة.
- المبخر يمتص الحرارة والمكثف يطلقها.
هل أتقنت الدرس؟اختبر نفسك من خلال اختبار قصير من عدة أسئلة.
