المقدمة:

هل أنت مستعد للانغماس في عالم الديناميات السوائل؟ استعد للإذهال ونحن ننطلق في تجربة تمهيدية ستجعلك تشكك في طبيعة الحركة نفسها. في مقال اليوم، سنكشف عن العلاقة الرائعة بين السوائل المختلفة وسرعة حركة الكرة داخلها. استعد لرؤية بنفسك كيف يمكن للسوائل أن تشكل انطباعنا عن السرعة بطرق لم تتخيلها من قبل! لذا أشدد أحزمتك وانضم إلينا في هذه الرحلة عبر لزوجة السوائل، وكثافتها، والقوى التي تحكم تفاعلها.

كيف تؤثر السوائل المختلفة في سرعة حركة الكرة فيها؟

تؤثر السوائل المختلفة في سرعة حركة الكرة في أثناء حركتها في هذه السوائل.

- تُنَفَّذ التجربة باستخدام ثلاثة أنواع مختلفة من السوائل، الغازية، السائلة، والصلبة.

- تُسْقَط كرة زجاجية صغيرة في كل سائل وتسجيل الزمن الذي تستغرقه الكرة للوصول إلى قاع المخبار.

كيف تؤثر درجة حرارة السائل في سرعة الكرة المتحركة فيه؟

- يمكن تقديم فرضية حول تأثير درجة حرارة السائل على سرعة الكرة.

- يمكن تصميم تجربة للتحقق من هذه الفرضية.

الهدف: فهم تأثير السوائل المختلفة على سرعة الحركة وتأثير درجة حرارة السائل على الكرة المتحركة فيه.

الخطوات: تُسْتَخْدَم ورقة مقسومة إلى ثلاثة أجزاء متساوية، وتُسْقَط كرة زجاجية صغيرة في مختلف السوائل، ويُقَاس الزمن.

التحليل: قارن بين الزمن في السوائل المختلفة، واستنتج العلاقة بين الزمن وانسيابية السائل.

قم بتصميم تجربة لفهم تأثير درجة حرارة السائل على سرعة الكرة.

الغازات Gases:

تتمدد الغازات وتنتشر، كما أنها قابلة للانضغاط؛ لأنها ذات كثافة منخفضة، وتتكون من جسيمات صغيرة جدا دائمة الحركة.

إذا نمت على مرتبة فيها هواء مضغوط فلا بد أنك ستلاحظ الفرق بينها وبين النوم على الأرض ولا بد أنك شعرت بالدفء والراحة عندما استخدمت المرتبة التي اكتسبت خصائصها من خصائص جسيمات الهواء التي ضغطت في داخلها.

نظرية الحركة الجزيئية  The Kinetic-Molecular Theory:

لقد تعلمت سابقا أن تركيب المادة (نوع الذرات المكونة) وبنيتها (ترتيب الذرات) يحددان الخصائص الكيميائية للمادة، كما أنهما يؤثران في خصائصها الفيزيائية أيضًا. وبالاعتماد على المظهر الخارجي للمادة يمكنك التمييز بين الذهب والجرافيت والزئبق، وعلى النقيض من ذلك تبدي المواد التي تكون في الحالة الغازية عند درجة حرارة الغرفة خصائص فيزيائية متشابهة، على الرغم من اختلاف بنيتها. فلماذا توجدة اختلافات يسيرة بين سلوك الغازات؟ ولماذا تختلف الخصائص الفيزيائية للغازات عن خصائص المواد السائلة والصلبة

لقد عرف العلماء مع بداية القرن الثامن عشر كيف يمكن جمع النواتج الغازية عن طريق إحلالها محل الماء، ولكنهم يستطيعون الآن مراقبة كل غاز، وقياس خصائصه على انفراد. اقترح الكيميائيان بولتزمان وماكسويل Boltzmann and Maxwell عام 1860م كل منهما على انفراد - نموذجًا لتفسير خصائص الغازات. وقد عُرف هذا النموذج بنظرية الحركة الجزيئية؛ وذلك لأن الغازات جميعها التي اختبرها بولتزمان وماكسويل تتكون من جسيمات؛ حيث للأجسام المتحركة طاقة تسمى طاقة حركية. وتصف نظرية الحركة الجزيئية سلوك المادة بالاعتماد على حركة جسيماتها. ولقد وضع هذا النموذج عدة افتراضات حول حجم جسيمات الغاز وحركتها وطاقتها.

حجم الجسيمات:

تتكون الغازات من جسيمات ذات حجوم صغيرة جدا مقارنة بحجوم الفراغات التي تفصل بينها، كما أنها متباعدة، لذلك تنعدم قوى التجاذب والتنافر فيما بينها. حركة الجسيمات إن حركة جسيمات الغاز مستمرة وعشوائية، وتتحرك في خط مستقيم حتى تصطدم بجسيمات أخرى أو بجدار الوعاء الذي توجدة فيه، وتعد التصادمات بين جسيمات الغاز مرنة. وفي التصادم المرن لا تفقد الطاقة الحركية، ولكنها تنتقل بين الجسيمات المتصادمة.

طاقة الجسيمات:

ينتج عن حركة الجسيمات طاقة حركية يحددها عاملان هما: كتلة الجسيم، وسرعته، ويمكن التعبير عن الطاقة الحركية للجسيم بالعلاقة الآتية:

حيث: الطاقة الحركية KE= ، كتلة الجسيم m = ، 1 = سرعة الجسيم المتجهة. نجد أن جسيمات عينة من غاز ما لها الكتلة نفسها، إلا أنه ليس لها السرعة نفسها، لذلك تختلف كمية الطاقة الحركية لها. ولذا تستخدم درجة الحرارة مقياسًا لمتوسط الطاقة الحركية الجسيمات المادة.

تفسير سلوك الغازات Explaining the Behavior of Gases:

تساعد نظرية الحركة الجزيئية على تفسير سلوك الغازات؛ إذ تسمح حركة الجسيمات الدائمة مثلاً للغاز أن يتمدد حتى يملأ الوعاء الموجود فيه تماما، كما يحدث عند ملء كرة بالهواء، أو عند نفخ بالون بالهواء، حيث تنتشر جسيمات الغاز، وتتوزع لتملأ الوعاء كله.

كثافة منخفضة:

تذكر، كتلة الجسم في وحدة الحجم، وأن كثافة غاز الكلور عند درجة حرارة 200 تساوي (g/ml 10 × 2.95، وكثافة الذهب الصلب تساوي (19.3. (g/mL لذا فإن كثافة الذهب تزيد على كثافة الكلور 6500 مرة تقريبا. ولا يعود هذا الفرق الكبير بين الكثافتين إلى الاختلاف بين كتلة ذرات الذهب وجسيمات الكلور فقط، بل على وجود فراغ كبير بين جسيمات الغاز أيضًا، لذلك يكون عدد جسيمات الكلور أقل من عدد ذرات الذهب في الحجم نفسه كما تنص على ذلك نظرية الحركة الجزيئية.

الانضغاط والتمدد:

إذا عصرت وسادة من البولسترين بالضغط عليها، فإن حجمها يقل؛ وذلك لأنّ المسافة بين الجزيئات كبيرة جدًا، فعند الضغط تبدأ الجزيئات بالتقارب، ومن ثم يقل الحجم، وعند التوقف عن الضغط وبفعل الحركة السريعة والعشوائية للجزيئات، فإنها تتباعد بعضها عن بعض، وتزداد المسافات وتعود إلى وضعها الأصلي.

الانتشار والتدفق:

وفقًا لنظرية الحركة الجزيئية، ونظرًا لأن المسافة كبيرة بين الجزيئات، فإن قوى التجاذب بين جسيمات الغاز تكاد تكون منعدمة. ولهذا تنتشر هذه الجسيمات بسهولة، ويكون المكان الذي ينتشر فيه الغاز في كثير من الأحيان مشغولاً بغاز آخر، وتتسبب الحركة العشوائية لجسيمات الغازات باختلاط بعضها ببعض، حتى يصبح توزيع الغازات المختلطة متساويًا.

يصف الانتشار حركة تداخل المواد معًا، وقد يكون هذا المصطلح حديثًا، ولكن عملية الانتشار مألوفة لك. فأنت تشم رائحة الطعام عند طهيه في أرجاء المنزل كلها؛ بسبب انتشار جسيمات الغاز من منطقة ذات تركيز عال)، وهي في هذه الحالة المطبخ (إلى منطقة ذات تركيز منخفض) باقي أرجاء المنزل (.

أما التدفق فهو عملية ذات صلة بالانتشار، ويحدث التدفق عندما يخرج الغاز من خلال ثقب صغير. فما الذي يحدث مثلاً عند ثقب إطار سيارة أو بالون؟ قام توماس جراهام في عام 1846 م بإجراء تجربة لقياس معدل سرعة تدفق غازات مختلفة عند درجة الحرارة نفسها، وقد صمم تجربته بحيث تتدفق الغازات إلى مكان لا توجدة فيه مادة. وقد اكتشف وجود علاقة عكسية بين معدل سرعة التدفق والكتلة المولية للغاز. قانون جراهام للتدفق ينص على أن معدل سرعة تدفق الغاز يتناسب تناسبًا عكسيًّا مع الجذر التربيعي للكتلة المولية.

الختام:

1.       استكشفنا كيف يمكن للسوائل المختلفة أن تؤثر في سرعة حركة الكرة عند وجودها فيها. قمنا أيضًا بمناقشة نظرية الحركة الجزيئية، وكيف تساعدنا على فهم سلوك الغازات وتفسير خصائصها.

2.       السوائل تتفاوت في خواصها الفيزيائية مثل اللزوجة والكثافة، وهذه الخصائص تؤثر في سرعة حركة الأجسام في داخلها. نظرية الحركة الجزيئية تساعدنا على فهم سلوك الغازات وكيف تتمدد وتتدفق، بالإضافة إلى العلاقة بين سرعة الانتشار والكتلة المولية للغاز.

3.       نجد أن دراسة الديناميات السوائل تفتح أمامنا نافذة إلى عالم مذهل من التفاعلات بين السوائل والأجسام المتحركة فيها. سواء كنا نتعامل مع الغازات الخفيفة والتي تنتشر بسرعة، أو السوائل السائلة والتي تعكس خصائصها التدفق والتمدد، أو الأجسام الصلبة التي تتميز بثباتها وانعكاساتها، فإن هذه الدراسات تساعدنا على فهم السلوك الفيزيائي للمواد.

4.       بفهم عميق للحركة الجزيئية، وكيف تؤثر العوامل المختلفة مثل الكتلة ودرجة الحرارة على سلوك السوائل والغازات، نستطيع تطبيق هذه المعرفة في مجموعة متنوعة من المجالات، بدءًا من الكيمياء والفيزياء وصولاً إلى التطبيقات اليومية مثل التدفئة وتكييف الهواء.

قم بتنفيذ التجربة بنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية