1

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

فيزياء درجات الحرارة المنخفضة ) التبريد(

هو العلم الذى يهتم بدراسة درجات الحرارة المنخفضة والتي تقترب من الصفر كلفن ( - Co273)الصفر المطلق( )

الغاز. قوى التجاذب المتبادلة بين جزيئاتتأثير يعبر عن -تاثير فاندر فالز :

) أو ( الجزيئات لتكثف يؤدى مما الضغط بزيادة الغاز جزيئات بين التجاذب قوى زيادة هو

صلب. الى او الى سائل الغاز فيتحول

)الغازات إسالة تفسير (فاندرفال تأثير تفسير

الجزيئات. بين البينية المسافات تقل الضغط بزيادة 1) الكثافة. فتزداد الجزيئات بين التجاذب قوى تزداد 2)

سائل. الى متحوال الغاز ويتكثف تدريجيا الكثافة تزداد 3)

التفاعل الكيميائي فاندرفال)تفاعل ( تأثير

الى يؤدى وال الجزيئات بين التجاذب قوى عن يعبر

ال – جديدة جزيئات روابط جديدة أو الى تكوين يوجد تغير في خواص الجزيئات.

الى ويؤدى الذرات بين يكون الكيميائي التفاعل

أي تغير في – جديدة جزيئاتروابط جديدة و تكوين خواص الجزيئات

مقارنه بين الغاز المثالى والغاز الحقيقى

الغاز المثالى الغاز الحقيقى

ال تطبق عليه قوانين الغازات عند الضغوط العالية ودرجات الحرارة المنخفضة

تطبق عليه قوانين الغازات

يهمل حجم جزيئات الغاز بالنسبة للحجم الذى يشغله اليهمل حجم جزيئات الغاز . الغاز .

تظهر فيه قوى فاندرفالز فى الضغوط العالية ثافات العالية ودرجات الحرارة المنخفضة والك

تهمل قوى فاندرفالز.

اليتالشى حجمه او ضغطه عند الصفر كلفن ويكون للجزيئات طاقة سكون

ى يتالشو )عند ثبوت الضغط ( حجمه نظرياً يتالشى و طاقة حركة جزيئاته )عند ثبوت الحجم ( ضغطه

عند الصفر كلفن

طريقة يتم فيها سحب الطاقة من المادة حتى تصبح درجة حرارتها منخفضة جدا . : الية التبريد

مالمسة مادة ُمبردة مسبقا الى مادة اخرى يراد تبريدها . مثال .الثلج العادى الثلج الجاف )ثانى اكسيد كربون مثلج ( الهواء المسال الغازات المسالة امثلة لمواد مبردة

علم التبريد

2

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

-:ودرجات )إسالتها( غليانها الة امثلة لغازات مس

درجة الحرارة المئوية درجة الحرارة الكلفنية الغاز

-ko 90 Co 183 االكسجين

-ko 77 Co 196 النيترجين

-ko 4.2 Co 268.8 الهيليوم

عند استخدام الغاز المسال كمادة مبردة فانه بعد التبريد يسحب الغاز المسال الطاقة الحرارية ملحوظة

من المادة المراد تبريدها حيث تنخفض درجة حرارتها وترتفع درجة حرارة الغاز المسال ويتحول الى الغاز .المسال الى طبيعته الغازية

لغاز المثالي .علل: عند الصفر المطلق تتوقف صحة ا

ألنه يتحول الى سائل ثم الى جامد قبل وصوله لهذه الدرجة.

(2002علل: تحييد الغازات الحقيقية عن سلوك الغاز المثالي. ) ثان و يهمل حجم ج يئات الاا بالنسبة لىحجم الذى يشاىه الاا ن الاا المثال بن لىى رريي ن ومما أل

. ور الاا ات الحقيقية غير متورر مذي ن الفريي نتهمل قوى راندررال .

علل: يظهر تأثير فانرفالز على الغازات عند درجات الحرارة المنخفضة.أل ن متوسط طاقة حركة الج يئات يقل بانخفاض درجة حرارتها ريقل متوسط سرلة الج ئ رينشط تأثير

راندررال .

درجة حرارة تقترب من الصفر المطلق )كلفن(تبريدها لبعض الغازات المسالة عند تالشى لزوجةخاصية )احتكاك(.فتنساب دون أي مقاومة أو

يتمتع بخاصية السيولة الفائقةحيث -الهيليوم المسال مثال

خصائص الهيليوم المسال

تتالشى لزوجته عند درجات الحرارة المنخفضة. -1

مهمالً قوى األحتكاك. ينساب الى اعلى واسفل على جوانب االناء الذى يحتويه لمدة طويله -2

لذلك فهو من افضل الموصالت الحرارية . حرارته النوعية منخفضة -3

لذا فهو أفضل المواد المبردة. ( k o4.2انخفاض درجة غليانه ) -4

يولة المفرطة (السيولة الفائقة )الس

3

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

-الوظيفة : حفظ الغازات المسالة .

-الفكرة العلمية : عزل الغاز حراريا عن الوسط . -التركيب:

.وعاء معدنى او زجاجى من البيركس له جدران مزدوجة من الهواء )علل( لتقليل انتقال الحرارة بالحمل والتوصيل .والمسافة الفاصلة بين الجدارين مفرغة تماما

.تطلى اسطح الجدارين من الداخل بطبقة من الفضة )علل( لتقليل انتقال الحرارة باالشعاع

يتم تخزين الهيليوم المسال فى اناءين من نوعية قارورة ديوار وتمأل المسافة الفاصلة بين االناءين -1

(. k o4.2بالنيتروجين المسال )علل( النخفاض الحرارة النوعية للهيليوم وانخفاض درجة غليانه )الحرارة النوعية للنيتروجين المسال اكبر من الحرارة النوعية للهيليوم المسال لذلك يستخدم النيتروجين -2

المسال فى عزل الهيليوم المسال فى قارورتى ديوار.

النيتروجين المسال والهيليوم المسال قارن بين غاز -س:

والهيليوم المسال النيتروجين المسال وجه المقارنه

Ko77 Ko4.2 درجة غليانه

منخفضة جدا اعلى من الهيليوم الحرارة النوعية

اناءين من نوعية قارورة ديوار تمأل المسافة قارورة ديوار طريقة تخزينه الفاصلة بينهما بسائل النيتروجين

ماذا يحدث عند مالمسة غاز مسال لمادة .-س :

تنخفض درجة حرارة المادة وترتفع درجة حرارة الاا المسال ويعود الاا المسال الى حالته الاا ية .

يفضل الهيليوم المسال عن غيره كمادة مبردة -س: الحرارية .النخفاض حرارته النولية وانخفاض درجة غىيانه رهو م ن اريل الموصالت

فراغ

اسطح

عاكسة

قارورة ديوار

مالحظا ت

4

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

فانه طبقا لقانون بقاء الطاقة تتحول الطاقة المكتسبة الى صورتين هما th Q اذا اكتسب الغاز طاقة حرارية

وتظهر لنا فى صورة ارتفاع فى درجة الحرارة . Uزيادة فى الطاقة الداخلية -1 . W شغل تبذله جزيئات الغاز -2

)القانون االول فى الديناميكا الحرارية( W +U = th Qاى ان -وعلى هذا االساس يمكن تقسيم التغير الحرارى الى نوعين هما :

العملية االديباتية العملية االيزوثرمية

شرط حدوثها : .يكون الغاز فى اناء جيد التوصيل للحرارة

حدوثها :شرط يكون الغاز معزول تماما عن الوسط المحيط .

تحدث عند ثبوت الطاقة الحرارية للغاز . تحدث عند ثبوت درجة حرارة الغاز مع الوسط .

U = 0التغير الطاقة الداخلية = صفر اى ان الطاقة الداخلية ثابتة

الطاقة المكتسبه = صفر= 0 th Q

تتحول الطاقة الحرارية بالكامل الى شغل ميكانيكى تبذله جزيئات الغاز .

= W th Q

الشغل المبذول من الغاز او على الغاز يتم على حساب طاقته الداخلية .اى ان

W +U صفر = -وهناك احتمالين هما :

U -W =

اى ان الشغل موجب

الغاز يبذل شغال على الطاقة الداخليةحساب

تنخفض الطاقة الداخلية وتنخفض درجة الحرارة

ويبرد الغاز

: مثال- تمدد الغاز فجأة .

W -U =

اى ان الشغل سالب

يبذل على الغاز شغالعلى حساب الطاقة

الداخلية

تزداد الطاقة الداخلية وترتفع درجة الحرارة

ويسخن الغاز -مثال :

انكماش الغاز فجأة .

تحدث بسرعة . تحدث ببطء .

تتغير درجة حرارة الغاز. ال تتغير درجة حرارة الغاز.

عند انضغاط غاز معزول حراريا فجاة فان درجة حرارته ترتفع )علل( -1

لغازايبذل على الغاز شغال على حساب الطاقة الداخلية فتزداد الطاقة الداخلية وترتفع درجة الحرارة ويسخن -مما سبق نجد ان فكرة عمل الثالجة :-2 .قانون بقاء الطاقة –التبادل الحرارى االيزوثرمى واالديباتى

مالحظا ت

أنواع التغير الحراري

5

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

:ظاهرة التوصيل الكهربى الفائقبعض الفلزات عندما تقترب درجة حرارتها من الصفر كلفن فان مقاومتها الداخلية لمرور التيار الكهربى

خاللها تنعدم تقريبا -امثله لموصالت فائقة :

وبعض المركبات - Hgالزئبق - Znالزنك )الخارصين ( - Alااللومنيوم - Pbالرصاص – Ptالبالتين المعدنية .

االنتقالية للتوصيلية الكهربية الفائقة درجة الحرارة هى درجة الحرارة التى تنعدم عندها المقاومة الكهربية للموصل عند مرور التيار الكهربى بها .

نالحظ من الشكل مقاومة الموصل الفائق تتناسب طرديا مع درجة الحرارة الكلفنية . -1 والتى تقترب من الصفر كلفن CTعند درجة الحرارة االنتقالية -2

.تقل المقاومة الكهربية بمقدار كبير جدا وتكاد تنعدم

عند الصفر كلفن تنعدم المقاومة الكهربية تماما -3 ولكن هذه الحالة لم يتم التوصل اليها حتى االن .

مميزات الموصالت الفائقة )خصائص ( ينساب فيها التيار لمدة طويلة ولعدة سنوات حتى -1 لو ازيل فرق الجهد الخارجى )الموصل على شكل حلقة (. التستهلك طاقة حرارية عند مرور التيار الكهربى بها . -2 الترتفع درجة حرارتها عند مرور التيار الكهربى بها . -3لالسلكية ( لذلك تصنع منها الدوائر الكهربية باالقمار لها قدرة عالية على التقاط االشارات الكهربية )ا -4

الصناعية

K 4.2س مامعنى قولنا ان درجة الحرارة االنتقالية للتوصيلية الفائقة لفلز =

4.2o Kاى ا ن درجة الحرارة التى تنعدم لندما المقاومة الداخىية لمرور التيار الكهربى =

التوصيل فى صناعة ملفات التسخين فى المكواه والمدفأة.)علل( التصلح المواد فائقة

النعدام المقاومة الكهربية رال تسنفذ الطاقة الكهربية لىى شكل طاقة حرارية

)علل( يمكن استخدام المواد فائقة التوصيل فال محطات توليد الطاقة الكهربية وخطوط نقل التيار . ومة الكهربية .حيث تنعدم الطاقة المفقودة النعدام المقا

( تستخدم مواد فائقة التوصيل في صناعة هوائي األقمار الصناعية.)علل .التقاط االشارات الكهربية )الالسىكية (أل ن المواد رائقة التوصيل معدومة المقاومة ريكو ن لها مقدرة لالية لىى

رغم ازالة فرق الجهد المسبب له.)علل(عندما ال ينساب تيار كهربي خالل حلقة فائقة التوصيل يظل مستمًرا أل ن المواد رائقة التوصيل تكو ن قابىيتها لىتوصيل الكهرب لالية جداً دو ن مقاومة رال يسخ ن الفى وال تستهىك

طاقة رال تتحول الطاقة الكهربية إلى اي نوع آخر م ن الطاقة و بالتال ال تفقد الطاقة الكهربية .

)ظاهرة اونس(ظاهرة التوصيل الكهربى الفائق

CT

R

T

الصفر المطلق

6

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

مغناطيس دائم فوق قرص من مادة فائقة التوصيل فان التيار المار فى المادة فائقة التوصيل يولد اذا وضع مجاال مغناطيسيا يتنافر مع المجال المغناطيسى للمغناطيس الدائم بحيث يظل المغناطيس الدائم معلقا فى الهواء

. تفسير الظاهرة

مغناطيسية والتى ينعدم بها شدة المجال المغناطيسىالمواد فائقة التوصيل من النوع الدايا

عند مرور تيار كهربى فى المادة فائقة التوصيل فانه يتولد فيها مجال مغناطيسى يتنافر دائما مع المجال المغناطيسى للمغناطيس الدائم بحيث تكون المحصلة دائما داخل المادة فائقة التوصيل = صفر

سبب التسمية

تم تصميمه فى اليابان . km h 225سمى بذلك الن سرعته كبيرة تصل الى

فكرة عمله ظاهرة مايسنر

طريقة عمله نه يولد تيارا فى الملفات ينشأ يحمل القطار ملفات من مادة فائقة التوصيل وعندما يتحرك القطار فا

عنه مجال مغناطيسى يتنافر مع المجال االول فيرتفع القطار فوق القضبان عدة سنتيمترات فيزول االحتكاك مع القضبان وتزداد سرعة القطار .

ملحوظة التظهر ظاهرة مايسنر اال فى المواد فائقة التوصيل )علل(.

.)علل(ادة فائقة التوصيل لظل المغناطيس الدائم معلق في الهواءاذا وضع مغناطيس دائم فوق قرص من م

فعند مرور، الن المواد فائقة التوصيل من النوع الدايا مغناطيسى اى تنعدم داخلها شدة المجال المغناطيسى مادة فائقة التوصيل فانه يتولد فيها مجال مغناطيسى يتنافر دائما مع المجال الفى قرص تيار كهربى

بحيث تكون المحصلة دائما داخل المادة فائقة التوصيل = صفر ، المغناطيسى للمغناطيس الدائم

ض المواد الجديدة عند درجة يحاول العلماء اكتشاف ظاهرة التوصيلية الفائقة لبع الحرارة العادية )درجة حرارة الغرفة ( .

سوف يساعد ذلك على التوسع فى تطبيقات الموصالت الفائقة دون الحاجة الى التبريد مثل استخدامها فى محطات توليد القوى الكهربية وفى خطوط نقل الكهرباء بحيث ينعدم الفاقد فى الجهد نتيجة انعدام المقاومة.

ظاهر مايسنر

نظرة مستقبلية

القطار الطائر

7

الوحدة األولى األولالفصل فيزياء التبريد 01277717776

األستاذ/ حسن محمود -هـدية مجانيـة

ملخص الفكرة العلمية

الفكرة العلمية الجهاز او العملية الفيزيائية

تاثير فاندر فالز اسالة الغازات

عزل الغاز حراريا عن الوسط حيث المسافة الفاصلة بين الجدارين قارورة ديوارمفرغة تماما من الهواء لتقليل انتقال الحرارة بالحمل والتوصيل و

تطلى اسطح الجدارين من الداخل بطبقة من الفضة لتقليل انتقال الحرارة باالشعاع.

قانون بقاء الطاقة –التبادل الحرارى االيزوثرمى واالديباتى الثالجة

زيادة التوصيلية الكهربية لبعض المعادن عندما تقترب درجة حرارتها المواد فائقة التوصيل من الصفر كلفن حيث تنعدم مقاومتها تقريبا .

القطار فائق السرعة )القطار الطائر(

ظاهرة مايسنرحيث يحمل القطار ملفات من مادة فائقة التوصيل وعندما يتحرك القطار فانه يولد تيارا فى الملفات ينشأ عنه مجال مغناطيسى يتنافر مع المجال االول فيرتفع القطار فوق القضبان عدة سنتيمترات فيزول االحتكاك مع

القضبان وتزداد سرعة القطار